Сила Лоренца и правило левой руки. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Правило правой и левой руки в физике

В XIX веке ученые обнаружили, что между магнетизмом и электричеством есть связь. В это же время сформировалось понятие магнитного поля, впервые обнаруженное датским ученым-физиком Х. Эрстедом. После этого открытия различные ученые, проводя эксперименты, установили широкий спектр действия поля, зачастую выходящий за рамки исследуемого объекта, а также его круговое вращение.

В дальнейшем было установлено направление действия магнетизма и разносторонность его влияния, которое меняется от расположения полюса и силы, оказывающих влияние на проводник.

По результатам экспериментов были сформированы правила левой и правой руки. С помощью первого выявляют направленность сил, влияющих на проводящий материал, а при помощи второго — направленность магнитных линий.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

С целью наглядности были приняты специальное определение и другие обозначения. Поле изображается в виде концентрических линий. Сила действующего поля тем выше, чем чаще они расположены относительно друг друга. Каждая из них получается замкнутой и параллельной с соседними.

Если известно их направление, становится известной направленность вектора магнитной индукции и наоборот. Потому что направление вектора будет соприкасаться с каждой точкой этих линий.

Специальные правила

Рассмотрим вариации основного правила буравчика для особых случаев. Применение таких правил часто упрощает процесс расчета.

Для векторного произведения

Расположите векторы так, чтобы их начальные точки совпадали. Для этой ситуации правило буравчика звучит так:

Если один из векторов-факторов повернуть кратчайшим образом до совпадения направлений с другим вектором, то вращающийся таким образом буравчик повернется в ту сторону, куда указывает произведение векторов.

По циферблату часов

Когда вы упорядочиваете векторы, сопоставляя их начальные точки, вы можете определить направление вектора произведения, используя направление по часовой стрелке. Для этого необходимо мысленно сдвинуть один из векторов множителей в сторону другого вектора с кратчайшим путем. Тогда, если смотреть со стороны вращения этого вектора по часовой стрелке, осевой вектор будет направлен вглубь диска.

Правила правой руки, для произведения векторов

Есть две версии правила.

Первый вариант:

Если согнутые пальцы правой руки направить в сторону кратчайшего пути соединения вектора фактора с другим фактором (вектора выходят из одной точки), то отведенный в сторону большой палец укажет направление осевого вектора.

Другие опции:

Если правую ладонь расположить так, что большой палец совпадает с первым вектором множителя, а указательный — со вторым, то отложенный средний палец будет совпадать с направлением вектора произведения.

Для базисов

Вышеуказанные правила распространяются и на базы.

Например, правило буравчика для правильного базиса можно записать так:

При повороте ручки буравчика и векторов таким образом, что первый базисный вектор стремится ко второму по кратчайшему пути, штопор повернется к третьему базисному вектору.

Эти правила универсальны. Их можно переписать для механики, чтобы определить векторы:

• механическое вращение (определение угловой скорости);
• моменты приложенных сил;
• импульс.

Правила Gimlet также применяются к уравнениям Максвелла, повышая их универсальность.

Примеры задач в физике, электротехнике

Задача № 1

Исходные данные для выполнения: длина проводника — 20 см, протекающий по нему ток — 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции — 45°. Величина магнитной индукции 0,5 Тл.

Необходимо найти силу однородного магнитного поля, действующую на проводник.

Решение: необходимо использовать основную формулу — Fa = B x I x L x sinα. Подставив искомые значения, получим: Fa = 0,5 Т х 0,3А х 0,2 м х (√2/2) = 0,03 Н.

Задача № 2

Исходные данные для решения: Проводник помещен в магнитное поле, индукция которого равна 10 Тл. Напряженность магнитного поля перпендикулярна проводнику и равна 20 Н. Сила тока, протекающего в проводнике, равна 5А.

Необходимо рассчитать длину отрезка проводника.

