Билет №4.

Билет №4. Магнитное поле: магнитное взаимодействие токов,
магнитное
поле, единица силы тока, сила Ампера, магнитная индукция, направление
вектора магнитной индукции, линии магнитной индукции, однородное
магнитное поле, магнитный поток, сила Лоренца, движение заряженных
частиц в однородном магнитном поле, циклотрон.
Магнитное поле – особый вид материи, существующий вокруг движущегося заряда.
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и
магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда. Эти
опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током,
действуют силы, которые стремятся ее повернуть. В том же году французский
физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон
взаимодействия токов.
По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на
друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.
Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи).
Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в
пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле.
Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками,
циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).
Вывод: Т.к. магнитная стрелка повернулась тогда, когда в цепи появился ток, а магнитное
поле может взаимодействовать только с магнитным полем, то следовательно вокруг проводника с
током возникло магнитное поле, электрический ток создается движущимися зарядами, значит
источниками магнитного поля являются:
1) Проводник с током
2) Движущиеся заряды
Сила тока — физическая величина
, равная отношению количества заряда
,
прошедшего через некоторую поверхность за время
, к величине этого промежутка времени:
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах , ампер является
одной из семи основных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.
Сила Ампера – это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. F =
I - сила тока в проводнике;
B - модуль вектора индукции магнитного поля;
L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;
- угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.
Максимальная сила Ампера равна: F = I·L·B. Ей соответствует
Правило левой руки для силы Ампера :
Если 4 пальца левой руки расположить по направлению тока так, чтобы линии магнитной
индукции входили в ладонь, то отогнутый на
большой палец покажет направление силы
Ампера.
Магнитная индукция – физическая величина, характеризующая магнитное поле, его силовая
характеристика. B=ΔF/ IΔl.
Направление магнитной индукции определяется по правилу правой руки или правило
буравчика:
Силовые линии магнитной индукции - замкнутые линии, касательные к которым в каждой
точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.
Магнитное поле называется однородным, если во всех его точках векторы магнитной
индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению.
Магнитный поток - поток Ф вектора магнитной индукции В через какую-либо поверхность.
Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением:
Φ = B · S · cos α
Единица измерения магнитного потока в систем СИ - 1 Вебер (1 Вб).
1 Вб = 1 Тл · 1 м2
Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна
магнитному полю. Значит угол a равен 00 .
Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:
Φmax = B · S
Магнитный поток через контур равен нулю,если контур распологается параллельно
магнитному полю.
Значит угол a равен 900 .
Сила Лоренца – сила, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.
Сила Лоренца определяется соотношением:
Fл = q·V·B·sina
где q - величина движущегося заряда;
V - модуль его скорости;
B - модуль вектора индукции магнитного поля;
a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не
совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.
Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы
Лоренца, а ее скорость
лежит в плоскости, перпендикулярной вектору
двигаться по окружности радиуса
то частица будет
Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 1.18.2).
Рисунок 1.18.2.
Круговое движение
заряженной частицы в
однородном магнитном
поле
Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен
Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения
не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.
Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории
называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости
(следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в
циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема
циклотрона приведена на рис. 1.18.3.
Рисунок 1.18.3.
Движение
заряженных частиц в
вакуумной
камере
циклотрона
Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой
находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам
приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной
частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются
электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под
действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения
энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется
электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях,
заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным
полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.