Сила Ампера й сила Лоренца

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Електромагнітне поле

УРОК 3/15

Тема. Сила Ампера й сила Лоренца

Мета уроку: розглянути дію магнітного поля на провідник зі струмом і на заряджені рухомі частинки.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	5 хв.	1. Що таке магнітне поле? 2. Як визначають модуль вектора магнітної індукції? 3. Як визначають напрямок вектора магнітної індукції? 4. Сформулюйте правило буравчика
Демонстрації	5 хв.	1. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. 2. Дія магнітного поля на рухомі частинки
Вивчення нового матеріалу	25 хв.	1. Сила Ампера. 2. Дія магнітного поля на рамку зі струмом. 3. Сила Лоренца
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Сила Ампера

Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, називається силою Ампера FA. З визначення модуля вектора магнітної індукції випливає, що

якщо провідник розташований у магнітному полі перпендикулярно до вектора магнітної індукції, сила Ампера Fa = ІlВ, де I – сила струму в провіднику, l – довжина провідника, В – модуль вектора магнітної індукції.

Вираз для модуля сили FA, що діє на малий відрізок провідника l, через який тече струм І, з боку магнітного поля з індукцією , що становить із елементом струму кут?, має такий вигляд: FA = IlBsіn?. Це твердження називають законом Ампера.

Магнітне поле не діє на провідник зі струмом, якщо він паралельний до вектора магнітної індукції. Це випливає із закону Ампера, оскільки, якщо? = 0° або? = 180°, то FA = 0.

Напрямок сили Ампера визначається за правилом лівої руки:

O якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° в площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на провідник з боку магнітного поля.

Сила Ампера максимальна, коли провідник розташований перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

2. Дія магнітного поля на рамку зі струмом

Помістимо між полюсами магніту дротяну рамку. Поки струму в рамці немає, вона може перебувати в будь-якому положенні, одне з яких показане, наприклад, на малюнку а. Після увімкнення струму рамка повернеться й займе положення, показане на малюнку б.

Поворот рамки зі струмом у магнітному полі пояснюється тим, що по протилежних сторонах рамки течуть протилежно спрямовані струми. Тому на протилежні сторони рамки зі струмом у магнітному полі діють протилежно напрямлені сили. Ці сили й повертають рамку зі струмом у магнітному полі.

Магнітне поле, діючи на вертикальні сторони рамки, змушує її повертатися так, що її площина розташовується перпендикулярно до силових ліній поля. При цьому за інерцією рамка щораз проходить трохи далі від положення рівноваги. Якщо в момент проходження рамкою положення рівноваги щораз змінювати напрямок струму в ній, то вона буде безупинно обертатися.

Необхідно звернути увагу учнів на те, що обертання рамки відбувається в результаті дії магнітного поля на провідники зі струмом і що в цьому процесі відбувається перетворення електричної енергії в механічну. На розглянутому явищі заснована будова електродвигунів. При цьому для посилення обертального ефекту в електродвигунах застосовують багато рамок.

3. Сила Лоренца

Дія магнітного поля на провідник зі струмом обумовлена тим, що це поле діє на заряджені рухомі частинки в провіднику. Силу, що діє з боку магнітного поля на заряджену частинку, називають силою Лоренца на честь голландського фізика X. Лоренца, що вивчав рух заряджених частинок в електричному й магнітному полях.

Розрахунки показують, що модуль сили Лоренца FЛ = qBsin?, де q – модуль заряду частинки, – модуль її швидкості, В – модуль вектора магнітної індукції, ? – кут між швидкістю частинки й вектором магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца, що діє на позитивно заряджену частинку, визначають за допомогою правила лівої руки:

O якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок швидкості позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на 90° в площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на частинку.

На рухому негативно заряджену частинку (наприклад, електрон) сила Лоренца діє в протилежному напрямку.

Оскільки сила Лоренца спрямована перпендикулярно до швидкості частинки й вектора магнітної індукції, то робота сили Лоренца дорівнює нулю.

Якщо швидкість матеріальної точки перпендикулярна до сили, що діє на неї, то ця точка рухається по колу. Виходить, електричний заряд у магнітному полі буде рухатися по колу. Слід підкреслити, що магнітна сила при цьому є доцентровою силою, так що де R – радіус кола. Звідси

Таким чином,

O магнітне поле хоча й діє на частинку з деякою силою, не змінює кінетичну енергію частинки, але змінює тільки напрямок її руху.

Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці.

Дію магнітного поля застосовують й у приладах, що дозволяють розділяти заряджені частинки за їхніми питомими зарядами (q/m). Знаючи радіус, за яким рухається частинка, і її швидкість, можна знайти питомий заряд частинки. Такі прилади одержали назву мас-спектрографів.

Особливість руху частинок: те, що більш швидкі частинки рухаються по колу більшого радіуса, використовують під час прискорення заряджених частинок у циклотронах.

Також силу Лоренца можна використати для визначення знака заряду й для досліджень у ядерній фізиці.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Які досліди доводять, що в магнітному полі на провідник зі струмом діє сила?

2. Як спрямована сила Ампера?

3. Чи залежить напрямок сили Ампера від напрямку струму в провіднику?

4. Як залежить сила Ампера від величини сили струму в провіднику?

5. Чим пояснюється обертальна дія магнітного поля на поміщену в нього рамку зі струмом?

6. Як повинен рухатися електрон в однорідному магнітному полі, щоб на нього не діяла сила Лоренца?

Другий рівень

1. Магнітне поле не діє на нерухомі заряджені частинки. Яким дослідом це можна підтвердити?

2. Чому світла цятка, створювана електронним променем на екрані кінескопа, зміститься, якщо поблизу екрана помістити магніт?

3. Чому магнітне поле не діє на провідник без струму? Адже вільні електрони в провіднику перебувають у постійному тепловому русі.

4. Як рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі, якщо початкова швидкість частинки перпендикулярна до ліній магнітної індукції?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. У якому випадку магнітне поле не діє на провідник зі струмом? Поясніть схематично свою відповідь.

2. Як магнітне поле діє на рамку зі струмом? Де використовують це явище?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. На рисунках подано провідники зі струмом, що перебувають у магнітному полі. Сформулюйте задачу за кожним з наведених рисунків і розв’яжіть її.

2. На рисунках схематично зображені різні випадки взаємодії зарядженої рухомої частинки і магнітного поля. Сформулюйте завдання в кожному випадку й розв’яжіть її.

3. Яка сила діє на електрон, що рухається зі швидкістю 60 000 км/з в однорідному магнітному полі індукцією 0,15 Тл? Електрон рухається перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля. (Відповідь: 1,44-10-12 Н.)

4. Провід, сила струму в якому дорівнює 10 А, перебуває в однорідному магнітному полі магнітної індукції 20 мТл (див. рисунок). Які сили діють на відрізки проводу CD, DE, EF? Довжина кожного із цих відрізків дорівнює 40 см. (Відповідь: 0; 40 мН; 80 мН.)

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Сила Ампера: FA = IlBsin?.

– Напрямок сили Ампера визначається за правилом лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° в площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на провідник з боку магнітного поля.

– Сила Лоренца: FЛ = qBsin?.

– Напрямок сили Лоренца, що діє на позитивно заряджену частинку, визначають за допомогою правила лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок швидкості позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на 90° в площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на частинку.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 15.

2. 3б.:

Рів1 № 7.10; 7.11; 7.12; 7.16.

Рів2 № 7.20; 7.22; 7.26, 7.27.

Рів3 № 7.32, 7.33; 7.35; 7.36.

3. Д.: підготуватися до самостійної роботи № 5.