Решение: за основу взята формула Fa = B x I x L x sinα. Длина проводника определяется следующим образом: L = Fa/(B x I x sinα). Поскольку sinα = 1, получаем: L = Fa/(B x I). Осталось подставить нужные значения, чтобы получить результат: L = 20Н/(10Т х 5А) = 0,4 м.

Есть аналогичные проблемы с использованием силы Лоренца. Наглядно рассмотрим два примера, которые решаются просто и понятно.

Задача № 3

Исходные данные для реализации: в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл заряд 0,005 Кл движется со скоростью 200 м/с. Угол между направлением заряда и вектором магнитной индукции равен 45º.

Определяется: величина силы, действующей на заряд.

Решение: основная формула FL = |q| х В х Ш х sinα. Подставив первые данные, получим следующее: FL = 0,005 С х 200 м/сх 0,3 Т х sin 45о = (0,3 х √2)/2 = 0,21 Н.

Рамка с током в магнитном поле

Мы говорили о важности циклических машин в статьях по термодинамике: они снабжают нас энергией. Понимание законов термодинамики позволило разработать тепловые двигатели, которые хорошо служат нам и по сей день

понимание законов электромагнетизма позволило создать циклическую машину другого типа — электродвигатель.

Мы рассмотрим один из элементов электродвигателя — раму с током в магнитном поле. Поняв его поведение, мы можем понять основную идею того, как работает электродвигатель.

Пусть прямоугольная рамка
может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 4, слева). Рамка находится в вертикальном однородном магнитном поле
. Ток течет по контуру в направлении <br>; это направление показано соответствующими стрелками.

Рис. 4. Рамка с током в магнитном поле

Закон электромагнитной индукции

Простыми словами один из основных законов физики сформулируется так – изменения магнитного поля, при условии, что оно пересекает контур, сопровождаются появлением электродвижущей силы. Она пропорциональна скорости изменения магнитного поля. Не имеет значения – что спровоцировало такие изменения магнитного поля. Закон в начале 19 столетия предложил Майкл Фарадей.

Контуром является катушка с проводом, магнитное поле формирует магнит. Для проведения замеров электродвижущей силы провод подключают к вольтметру.

Рассмотрим два варианта:

1. магнит неподвижно расположен над катушкой – действует постоянное поле, параметры которого не меняются, соответственно, электродвижущая сила не возникает;
2. положение магнита меняется – любые движения магнита вызывают изменения поля, это источник появления электродвижущей силы и напряжения, замеры ЭДС можно проводить, пока магнит передвигается.

ЭДС в контуре формирует ток, его ориентацию определяют посредством правила Ленца, сформулированное так – ток, появляющийся при изменениях в магнитном поле, проходящим через любой контур, сдерживает данные изменения. Таким образом, когда на катушку действует магнит, происходит следующее – увеличивается магнитный поток, появляется ток и магнитное поле, препятствующее увеличению поля магнита.

Если на катушку не действует магнит, происходит следующее – магнитный поток уменьшается, соответственно, магнитное поле тока сдерживает уменьшение поля магнита. Чтобы определить, в какую сторону движется ток, буравчик выкручивается, его движение указывает – куда направлен ток, а именно – в противоположном от часовой стрелки направлении.

Для чего применяют правило буравчика

Известно, что электроток — это направленное движение элементарных частиц, переносящих заряд электричества по имеющим электропроводимость проводникам.
Магнитные поля вокруг проводника

Если взять источник электродвижущей силы (ЭДС) с током, идущим по проводу замкнутой цепи, то есть от «плюса» к «минусу», то в окружении проводника происходят вращающиеся по определённому кругу, магнитные кругообороты, конфигурация которых имеет важное значение. Эти крутящиеся поля взаимодействуют друг с другом и могут притягивать или отталкивать проводники к себе и от себя. А зависит это от того, как и в какую сторону вращаются магнитные поля

А зависит это от того, как и в какую сторону вращаются магнитные поля.

