Физика · 11 класс1 четвертьТема 1Лабораторная работаГОСО РК 2026Углубленный

Магнитное поле. Сила Ампера и сила Лоренца

Вектор магнитной индукции B (Тесла, Тл). Сила Ампера: F_A = I B L sin α. Правило левой руки для проводника с током. Сила Лоренца: F_Л = |q| v B sin α. Траектория движения заряженной частицы в магнитном поле: радиус окружности R = (m v) / (q B) и период T = (2π m) / (q B). Масс-спектрометр.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ1 четвертьдескрипторы ГОСО

Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами (проводниками с током, постоянными магнитами).

Главное свойство магнитного поля — его способность действовать с механической силой на проводники с током и движущиеся электрические заряды.

Вектор магнитной индукции (B) — силовая векторная характеристика магнитного поля, численно равная отношению максимальной силы Fmax, действующей со стороны поля на прямолинейный проводник с током длиной L, к произведению силы тока I на длину проводника L:

B=Fmax/(I⋅L)B = F_{max} / (I \cdot L).

В Международной системе СИ единица магнитной индукции названа в честь Николы Теслы — Тесла (Тл):

1 Тесла — индукция такого однородного поля, в котором на проводник длиной 1 метр с силой тока 1 Ампер действует сила 1 Ньютон:

1 Тл = 1 Н / (1 А · 1 м).

Линии магнитной индукции — непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором B. Магнитное поле является вихревым: его силовые линии всегда замкнуты сами на себя (в природе не существует изолированных магнитных зарядов!). Направление линий определяется правилом буравчика (правилом правой руки).

ВИХРЕВОЕ ПОЛЕ

Замкнутость линий B

Отсутствие магнитных монополей означает ∮ B dS = 0 (теорема Гаусса для магнетизма).
ПРАВИЛО БУРАВЧИКА

Направление поля токов

Если вкручивать буравчик по току, направление вращения ручки укажет направление линий B.
Вектор магнитной индукцииЗамкнутость линий
B=Fmax/(I⋅L);1Тл=1Н/(А⋅м)=1Вб/м2B = F_{max} / (I \cdot L);\quad 1 Тл = 1 Н / (А \cdot м) = 1 Вб / м^2
где B — магнитная индукция (Тл), Fmax — максимальная сила Ампера (Н), I — ток (А), L — длина проводника (м).
Замкнутость линий
Силовые линии магнитного поля ВСЕГДА замкнуты! Вне магнита они выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S.

Французский физик Андре Мари Ампер в 1820 году экспериментально установил закон, определяющий силу, действующую на проводник с током в магнитном поле.

Закон Ампера:

Сила Ампера FA, действующая на прямолинейный отрезок проводника длиной L с током I, помещенный в однородное магнитное поле с индукцией B, прямо пропорциональна силе тока, индукции поля, длине проводника и синусу угла α между направлением тока и вектором магнитной индукции:

FA=I⋅B⋅L⋅sinαF_A = I \cdot B \cdot L \cdot sin α.

Анализ формулы:

• Если проводник ориентирован перпендикулярно полю (α = 90°, sin 90° = 1), сила Ампера максимальна: Fmax = I · B · L;

• Если проводник направлен вдоль силовых линий поля (α = 0°, sin 0° = 0), сила Ампера равна нулю: FA = 0.

Правило левой руки для силы Ампера:

Если расположить ладонь левой руки так, чтобы линии магнитной индукции B входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току I, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера FA.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ

Направление FA

Линии B входят в ладонь, 4 пальца по направлению тока, отогнутый большой палец указывает вектор FA.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Применение закона

Вращение рамки с током в магнитном поле под действием сил Ампера лежит в основе всех электродвигателей.
Шаг 1
Определить угол α между проводником и вектором B
Найти угол α по условию задачи или геометрическому чертежу.
Шаг 2
Рассчитать модуль силы Ампера
Подставить параметры в формулу FA = I · B · L · sin α.
Шаг 3
Найти направление силы по правилу левой руки
Расположить левую руку: B в ладонь, пальцы по току, большой палец задает вектор силы.
Закон АмпераУгол альфа
FA=I⋅B⋅L⋅sinα;Fmax=I⋅B⋅Lприα=90∘F_A = I \cdot B \cdot L \cdot sin α;\quad F_{max} = I \cdot B \cdot L при α = 90^\circ
где FA — сила Ампера (Н), I — сила тока (А), B — индукция (Тл), L — длина активной части проводника (м), α — угол между вектором тока и вектором B.
Угол альфа
Угол α отсчитывается строго между направлением вектора тока I и вектором индукции B!

Поскольку электрический ток в проводнике есть упорядоченное движение заряженных частиц, сила Ампера складывается из элементарных сил, действующих на каждый движущийся заряд.

Сила Лоренца (FЛ, открыта нидерландским физиком Хендриком Лоренцем в 1892 г.) — сила, с которой магнитное поле действует на отдельную движущуюся электрически заряженную частицу:

FЛ = |q| · v · B · sin α,

где q — заряд частицы, v — скорость частицы, B — магнитная индукция поля, α — угол между вектором скорости v и вектором индукции B.

Правило левой руки для силы Лоренца:

Если левую руку расположить так, чтобы линии индукции B входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по скорости v ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО заряда (или противоположно скорости отрицательного заряда), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Лоренца FЛ.

Фундаментальное свойство силы Лоренца:

Вектор силы Лоренца ВСЕГДА строго перпендикулярен вектору скорости частицы: FЛ ⊥ v.

Следовательно, работа силы Лоренца всегда равна нулю (A = FЛ · v · cos 90° = 0)!

