Электромагниты

Магнитное поле

Магнетизмом называется способность некоторых тел притягивать к себе стальные предметы.

Магнит, который каждый из нас когда нибудь видел, обладает способностью магнетизма. Если магнит разрезать ,

то его части также будут иметь опять по два полюса.

И на сколько бы частей не был разделен магнит, каждая часть

всегда будет иметь два полюса по концам, и никогда нельзя получить магнит с одним полюсом.

Поднося магниты друг к другу разными полюсами можно установить, что магнитные полюса взаимодействуют

как и электрические заряды между собой, т.е. разноименные притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Эти силы притяжения и отталкивания показывает наличие магнитного поля вокруг полюсов. При отдалении от

магнита эти силы ослабевают.

Как показывают опыты, магнитное поле действует не только через воздух, но и через другие диэлектрические

материалы (стекло, картон, бумагу и т.д.) и только материалы из стали сильно ослабляют действие магнитов.
Находясь возле магнита стальные предметы намагничиваются и становятся магнитами.
Если применяются предметы из твердой (закаленной) стали, то они долго сохраняют магнитные свойства и ими можно

пользоваться как постоянными магнитами.
Мягкая сталь становится магнитной только на время намагничивания. При удалении от магнита она теряет

магнитные свойства.

Как же происходит намагничивание?
Из теории известно, что каждое вещество состоит из атомов в которых вокруг ядра вращаются электроны, создавая

кольцевой формы элементарный проводничок с током — кольцевой ток.

Этот кольцевой ток создает свое магнитное

поле (на рисунке — маленькие стрелочки выходящие из кольцевого тока) с магнитными полюсами. Когда тело не

намагничено, кольцевые токи не создают результирующего магнитного поля, т.к. электроны хаотично вращаются в разные

стороны и их магнитные поля взаимно уничтожаются (рис.а). Если, допустим, мягкую сталь поместить в магнитное

поле магнита, то кольцевые токи будут под действием магнитного поля разворачиваться и располагаться своими

торцами перпендикулярно к его силовым линиям, создавая общее результирующее поле (рис.b). Это поле и образует из стали магнит.
По окончанию действия внешнего магнитного поля кольцевые токи снова вернуться в беспорядочное вращение и

мягкая сталь размагнитится.
В твердой (закаленной) стали элементарным кольцевым токам трудно возвращаться к беспорядочному вращению

и поэтому в такой стали долго сохраняются магнитные свойства.
Магнитное поле невидимо, но его существование можно определить если насыпать на лист картона железные

опилки и под него положить магнит.
Железные опилки, как маленькие магнитики, займут определенные

положения по направлению магнитных силовых линий полюсов магнита(рис.с).
На рис. свидно, что в середине магнита результирующее силовое поле будет минимальное и в определенной точке будет равно нулю.
На самом то деле, конечно, в магнитном поле никаких линий нет, но они помогают изобразить это поле графически.

При этом принято считать, что эти линии идут снаружи магнита по направлению от северного полюса к южному, а

внутри магнита — от южного к северному (рис.d). То есть силовые магнитные линии будут всегда замкнуты.

Чтобы определить полюса магнита нужно подвесить магнит на нитке за его середину и он повернется так, что одним

своим полюсом будет указывать на юг (S), а другим на север (N), т.к. наша Земля тоже является большим магнитом со

своими магнитными полюсами.На северном географическом полюсе находится южный магнитный полюс, а на южном географическом — северный магнитный полюс.
Так как магниты притягиваются противоположными полюсами, значить северный полюс магнита будет указывать на северный географический полюс, а южный полюс магнита — на южный географический полюс.
Полюса магнита так и принято называть — северный и южный полюса.

В устройсве магнитного компаса используется именно это свойство, только вместо магнита используется легкая намагниченная стрелка.

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову — провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые активные элементы. Так вот, в магнитных цепях роль источника выполняют катушки с током, накрученные на основной элемент магнитной цепи — ферромагнитный магнитопровод.

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.

Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида

Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий

Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму

Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут

Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*

Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.

Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.

1] Магнитные потоки Ф1 и Ф2 через произвольные сечения будут равны между собой.

2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю… Мне одному это что-то напоминает?

То есть мы окончательно сформулировали, что замкнутая (или почти замкнутая) система из ферромагнитных сердечников может рассматриваться как проводящая цепь. В нашем случае — магнитная.

Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты

Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» — «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.

Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.

Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.

Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.

Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.

Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.

Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.

При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:

регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);

увеличением (уменьшением) количества витков катушки;

использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).

Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:

  • телеграфная связь;
  • стационарные телефонные аппараты;
  • электрические звонки;
  • электродвигатели;
  • трансформаторы;
  • электромагнитные реле;
  • домофоны;
  • производственные электромагниты.


Грузоподъемный магнит.


Домофон с электромагнитом.


Вентилятор с электродвигателем. Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.

Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.

1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S

2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?

1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу

3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка

1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение

4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?

1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа

6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный

7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке

8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.

12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.

Часть 2

13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты

Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» — «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.

Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.

Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.

Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.

Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.

Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.

Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.

При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:

регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);

увеличением (уменьшением) количества витков катушки;

использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).

Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:

  • телеграфная связь;
  • стационарные телефонные аппараты;
  • электрические звонки;
  • электродвигатели;
  • трансформаторы;
  • электромагнитные реле;
  • домофоны;
  • производственные электромагниты.