Характер такой взаимосвязи был сформулирован Ампером в виде закона, который стал основой для возникновения электромоторов. Без знания ПБ (правила буравчика) невозможно было бы изобрести электромотор. В этом заключается экспериментальное применение правила.

При расчёте катушек индукции характерным является использование ПБ, а именно с учётом стороны, в которую направлено завихрение, можно будет воздействовать на движущийся ток, в том числе создавать при необходимости противоток.

В чем измеряется, формула

Возьмем проводник с током I бесконечно малой длины Δl и поместим его в магнитное поле с индукцией B. Согласно закону Ампера сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, равна:

Формула 1

F=BI ∆l sinα,

где α — угол между векторами магнитной индукции и скорости заряда.

Формула 2

За бесконечно малое время Δt через проводник пройдет n заряженных частиц с зарядом q. Тогда выражение для тока можно записать так:

I=nq∆t.

Формула 3

Заменим полученное выражение формулой мощности:

F=B·n·qΔt·Al·sinα.

Формула 4

Учитывая, что отношение ΔlΔt дает скорость заряда v, ​​получаем:

F=B·n·q·v·sinα.

Формула 5

Для вычисления значения силы Лоренца, действующей на одиночный заряд, разделим правую часть выражения на n:

F=B·q·v·sinα.

Формула 6

Сила является физической векторной величиной, формула в векторной форме:

F→=q·v→×B→.

Единицей силы Лоренца в системе СИ является ньютон (Н).

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Сила трения. ЗФТШ, МФТИ. Дата обращения 14 февраля 2020.
• Енохович А. С. Справочник по физике. — Просвещение, 1978. — С. 85. — 416 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001. Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки.

Поместим между полюсами магнита проводник, по кото­рому протекает постоянный электрический ток. Мы тотчас же заметим, что проводник будет выталкиваться полем магнита из междуполюсного пространства.

Объяснить это можно следующим образом. Вокруг провод­ника с током (Рисунок 1.) образуется собственное магнитное поле, силовые линии которого по одну сторону проводника направ­лены так же, как и силовые линии магнита, а по другую сто­рону проводника — в противопо­ложную сторону. Вследствие это­го с одной стороны проводника (на рисунке 1 сверху) маг­нитное поле оказывается сгущен­ным, а с другой его стороны (на рисунке 1 снизу) — разрежен­ным. Поэтому проводник испыты­вает силу, давящую на него вниз. И если проводник не закреплен, то он будет перемещаться.

Рисунок 1. Действие магнитного поля на ток.

Правило левой руки

Для быстрого определения направления движения провод­ника с током в, магнитном поле существует так называемое правило левой руки (рисунок 2.).

Рисунок 2. Правило левой руки.

Правило левой руки состоит в следую­щем: если поместить левую руку между полюсами маг­нита так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца ру­ки совпадали с направлением тока в проводнике, то боль­шой палец покажет направ­ление движения проводника.

Итак, на проводник, по которому протекает электри­ческий ток, действует сила, стремящаяся перемещать его перпендикулярно магнитным силовым линиям. Опытным путем можно определить величину этой силы. Оказы­вается, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и длине той части проводника, которая нахо­дится в магнитном поле (рисунок 3 слева).

Это правило справедливо, если проводник расположен под прямым углом к магнитным силовым линиям.

Рисунок 3. Сила взаимодействия магнитного поля и тока.

Если же проводник расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, а, например, так, как изобра­жено на рисунке 3 справо, то сила, действующая на проводник, будет пропорциональна силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плос­кость, перпендикулярную магнитным силовым ли­ниям. Отсюда следует, что если проводник паралле­лен магнитным силовым линиям, то сила, дейст­вующая на него, равна нулю. Если же проводник перпендикулярен направ­лению магнитных силовых линий, то сила, действую­щая на него, достигает наибольшей величины.

