10.4. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Как показывает опыт, на заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила, величина которой зависит прямо пропорционально от величины заряда q, величины индукции В магнитного поля в том месте пространства, где находится заряд и от проекции его скорости v на плоскость, перпендикулярную вектору В. Будем называть эту силу магнитной. Если измерять заряд в кулонах, индукцию магнитного поля в теслах, а скорость в метрах в секунду, то величину магнитной силы в ньютонах можно вычислить по формуле

, (10.4.1)

где a - угол между векторами скорости и индукции.

Магнитная сила всегда направлена перпендикулярно векторам скорости заряда и магнитной индукции и образует с ними правую тройку векторов (при q>0), поэтому ее векторное выражение имеет вид

. (10.4.2)

Рис. 10.4.1. Правило левой руки позволяет определить направление магнитной силы для положительного заряда

Направление этой силы можно найти по известному правилу левой руки (см. рис. 10.4.1).

Отметим два важных свойства магнитной силы. Во-первых, она равна нулю, если скорость заряда параллельна или антипараллельна магнитной индукции ( или , соответственно). Во-вторых, из-за того, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости заряда, она способна только искривить траекторию заряда, но не может изменить величину его скорости. Работа магнитной силы всегда равна нулю.

Магнитная сила используется, например, для отклонения электронов в кинескопах телевизоров, для отклонения ионов в масс-спектрометрах, для отклонения заряженных частиц в циклических ускорителях.

Если в том месте, где находится заряд, существует не только магнитное, но и электрическое поле с напряженностью Е, то действующая на частицу сила равна

. (10.4.3)

Это выражение было получено Х. Лоренцем путем обобщения экспериментальных данных и носит название силы Лоренца. Первое слагаемое F_э в выражении (10.4.3) называют электрической, а второе F_м – магнитной составляющими полной силы Лоренца.

10.5. Магнитное поле в веществе. Напряженность магнитного поля

История открытия магнитных свойств веществ уходит в глубь веков. Более двух тысяч лет назад магнитные материалы использовались в качестве компаса. В современной физике магнетизм – обширный раздел, связанный с большинством областей физической науки и ее техническими приложениями.

Важнейшую роль в учении о магнетизме сыграла гипотеза Ампера, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены элементарными замкнутыми токами, циркулирующими внутри небольших частиц вещества – атомов, молекул или их групп. Все вещества по отношению к воздействию на них магнитного поля принято называть магнетиками.

О пыт показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция В магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукцииВ магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

Измерения показывают, что для большинства веществ магнитная проницаемость m близка к единице и не зависит от величины магнитного поля. Все такие вещества могут быть разбиты на два класса:

1)    m>1 – парамагнетики, в которых намагниченность вещества увеличивает суммарное магнитное поле; парамагнетики втягиваются в область сильного неоднородного магнитного пол;

2)    m<1 – диамагнетики, в которых намагниченность уменьшает суммарное поле; диамагнетики выталкиваются из области сильного неоднород­ного поля.

У обоих типов магнетиков магнитная проницаемость слабо отличается от единицы.

Кроме этих двух классов имеется класс веществ, в которых величина магнитной проницаемости (и магнитной восприимчивости) может быть очень большой и сильно зависит от величины магнитного поля, а также от температуры вещества. Это, так называемые, магнитоупорядоченные состояния, например, ферромагнетики, для которых m»1 . Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10²–10⁵. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

Для характеристики внешнего магнитного поля, которая зависит от силы тока, образующего это поле, и формы проводника была введена характеристика напряженности электрического поля Н. Напряженность Н магнитного поля – это векторная величина, совпадающая по направлению (кроме анизотропных сред) с вектором магнитной индукции напряженность магнитного поля также пропорциональна магнитной индукции. Соотношение между этими величинами принято записывать в виде

. (10.5.1)

Единицей напряженности поля является ампер/метр (А/м)