Грузоподъемный магнит.

Домофон с электромагнитом.

Вентилятор с электродвигателем.

Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.

Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.

Схема электрозвонка.

Цифрами на схеме обозначены основные детали звонка. Это;

  1. Провода, идущие через замыкающую кнопку к источнику тока.
  2. Контактная пластинка.
  3. Контактный винт.
  4. Якорь – тонкая железная пластинка.
  5. Обмотка катушки.
  6. Сердечник.
  7. Ударный элемент звонка – молоточек.
  8. Чаша звонка.

При нажатой кнопке звонка происходит замыкание цепи. По обмотке 5 идет ток, и катушка с сердечником 6 превращается в электромагнит. Якорь 4 притягивается электромагнитом к сердечнику 6. В этот момент молоточек 7 ударяет по чаше звонка 8, слышен звонкий удар звонка. Контактный винт в результате движения якоря отходит от контактной пластинки 2, и цепь размыкается. Якорь «отлипает» от сердечника, возвращается в исходное положение, соединяя тем самым контактный винт с контактной пластинкой. Цепь снова замкнута, электромагнит снова срабатывает и т.д. Происходит все очень быстро: цепь то замыкается, то размыкается, магнит то притягивает, то отпускает якорь, молоточек быстро стучит по чаше звонка. Частые удары сливаются в почти сплошной звук.

Электромагниты после отключения от сети быстро размагничиваются и не приносят особых хлопот в применении.

Главное.

Для перевода кратных и дольных единиц измерения в СИ нужно помнить степень 10, которую показывает приставка (например кило-, санти-, и т. д.).

Несколько основных кратных единиц измерения:

Кило — — 10³. Пример: 1 км = 10³ м (километр).

Мега — — 10⁶. Пример: 1 МПа = 10⁶ Па (мегапаскаль).

Гига — — 10⁹. Пример: 1 ГГц = 10⁹ Гц (гигагерц).

Тера — — 10¹². Пример: 1 ТВ = 10¹² В (терравольт).

Пета — — 10¹⁵. Пример: 1 ПН = 10¹⁵ Н (петаНьютон).

Другие используются достаточно редко.

Несколько основных дольных единиц измерения:

Деци — — 10⁻¹. Пример: 1 дм = 10⁻¹ м (дециметр).

Санти — — 10⁻². Пример: 1 см = 10⁻² м (сантиметр).

Милли — — 10⁻³. Пример: 1 мН = 10⁻³ Н (миллиньютон).

Микро — — 10⁻⁶. Пример: 1 мкКл = 10⁻⁶ Кл (микрокулон).

Нано — — 10⁻⁹. Пример: 1 нс = 10⁻⁹ с (наносекунда).

Пико — — 10⁻¹². Пример: 1 пФ = 10⁻¹² Ф (пикофарад).

Другие используются также достаточно редко.

Виды

Электромагниты бывают следующих видов:

  • Нейтральные постоянного тока. В таком устройстве магнитный поток создается посредством постоянного электрического тока, пропущенного через обмотку. А значит, сила притяжения такого электромагнита варьируется в зависимости только от величины тока, а не от его направления в обмотке.
  • Поляризованные постоянного тока. Действие электромагнита подобного рода основано на наличии двух независимых магнитных потоков. Если говорить о поляризующем, то его наличие создается обычно постоянными магнитами (в редких случаях — дополнительными электромагнитами), и нужен он для создания притягивающей силы при выключенной обмотке. А действие такого электромагнита зависит от величины и направления электрического тока, который движется в обмотке.
  • Переменного тока. В таких устройствах катушка электромагнита питается электричеством переменного тока. Соответственно, с определенной периодичностью магнитный поток меняет свое направление и величину. А сила притяжения варьируется лишь по величине, из-за чего она «пульсирует» от минимального до максимального значения с частотой, которая имеет двукратную величину по отношению к частоте питающего ее электрического тока.

С тем, какие их виды бывают, уже мы ознакомились. Теперь же рассмотрим примеры использования электромагнитов.

§ 59. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке 97 изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.Рис. 97. Притяжение железных опилок катушкой с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой — к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса — северный и южный (рис. 98).

Рис. 98. Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 99). Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (см. рис. 99).

Рис. 99. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

На рисунке 97 изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис. 100) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется

Рис. 100. Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки

(рис. 101).

Рис. 101. Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагнит — одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке 102 изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис. 102. Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис. 103).

Рис. 103. Применение электромагнитов

На рисунке 104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис. 104. Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Вопросы

  1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
  2. Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
  3. Что называют электромагнитом?
  4. Для каких целей используют на заводах электромагниты?
  5. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Упражнение 41

  1. Нужно построить электромагнит, подъёмную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
  2. Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
  3. Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
  4. Используемые в подъёмном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​\( q \)​ – заряд частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( \alpha \)​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\( B_\perp \)​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​\( m \)​ – масса частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( q \)​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом ​\( \alpha \)​ (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​\( \vec{v}_2 \)​, параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​\( T \)​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом ​\( h=v_2T \)​.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

  • сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
  • изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
  • определить вид траектории частицы;
  • разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
  • составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
  • выразить силы через величины, от которых они зависят;
  • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
  • решение проверить.