Сила, действующая на проводник с током, зави­сит еще и от магнитной индукции. Чем гуще рас­положены магнитные си­ловые линии, тем больше сила, действующая на проводник с током.

Подводя итог всему изложенному выше, мы можем действие магнитного поля на проводник с током выразить следующим правилом:

Сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна магнитной индукции, силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плоскость, перпендикулярную маг­нитному потоку.

Необходимо отметить, что действие магнитного поля на ток не зависит ни от вещества проводника, ни от его сечения. Дей­ствие магнитного поля на ток можно наблюдать даже при от­сутствии проводника, пропуская, например, между полюсами магнита поток быстро несущихся электронов.

Действие магнитного поля на ток широко используется в науке и технике. На использовании этого действия основано устройство электродвигателей, превращающих электрическую энергию в механическую, устройство магнитоэлектрических приборов для измерения напряжения и силы тока, электроди­намических громкоговорителей, превращающих электрические колебания в звук, специальных радиоламп — магнетронов, катодно-лучевых трубок и т. д. Действием магнитного поля на ток пользуются для измерения массы и заряда электрона и даже для изучения строения вещества.

Похожие материалы:

• Магнитное поле тока. Магнитные силовые линии
• Напряженность магнитного поля
• Магнитная индукция
• Электромагнитная индукция
• Правило правой руки
• Взаимоиндукция
• Самоиндукция
• ЭДС самоиндукции: основные послулаты
• Постоянные магниты

Комментарии

Громова Ева 27.02.2018 18:58 Спасибо большое за статью!

Цитировать

асаев антон 04.09.2014 04:56 спасибо создателю сайта

Цитировать

Обновить список комментариев

Применение силы Лоренца в технике

Кинескоп

Кинескоп, стоявший до недавнего времени, когда на смену ему пришел LCD-экран (плоский), в каждом телевизоре, не смог бы работать, не будь силы Лоренца. Для формирования на экране телевизионного растра из узкого потока электронов служат отклоняющие катушки, в которых создается линейно изменяющееся магнитное поле. Строчные катушки перемещают электронный луч слева направо и возвращают обратно, кадровые отвечают за вертикальное перемещение, двигая бегающий по горизонтали луч сверху вниз. Такой же принцип используется в осциллографах – приборах, служащих для изучения переменного электрического напряжения.

Watch this video on YouTube

Масс-спектрограф

Масс-спектрограф – прибор, использующий зависимость радиуса вращения заряженной частицы от ее удельного заряда. Принцип его работы следующий:

Источник заряженных частиц, которые набирают скорость с помощью созданного искусственно электрического поля, с целью исключения влияния молекул воздуха помещается в вакуумную камеру. Частицы вылетают из источника и, пройдя по дуге окружности, ударяются в фотопластинку, оставляя на ней следы. В зависимости от удельного заряда меняется радиус траектории и, значит, точка удара. Этот радиус легко измерить, а зная его, можно вычислить массу частицы. С помощью масс-спектрографа, например, изучался состав лунного грунта.

Циклотрон

Независимость периода, а значит, и частоты вращения заряженной частицы от её скорости в присутствии магнитного поля используется в приборе, называемом циклотроном и предназначенном для разгона частиц до высоких скоростей. Циклотрон – это два полых металлических полуцилиндров – дуанта (по форме каждый из них напоминает латинскую букву D), помещенных прямыми сторонами навстречу друг другу на небольшом расстоянии.

Дуанты помещаются в постоянное однородное магнитное поле, а между ними создается переменное электрическое поле, частота которого равна частоте вращения частицы, определяемой напряженностью магнитного поля и удельным зарядом. Попадая дважды за период вращения (при переходе из одного дуанта в другой) под воздействие электрического поля, частица каждый раз ускоряется, увеличивая при этом радиус траектории, и в определенный момент, набрав нужную скорость, вылетает из прибора через отверстие. Таким способом можно разогнать протон до энергии в 20 МэВ (мегаэлектронвольт).

Магнетрон

Устройство, называемое магнетроном, который установлен в каждой микроволновой печи, – еще один представитель приборов, использующих силу Лоренца. Магнетрон служит для создания мощного СВЧ-поля, которое разогревает внутренний объем печи, куда помещается пища. Магниты, входящие в его состав, корректируют траекторию движения электронов внутри прибора.

Магнитное поле Земли

А в природе сила Лоренца играет крайне важную для человечества роль. Её наличие позволяет магнитному полю Земли защитить людей от смертоносного ионизирующего излучения космоса. Поле не дает возможности заряженным частицам бомбардировать поверхность планеты, заставляя их менять направление движения.

Закон Кулона, определение и формула — электрические точечные заряды и их взаимодействие

Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика и правила правой руки

Что такое ЭДС индукции и когда возникает?

История открытия электричества

Как перевести амперы в ватты и обратно?

Как подключить однофазный электродвигатель — схема с конденсатором

• Преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством
• Сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления
• Заземление точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки

Результаты Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.Популярные статьи Как перевести амперы в ватты и обратно? Сколько в ампере ватт, как перевести амперы в ватты и…114.06.2018 Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования Виды сигналов передачи информации, отличие дискретного от цифрового, сравнение цифрового…111.02.2019 Как выполнить перевод люменов в люксы Что такое люмен и люкс, как перевести люксы в люмены,…008.12.2018

§ 30. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Поскольку электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, то это означает, что магнитное поле, действуя на проводник с током, действует тем самым на каждую из этих частиц. Таким образом, силу Ампера можно рассматривать как результат сложения сил, действующих на отдельные движущиеся заряженные частицы. Как можно определить силу, действующую со стороны магнитного поля на заряженную частицу, движущуюся в этом поле?

Сила Лоренца. Силу, которой магнитное поле действует на заряженную частицу, движущуюся в этом поле, называют силой Лоренца в честь выдающегося нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853–1928).

Рис. 167

Модуль силы Лоренца можно определить по формуле  , где N — общее число свободных заряженных одинаковых частиц на прямолинейном участке проводника длиной Δl (рис. 167). Если модуль заряда одной частицы q, а модуль суммарного заряда всех частиц Nq, то согласно определению силы тока , где Δt — промежуток времени, за который заряженная частица проходит участок проводника длиной Δl. Тогда

Поскольку  – модуль средней скорости упорядоченного движения заряженной частицы в стационарном электрическом поле внутри проводника, то формулу для определения модуля силы Лоренца можно записать в виде:

(30.1)

где α — угол между направлениями индукции магнитного поля  и скорости  упорядоченного движения заряженной частицы.

Рис. 168

Из формулы (30.1) следует, что сила Лоренца максимальна в случае, когда заряженная частица движется перпендикулярно направлению индукции магнитного поля (α = 90°). Когда частица движется вдоль линии индукции поля (α = 0° или α = 180°), сила Лоренца на неё не действует. Сила Лоренца зависит от выбора инерциальной системы отсчёта, так как в разных системах отсчёта скорость движения заряженной частицы может отличаться.

Направление силы Лоренца, действующей на заряженную частицу, как и направление силы Ампера, определяют по правилу левой руки (рис. 168): если левую руку расположить так, чтобы составляющая индукции магнитного поля, перпендикулярная скорости движения частицы, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (против движения отрицательно заряженной частицы), то отогнутый на 90° в плоскости ладони большой палец укажет направление действующей на частицу силы Лоренца.

Сила Лоренца перпендикулярна как направлению скорости  движения частицы, так и направлению индукции  магнитного поля.

От теории к практике

Рис. 169

На рисунке 169 представлены направления индукции  магнитного поля, скорости  движения частицы в данный момент времени и силы Лоренца , действующей на частицу со стороны магнитного поля. Определите знак заряда частицы.

