Для школьников (в помощь желающим лучше понять физику).
Сила Ампера
Сила Ампера - это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Опытным путём найдено, что на прямой провод с током со стороны магнитного поля действует сила:
Из формулы видно, что сила Ампера пропорциональна индукции магнитного поля, току в проводнике, длине проводника и зависит от расположения проводника в магнитном поле:
Или действие магнитного поля на проводник определяется лишь перпендикулярной составляющей индукции магнитного поля.
Когда проводник расположен вдоль поля, сила Ампера равна нулю.
Для нахождения направления силы Ампера удобно пользоваться правилом л е в о й р у к и: левую руку располагаем так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, четыре вытянутых пальца направляем по току, тогда отставленный большой палец покажет направление силы Ампера.
На рисунке ниже показан проводник с током, помещённый в однородное магнитное поле, направленное к нам. Тогда, согласно правилу левой руки, сила Ампера, действующая на проводник с током, направлена вправо.
Сила Лоренца
Сила Лоренца - это сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд.
Выражение для силы Лоренца (как и для силы Ампера) получено опытным путём:
Опять представим ток в прямом проводе. Воспользуемся тем же рисунком, на котором показана сила Ампера.
Ток в проводнике есть направленное движение свободных электронов.
На рисунке ток по проводнику течёт вверх, а свободные электроны, под действием сил электрического поля внутри проводника, двигаются вниз.
На каждый электрон действует сила Лоренца.
Направление силы Лоренца тоже находится по правилу л е в о й р у к и: левую руку располагаем так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, четыре вытянутых пальца направляем против скорости движения электрона или по направления тока в проводе (так как за направление тока условились принимать направленное движение положительных зарядов), тогда большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца, действующей на каждый свободный электрон в проводе. Её направление совпадает с направлением сила Ампера.
Сложение сил Лоренца, действующих на каждый электрон в отдельности, даёт силу Ампера (видим, как выражения для этих сил похожи друг на друга).
Чтобы представить свободные электроны и их движение в металлическом проводнике, надо вспомнить строение металла.
А именно, металлический проводник имеет кристаллическое строение. В узлах кристаллической решётки металла находятся ионы (атомы, от которых оторвались валентные электроны).
Если по металлу проходит ток, то свободные электроны двигаются между ионами упорядоченно, взаимодействуя с ними.
Магнитное поле, в котором находится проводник с током или движущийся заряд, создаётся или постоянным магнитом, или электромагнитом, или током.
Т а к и м о б р а з о м, силы взаимодействия между током в проводе и магнитным полем сводятся к силам Лоренца.
Возникающие силы Лоренца действуют на весь проводник, так как движущиеся в проводнике электроны взаимодействуют с атомами проводника (возникает своего рода "трение" между ними).
Наличие этого взаимодействия ("трения") между упорядоченно движущимися электронами и атомами твёрдого металла, демонстрируется следующим опытом.
Между полюсами подковообразного магнита 2 может вращаться медный диск 1, кромка которого погружена в жёлоб с ртутью 3, служащий для подведения тока от батареи к кромке диска. Второй полюс батареи соединён с осью диска.
При замыкании ключа, благодаря "трению", диск начинает вращаться. При изменении направления тока или направления магнитного поля направление вращения диска изменится на обратное. Как это происходит?
При прохождении тока электроны двигаются вдоль радиуса диска между центром диска и точкой соприкосновения диска с ртутью.
Сила Лоренца стремится отклонить электроны в перпендикулярном направлении. Вследствие "трения" между электронами и атомами металла весь диск приходит во вращение.
Направление вращения можно установить, пользуясь правилом левой руки.
Задачи
Задача 1.
По проводнику течёт ток, сила которого равна 10 А. Площадь поперечного сечения проводника 5 квадратных сантиметров, а число свободных электронов в одном кубическом сантиметре проводника составляет 10 в двадцать третьей степени. Определить направленную скорость электронов, считая её одинаковой для всех электронов.
Решение
За 1 с через поперечное сечение А проводника пройдут все те электроны, которые содержатся в показанном на рисунке объёме, равном произведению площади поперечного сечения проводника на длину части проводника, равную произведению скорости на 1 с.
Следовательно, сила тока равна произведению указанного объёма на концентрацию электронов и на заряд одного электрона
Ответ: найдена скорость направленного движения электронов в проводнике.
Можно было бы продолжить решение этой задачи, представив, что рассмотренный в задаче проводник с током силой
находится в магнитном поле.
Зная магнитную индукцию этого поля, могли бы найти силу Ампера, действующую на участок проводника с током, изображённом на рисунке выше.
Затем, разделив силу Ампера на число электронов участка провода
смогли бы найти силу, действующую на один движущийся электрон, то есть смогли бы найти силу Лоренца.
Задача 2.
Электрический ток в металлических проводниках представляет собой движение свободных электронов, сталкивающихся с ионами, из которых построена кристаллическая решётка металла, и отдающих при этом ионам ту энергию, которую они приобрели до соударения. Почему же металлический проводник, по которому идёт ток, не испытывает никаких механических сил в направлении движения электронов?
Ответ.
Электрическое поле в металле, вызывающее движение электронов, действует с одинаковой силой и на электроны и на ионы решётки, но силы эти направлены в противоположные стороны. Сила, действующая на электроны, вызывает их ускоренное движение. Под действием поля электроны приобретают энергию, которую они при столкновении отдают ионам. При этом средняя сила, с которой электроны действуют на проводник, сталкиваясь с ионами решётки, равна той силе, с которой электрическое поле действует непосредственно на ионы решётки, но противоположна ей по направлению. Поэтому металлический проводник, по которому идёт ток, не испытывает никаких механических сил в направлении движения электронов.
Таким образом, рассмотрев теорию и задачи к ней, мы убедились, что взаимодействие тока в проводнике с магнитным полем сводится к силам Лоренца.
Действие силы Лоренца на свободно движущуюся заряженную частицу, влетающую в магнитное поле, подробно рассмотрено с решением ряда задач в Занятии 67 и в статье "Поведение электрона в электрическом и магнитном полях"
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Действие магнитного поля на контур с током.
Следующая запись: Зарядка конденсатора. Зарядный и разрядный ток проводимости.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .