На главую страницу

Физика → Методика → Экзамены → Ответы на билеты устных экзаменов → 15. Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие


15. Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие

1. Опыты Эрстеда и Ампера. 2. Магнитное поле. 3. Магнитная индукция. 4. Закон Ампера. 5. Сила Лоренца. 6. Распространенные ошибки.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 18). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 19). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле — особый вид материи. Его источником является любое переменное электрическое поле.

С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей — электрического и магнитного — это электромагнитное поле, оно представляет гобой особый вид материи, т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное электрическое поле всегда порождается переменным магнитным полем. Магнитное и элетрическое поля взаимно перпендикулярны. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются заряженные частицы — электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (B ). Магнитная индукция — это некторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока: B = F/Il . Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).  1 Тл = 1 Н/(А \cdot{} м).

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии магнитной индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 20).

Ампер установил, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле, модулю вектора магнитной индукции и  \sin \alpha , где  \alpha — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так:  F_A = I l В \sin \alpha . Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (B_L = B \sin \alpha ) входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 21).

В конце XIX в. была создана электронная теория проводимости, и тогда стал ясен механизм возникновения силы Ампера. Он состоит в следующем. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы, создающие электрический ток. Их импульс меняется. При столкновении с узлами кристаллической решетки проводника заряженные частицы — электроны — передают им импульс. В соответствии со и вторым законом Ньютона это и означает, что на проводник действует сила. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, называют силой Лоренца.

Итак, сила Ампера F_A = F_л \cdot{} N, где  F — сила, действующая на частицу, а  N — число частиц. Это соотношение позволяет определить  F_л = F_A / N . Заменив  I в законе Ампера на  nq_0vS и  N = nSl , можно получить формулу для расчета силы Лоренца:  F_л = q_0Bv \sin \alpha , где  \alpha — угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца  \vec F_л определяют по правилу левой руки, только четыре вытянутых пальца должны совпадать с направлением вектора скорости  \vec v .

Распространенные ошибки

Встречались экзаменуемые, которые ошибочно считали, что магнитное поле существует совершенно самостоятельно и никак не связано с электрическими зарядами, с электрическим полем.

В действительности же существует особая форма материи, единое целое — электромагнитное поле. Магнитное поле — одна из форма проявления электромагнитного поля (другой формой является электрическое поле). Магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы или тела, на проводники с током и на намагниченные тела (например, на магнитную стрелку).

Оставить комментарий
Сообщить об ошибке