* Электрическое поле, создаваемое и поддерживаемое источником тока в течение длительного промежутка времени и обеспечивающее постоянный электрический ток в проводнике, называют стационарным электрическим полем.

Как связано магнитное поле с Буравчиком и руками

Рассматривая движение полей токовой и магнитной природы, легко проследить сопряжение правила Гимлета с право- и левосторонними ружьями. Для лучшего сравнения этих понятий следует рассмотреть, что они из себя представляют по отдельности.

Закон Гимлета точно определяет направление напряженности, вызванной магнитными полями. При этом само поле должно располагаться в прямом направлении по отношению к проводящему электрический ток материалу.

Для более полного представления возьмите штопор с правой резьбой и поверните его по часовой стрелке по направлению потока. Направление магнитных полей соответствует движению ручки штопора по часовой стрелке.

Правило правой руки можно оценить двумя способами. В одном из них пальцы, согнутые в кулак, охватывают неподвижный проводник с током. Они указывают направление, в котором обращен вектор магнитных линий, который, как и ручка буравчика, будет по часовой стрелке. Самый большой палец отодвигается на 90º и показывает направление, в котором движется ток.

Если ведущий двигается, правая рука кладется по-другому. Ладонь помещается между северным и южным полюсами так, чтобы она была перпендикулярна силовым линиям, проходящим через нее. Большой палец фиксируется в вертикальном положении и указывает в сторону направленного движения ведущего. Остальные пальцы, вытянутые вперед, смотрят в ту же сторону, что и индукционный ток. Эта установка нашла свое применение в расчетах катушек соленоидов, влияющих на физические свойства тока.

Разделяя правила правой и левой руки, их физика показывает, что второй вариант, используемый в расчетах, работает иначе. Левая ладонь располагается в таком положении, чтобы четыре пальца были направлены навстречу току, движущемуся по проводнику. Магнитные линии, идущие от одного полюса к другому, входят в ладонь под углом 90 градусов. Выступающий большой палец смотрит в том же направлении, что и сила, действующая на проводник.

Магнитное поле Земли

Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно. Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит

Магнитное поле Земли имеет внутриземное происхождение. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле. Оно не является симметричным.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Магнитное поле Земли имеет внутриземное происхождение. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле. Оно не является симметричным.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют). 

Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии). 

За последние 30 млн лет среднее время между инверсиями составляло 150 000 лет. Но особенно большие изменения могут происходить в магнитосфере Земли. Эта область околоземного пространства, в котором сосредоточено магнитное поле Земли, простирается на расстояние 70–80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположную сторону. В магнитосферу Земли вторгается множество заряженных частиц, входящих в состав солнечного ветра (потока плазмы солнечного происхождения). Частицы  солнечного ветра, главным образом протоны и электроны, захватываются магнитным полем  Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий.

Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — северные сияния. В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра.

Магнитные бури — это значительные изменения магнитного поля Земли под действием усиленного солнечного ветра в результате вспышек на Солнце и сопровождающих их выбросов потоков заряженных частиц.

Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики земного поля снова возвращаются к норме. Но за столь короткое время магнитная буря сильно влияет на радиосвязь, линии электросвязи, людей.

Кстати, человечество начало использовать магнитное поле Земли уже в начале XVII–XVIII вв. Тогда получает широкое распространение в мореходстве компас (магнитная стрелка).

Вопрос: в каком месте Земли совершенно нельзя верить магнитной стрелке вследствие того, что она северным концом показывает на юг, а южным на север? Ответ: поместив компас между северным магнитным и северным географическим полюсами (ближе к магнитному), мы увидим, что северный конец стрелки направлен к первому, т. е. на юг, а южный — в противоположную сторону, т. е. на север.

Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве. 