Магнитное поле не изменяет кинетическую энергию и модуль скорости частицы, а искривляет лишь направление ее движения, сообщая частице нормальное (центростремительное) ускорение.

FЛ ⊥ v

Работа равна нулю

Сила Лоренца не совершает работы и не меняет скорость частицы по величине, изменяя только траекторию.
ЗАРЯД В ПОЛЕ

Электрон vs Протон

При одинаковой скорости электрон и протон отклоняются в противоположные стороны за счет противоположных знаков.
Сила ЛоренцаОтрицательный заряд
FЛ=∣q∣⋅v⋅B⋅sinα;AЛ=0;Eкин=const;∣v∣=constF_{\text{Л}} = |q| \cdot v \cdot B \cdot sin α;\quad A_{\text{Л}} = 0;\quad E_{\text{кин}} = const;\quad |v| = const
где FЛ — сила Лоренца (Н), q — заряд частицы (Кл), v — скорость (м/с), B — индукция (Тл), α — угол между векторами v и B.
Отрицательный заряд
Для электрона (отрицательный заряд) 4 пальца направляют ПРОТИВ вектора скорости, либо разворачивают полученную силу на 180°!

Характер траектории заряженной частицы в однородном магнитном поле зависит от угла α между начальной скоростью v и вектором магнитной индукции B:

1. Частица влетает вдоль силовых линий (v || B, α = 0° или 180°):

Сила Лоренца FЛ = 0. Частица продолжает равномерное прямолинейное движение с постоянной скоростью.

2. Частица влетает перпендикулярно линиям поля (v ⊥ B, α = 90°):

Сила Лоренца постоянна по модулю FЛ = |q| · v · B и действует как центростремительная сила: FЛ = m · aцс = m · v² / R.

Отсюда: |q| · v · B = m · v² / R.

• Радиус окружности траектории:

R = (m · v) / (|q| · B) = p / (|q| · B), где p — импульс частицы;

• Период обращения частицы по окружности:

T=(2π⋅R)/v=(2π⋅m)/(∣q∣⋅B)T = (2 \pi \cdot R) / v = (2 \pi \cdot m) / (|q| \cdot B).

Замечательное свойство: период обращения частицы Т совершенно не зависит от ее скорости и радиуса орбиты! Быстрые частицы движутся по окружностям большего радиуса, но совершают полный оборот за то же самое время.

3. Частица влетает под произвольным острым углом α к вектору B:

Скорость раскладывается на две составляющие: продольную vпар = v · cos α (прямолинейное движение) и поперечную vперп = v · sin α (движение по окружности). В результате частица движется по спирали (винтовой линии) с шагом h = vпар · T.

ОКРУЖНОСТЬ

v ⊥ B (α = 90°)

Сила Лоренца искривляет траекторию в замкнутую окружность радиуса R = mv / (qB).
СПИРАЛЬ

Винтовая линия

Суперпозиция вращения и поступательного дрейфа вдоль линий магнитного поля.
Траектория в магнитном полеСпецифика периода T
R=(m⋅v)/(∣q∣⋅B);T=(2π⋅m)/(∣q∣⋅B);h=v⋅cosα⋅TR = (m \cdot v) / (|q| \cdot B);\quad T = (2 \pi \cdot m) / (|q| \cdot B);\quad h = v \cdot cos α \cdot T
где R — радиус кривизны (м), T — период обращения (с), h — шаг винтовой линии (м), m — масса частицы (кг), q — заряд (Кл).
Специфика периода T
Период обращения T зависит ТОЛЬКО от удельного заряда q/m и индукции поля B, но не зависит от кинетической энергии!

Явление отклонения заряженных частиц в магнитных полях лежит в основе важнейших физических приборов XXI века.

1. Циклотрон (изобретен Эрнестом Лоуренсом в 1931 г.):

Циклический резонансный ускоритель тяжелых ионов и протонов. Состоит из двух полых полуцилиндрических электродов (дуантов), помещенных в сильное поперечное магнитное поле B. Между дуантами приложено переменное электрическое поле высокой частоты, в точности равной частоте обращения ионов ν = 1 / T = qB / (2πm).

При каждом переходе через зазор между дуантами частица ускоряется электрическим полем, ее радиус растет, и на внешнем радиусе пучок ионов с колоссальной энергией выводится на мишень (применяется для синтеза радиофармпрепаратов в ядерной медицине).

2. Масс-спектрограф (масс-спектрометр):

Прибор для прецизионного разделения ионов по их удельному заряду q/m. Ионы ускоряются электрическим полем до скорости v = √(2qU/m) и влетают в магнитную камеру. Радиус траектории R = (m/q) · (v/B) пропорционален массе. По месту попадания ионов на детектор с точностью до миллионных долей определяют изотопный состав веществ в криминалистике, геологии и экологии.

ЦИКЛОТРОН

Резонансный ускоритель

Постоянство периода T позволяет многократно ускорять частицы переменным полем неизменной частоты.
МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Анализ изотопов

Разделяет тяжелые и легкие изотопы одного элемента по радиусу их кривизны в магнитном поле.
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул11 класс
Сила Ампера:
FA=I⋅B⋅L⋅sinαF_A = I \cdot B \cdot L \cdot sin α[Н]
Сила Лоренца:
FЛ=∣q∣⋅v⋅B⋅sinαF_{\text{Л}} = |q| \cdot v \cdot B \cdot sin α[Н]
Радиус кривизны частицы в поле:
R=(m⋅v)/(∣q∣⋅B)R = (m \cdot v) / (|q| \cdot B)[м]
Магнитный поток:
Ф=B⋅S⋅cosαФ = B \cdot S \cdot cos α[Вб]
Следующая тема

Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция

Перейти к теме →