5.2. Сила Лоренца

Вторая стрелка в нашей схеме (5.2) — действие магнитного поля на ток была реализована в том же 1820 г. в экспериментах Ж. Био, Ф. Савара и А. Ампера. Поскольку ток есть движение большого числа элементарных зарядов, естественно рассмотреть наиболее простую систему — один движущийся заряд.

Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся со скоростью v  заряд q, пропорциональна величине магнитного поля, то есть вектору магнитной индукции B, скорости заряда v, величине самого заряда q. Эксперименты показали, что эта сила ортогональна как скорости заряда, так и вектору магнитной индукции. Эта сила называется силой Лоренца, и определяется она векторным произведением

Согласно этому выражению, сила Лоренца перпендикулярна плоскости, где расположены векторы v и B  и определяется для положительного заряда по правилу винта (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Правило винта для определения направления векторного произведения 

Модуль силы Лоренца равен

где  — угол между векторами v и B. Приведенные соотношения можно использовать для измерения величины и направления вектора магнитной индукции B, так же как соотношение

Является, определением вектора напряженности электрического поля.  

Тесла — большая величина, магниты с полем 10^–8 Тл относятся к рекордным. 

Поскольку сила Лоренца F_L всегда направлена перпендикулярно к скорости движения частицы v, она не совершает работы. Следовательно, кинетическая энергия заряженной частицы при движении в магнитном поле не изменяется, а значит, не меняется величина скорости частицы. Сила Лоренца изменяет лишь направление вектора v, то есть сообщает частице нормальное ускорение. 

Если заряд движется в области, где существует и электрическое поле E, и магнитное поле B, то на него действует полная сила

(Часто эту полную силу, действующую на заряд в электромагнитном поле, и называют силой Лоренца). 

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях лежит в основе многих явлений, происходящих во Вселенной. Так, например, заряженные частицы космических лучей, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывают много интересных явлений, в том числе полярные сияния. Земное магнитное поле способно захватывать заряженные частицы, попадающие из космоса в окрестность Земли, в результате чего и возникли окружающие Землю радиационные полюса (см. рис. 5.5). 

Изучение движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях сделало возможным определение удельных зарядов этих частиц (то есть отношений заряда к их массе) и отсюда получать ценные сведения о природе частиц и о тех процессах, в которых они возникают.

Воздействие на потоки электронов и других заряженных частиц электрических и магнитных полей используется для управления этими потоками, что лежит в основе различных физических приборов от электронно-лучевых трубок до самых современных ускорителей заряженных частиц.

На рис. 5.9 показан опыт, демонстрирующий отклонение пучка электронов в электронно-лучевой трубке (рис. 5.10)  под действием силы Лоренца, возникающей при приближении к трубке постоянного магнита, имеющего форму длинного цилиндра. Показывается, что сила перпендикулярна направлению тока в пучке и направлению магнитного поля и меняет знак при изменении направления магнитного поля.

 

Рис. 5.9. Отклонение пучка электронов в электронно-лучевой трубке под действием силы Лоренца

Рис. 5.10. Электронно- лучевая трубка с отклоняющими пластинами и катушками 

На рис. 5.11 представлен опыт Де ля Риво, где наблюдается воздействие магнитного поля на дуговой разряд в разреженном газе. Газ находится в колбе, в которую введен цилиндрический конец сердечника электромагнита. Разряд происходит между электродом наверху колбы и кольцом внизу, охватывающим сердечник. После включения магнитного поля шнур разряда между верхним электродом и кольцом под действием силы Лоренца начинает вращаться вокруг сердечника, причем при изменении направления магнитного поля меняется и направление вращения шнура.

 

Рис. 5.11. Опыт Де ля Риво 

Примеры магнитных полей, встречающихся в нашем мире, приведены на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Характерные магнитные поля в природе

 

Дополнительная информация

lhttp://n-t.ru/nl/fz/lorentz.htm — Хендрик Лоренц (1853–1928);

http://vseodereve.pp.ua/instrumenti-plotnika/ — что такое буравчик;

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/transport_i_svyaz/TESLA_NIKOLA.html  — Никола Тесла (1856–1943);

http://spaceuniverse.org/  — вселенная;

http://www.astrotime.ru/universe.html — вселенная, астрономия для любителей;

http://www.nasa.gov/topics/universe/index.html — вселенная, современные достижения в исследованиях вселенной;

http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/039.htm — космические лучи, их состав;

http://www.nmdb.eu/?q=node/287 — космические лучи, частицы высоких энергий во вселенной;

http://spaceweb.oulu.fi/~jussila/aurora/  — полярные сияния, фотографии;

http://www.astronet.ru/db/msg/1171214  — радиационные пояса земли (статья А.М. Гальпера);

http://www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/Iradbelt.html — радиационные пояса земли.