• Некоторые морские бактерии располагаются в придонном иле под определенным углом к силовым линиям магнитного поля Земли, что объясняется наличием в них мелких ферромагнитных частиц.
• Мухи и другие насекомые садятся предпочтительно в направлении поперек или вдоль магнитных линий магнитного поля Земли. 
• Термиты располагаются на отдых так, что оказываются головами в одном направлении: в одних группах параллельно, в других перпендикулярно линиям магнитного поля.
• Ориентиром для перелетных птиц также служит магнитное поле Земли. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле. 
• Ботаники установили восприимчивость растений к магнитным полям. Оказывается, сильное магнитное поле влияет на рост растений.

Применение силы Лоренца

Взаимодействие магнитного поля с движущимися заряженными частицами широко применяется в технике и играет важную роль в природе. Примеры и пояснения:

1. Масс-спектрометр — устройство, позволяющее разделить частицы по их удельным зарядам и определить массы частиц. Основными элементами масс-спектрометра являются: вакуумная камера, источник частиц, батарея, ускоряющая напряжение электрического поля, фотопластинка.Заряд ускоряется электрическим полем и попадает в магнитное поле вакуумной камеры, под действием силы Лоренца описывает дугу и падает на фотопластинку. По оставленному следу на фотопластинке определяют радиус траектории частицы, затем — удельный заряд и массу.
2. Электронно-лучевая трубка — устройство для преобразования электрических сигналов в световые. Основными элементами электронно-лучевой трубки являются: катод, первый и второй аноды (вместе создают ускоряющее электрическое поле), отклоняющая система, экран.Источником электронов является катод. С помощью фокусирующей системы — первого анода — электроны собираются в узкий луч, который попадает в ускоряющее электрическое поле. Управление пучком электронов происходит с помощью отклоняющей системы, куда входят две магнитные катушки. По катушкам протекает ток, создавая магнитное поле. Луч попадает в поле, под действием которого отклоняется от начального положения и падает на экран. Экран покрыт специальным веществом — люминофором, способным светиться при попадании на него электронов. Электронно-лучевые трубки применяют в осциллографах, кинескопах, радиолокационных станциях.
3. Циклотрон — ускоритель тяжелых заряженных частиц — протонов и ионов. Основными элементами циклотрона являются: вакуумная камера, два электрода — дуанты, магнит, источник частиц, генератор переменного напряжения.Ускоренная частица попадает в щель между дуантами и под действием силы Лоренца начинает двигаться по окружности. Через время, равное половине периода изменения напряжения на электродах, заряд снова оказывается между дуантами, ускоряется и начинает двигаться по окружности большего радиуса. В результате частица описывает в циклотроне многовитковую спираль, которая состоит из полуокружностей. Энергия ускоренной частицы в циклотроне может достигать 20МэВ.
4. Магнитное поле Земли постоянно вступает во взаимодействие с потоком заряженных частиц из космоса. Действие силы Лоренца изменяет траекторию движения частиц, не давая последним пройти через ионосферу и атмосферу.

Примеры решения задач по электротехнике

Задача 1

Дано: длина проводника — 20 см, сила тока, протекающая в нем — 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции — 45°. Величина магнитной индукции — 0,5 Тл.

Найти: силу однородного магнитного поля, воздействующую на проводник.

Решение: необходимо применять основную формулу — Fa = B ⋅ I ⋅ L ⋅ sin α. Подставив нужные значения, получаем: Fa = 0,5 Тл ⋅ 0,3А ⋅ 0,2 м ⋅ (√2/2) = 0,03 Н.

Задача 2

Дано: альфа-частица влетает в магнитное поле с индукцией 1 Тл перпендикулярно силовым линиям.

Найти: момент импульса частицы относительно центра окружности, по которой она будет двигаться.

Решение:

Когда частица влетает в поле перпендикулярно силовым линиям, на нее начинает действовать сила Лоренца, которая выполняет роль центростремительной силы.

Радиус окружности, по которой будет двигаться частица: R=mυ/QB.

Момент импульса частицы относительно центра окружности вычисляется по формуле: