8. Дія магнітного поля на рамку зі струмом

Помістимо між полюсами магніту дротяну рамку. Поки струму в рамці немає, вона може перебувати в будь-якому положенні, одне з яких показане, наприклад, на малюнку а. Після увімкнення струму рамка повернеться й займе положення, показане на малюнку б.

Струму немає Струм

Поворот рамки зі струмом у магнітному полі пояснюється тим, що по протилежних сторонах рамки течуть протилежно спрямовані струми. Тому на протилежні сторони рамки зі струмом у магнітному полі діють протилежно напрямлені сили. Ці сили й повертають рамку зі струмом у магнітному полі.

Магнітне поле, діючи на вертикальні сторони рамки, змушує її повертатися так, що її площина розташовується перпендикулярно до силових ліній поля. При цьому за інерцією рамка щораз проходить трохи далі від положення рівноваги. Якщо в момент проходження рамкою положення рівноваги щораз змінювати напрямок струму в ній, то вона буде безупинно обертатися.

Необхідно звернути увагу учнів на те, що обертання рамки відбувається в результаті дії магнітного поля на провідники зі струмом і що в цьому процесі відбувається перетворення електричної енергії в механічну. На розглянутому явищі заснована будова електродвигунів. При цьому для посилення обертального ефекту в електродвигунах застосовують багато рамок.

9. Сила Лоренца

Дія магнітного поля на провідник зі струмом обумовлена тим, що це поле діє на заряджені рухомі частинки в провіднику. Силу, що діє з боку магнітного поля на заряджену частинку, називають силою Лоренца на честь голандського фізика Х. Лоренца, що вивчав рух заряджених частинок в електричному й магнітному полях.

Розрахунки показують, що модуль сили Лоренца , де q — модуль заряду частинки, v — модуль її швидкості, B — модуль вектора магнітної індукції, — кут між швидкістю частинки й вектором магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца, що діє на позитивно заряджену частинку, визначають за допомогою правила лівої руки:

якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок швидкості позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на 90⁰ в площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на частинку.

На рухому негативно заряджену частинку (наприклад, електрон) сила Лоренца діє в протилежному напрямку.

Оскільки сила Лоренца спрямована перпендикулярно до швидкості частинки й вектора магнітної індукції, то робота сили Лоренца дорівнює нулю.

Якщо швидкість матеріальної точки перпендикулярна до сили, що діє на неї, то ця точка рухається по колу. Виходить, електричний що магнітна сила при цьому є доцентровою силою, так що , де - радіус кола. Звідси

Таким чином,

магнітне поле хоча й діє на частинку з деякою силою, не змінює кінетичну енергію частинки, але змінює тільки напрямок її руху.

Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці.

Дію магнітного поля застосовують й у приладах, що дозволяють розділяти заряджені частинки за їхніми питомими зарядами (q/m). Знаючи радіус, за яким рухається частинка, і її швидкість, можна знайти питомий заряд частинки. Такі прилади одержали назву мас-спектрографів.

Особливість руху частинок: те, що більш швидкі частинки рухаються по колу більшого радіуса, використовують під час прискорення заряджених частинок у циклотронах.

Також силу Лоренца можна використати для визначення знака заряду й для досліджень у ядерній фізиці.