Вивчення нового матеріалу. Сила Ампера. Провідники зі струмом взаємодіють між собою через магнітне поле

Сила Ампера. Провідники зі струмом взаємодіють між собою через магнітне поле. Закон. Який встановлює силу взаємодії між елементами струму, називають законом Ампера. Таким чином зберігається пам’ять про видатні досягнення ученого. Силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера.

У 9 класі було встановлено, що величина сили Ампера залежить від сили магнітного поля, сили струму у провіднику, довжини провідника та кута між напрямком струму і напрямком ліній магнітного поля (вектора магнітної індукції В).

Рис.1

Сформулюємо тепер закон Ампера:

Модуль сили, яка діє на провідник зі струмом з боку магнітного поля пропорційний модулю вектора магнітної індукції поля, силі струму у провіднику. Довжині активної частини провідника та синусу кута між векторами В та І.

F = B│ I │Δl Sinα (30).

Напрямок сили Ампера визначається за правилом лівої руки:

Якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції магнітного поля входили у долоню, а чотири пальці вказували напрямок струму, то відставлений великий палець вкаже напрямок сили Ампера. (рис.2)

Дією сили Ампера пояснюється взаємодія паралельних провідників зі струмом, а також орієнтуюча дія магнітного поля на рамку зі струмом..Обертання рамки зі струмом у магнітному полі знайшло практичне застосування в електровимірювальних приладах (амперметри, вольтметри тощо), електричних двигунах.

Рис.2

Сила Лоренца. Електричний струм уявляє собою сукупність заряджених частинок, які здійснюють упорядкований рух. Тому дія магнітного поля на провідник зі струмом є результатом дії поля на рухомі заряди всередині провідника.

Силу, яка діє на рухому заряджену частинку збоку магнітного поля, називають силою Лоренца на честь голландського фізика Г. Лоренца – засновника теорії будови речовини.

Значення сили Лоренца можна знайти за допомогою закону Ампера. Модуль сили Лоренца дорівнює відношенню модуля сили F, що діє на ділянку провідника довжиною Δl, до кількості N заряджених частинок, які упорядковано рухаються на цій ділянці:

F_Л = F/N

Згідно електронної теорії сила струму у провіднику у провіднику визначається за формулою:

І = qnʋS

Де І – сила струму, q – заряд частинки, яка створює струм,

N = N / V – концентрація заряджених частинок у провіднику

ʋ - швидкість напрямленого руху частинок, S – площа перерізу провідника.

Підставимо у закон Ампера замість сили струму праву частину:

F = q_o nʋSΔlB Sinα

N = nSΔl,

таким чином сила Лоренца:

F = │q_o│ʋB Sinα,

де α – кут між векторами швидкості та магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца визначається також за правилом лівої руки:

Якщо розташувати ліву руку так, щоб перпендикулярна складова швидкості заряду входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90^о великий палець вкаже напрямок сили Лоренца. (рис.3).

Рис.3

Сила Лоренца перпендикулярна до векторів швидкості та магнітної індукції. Вона не змінює модуль швидкості частинки, а тільки її напрямок. Так, якщо вільна заряджена частинка влетить в магнітне поле так, що її швидкість буде перпендикулярною до ліній індукції, то траєкторією її подальшого руху буде коло. Сила Лоренца визначатиме доцентрове прискорення частинки.

Згідно другого закону Ньютона:

mʋ²/R = │q_o│ʋB,

звідси радіус кола:

R = mʋ/│q_o│B

Рух заряджених частинок в однорідних магнітних полях застосовують у багатьох пристроях, наприклад, у мас-спектрографах – апаратах для вимірювання мас заряджених частинок (іонів, ядер різних атомів тощо).

Важливе значення для розвитку ядерної фізики мають прискорювачі елементарних частинок. Таку назву отримали установки, в яких заряджені частинки розганяються до швидкостей, близьких до швидкості світла (а значить – до колосальних значень енергії). Такі прискорені пучки заряджених частинок потрібні для бомбардування атомних ядер з метою дослідження їхньої структури, розкриття природи ядерних сил, виявлення нових частинок, що народжуються під час взаємодії частинок високих енергій.