3.1. Магнитное поле. Сила Лоренца
Опыт показывает, что вокруг движущегося заряда, наряду с электрическим полем, существует еще одна форма материи – магнитное поле. Магнитное поле и проявляет себя по действию, опять таки, на движущиеся заряды. Если действие электрического поля на заряженную частицу не зависит от ее скорости, то действие магнитного поля пропорционально скорости частицы. Но скорость – величина относительная! Значит в различных инерциальных системах отсчета величины магнитной и электрической сил, действующих на заряженную частицу, будут разными. Например, в системе отсчета, где частица покоится, действие магнитного поля вообще сведется к нулю, на частицу будет действовать одно только электрическое поле. Суммарное же действие полей (равнодействующая сила) на частицу одинаково в различных инерциальных системах отсчета. Это соответствует принципу относительности Эйнштейна: все явления природы в различных инерциальных системах отсчета происходят одинаково. В частности, независимо от инерциальной системы отсчета, тело должно испытывать одно и то же воздействие со стороны окружающих полей и тел. Эту силу называют электромагнитной силой, поскольку она состоит из двух составляющих – электрической и магнитной. Итак, электрические и магнитные силы – две части одного и того же явления – электромагнитного взаимодействия зарядов.
Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . В системе СИ величина вектора магнитной индукции измеряется вТесла (Тл). Вектор направлен туда, куда указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Магнитное поле, так же как и электрическое, изображается при помощи силовых линий. Силовые линии магнитного поля – это линии, в каждой точке которых касательная совпадает с направлением вектора. Силовые линии магнитного поля замкнуты и охватывают токи или линии движения зарядов, в отличие от линий электрического поля, имеющих начало на положительных зарядах и окончание на отрицательных. Магнитное поле не потенциально. Оно не имеет характеристики, подобной потенциалу электрического поля. Магнитное поле называют соленоидальным.
Изучение магнитных явлений мы начнем с сил, действующих со стороны магнитного поля на движущиеся заряды и токи. Далее будут обсуждаться источники магнитного поля и методы расчета вектора магнитной индукции.
Итак, сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца. Эта сила определяется следующим выражением:
, (3.1)
где заряд частицы, векторное произведение векторов скорости частицы и магнитной индукции. По правилу раскрытия векторного произведения сила Лоренца перпендикулярна плоскости векторов и, а ее величина или модуль:
(3.1,а)
Говоря о различных по своей природе силах, важно знать особенности, связанные с расчетом работы, совершаемой этими силами. Учитывая эти особенности, удается классифицировать силы. Кроме того, работа теснейшим образом связана с энергией и всегда совершается за счет какого-то ее запаса, поэтому умение рассчитывать работу позволяет судить об энергетических превращениях.
Вспомним, например, что работа гравитационных и кулоновских сил не зависит от формы траектории тел или пути перехода системы тел из одного состояния в другое. Этот факт дает возможность рассматривать важнейшую физическую величину, называемую потенциальной энергией. Сами же силы называют потенциальными.
К классу диссипативных сил относят силы, полная работа которых всегда отрицательна. Это силы трения, сопротивления. Результатом действия этих сил является переход механической энергии во внутреннюю, другими словами, выделение тепла. Причем, количество выделившегося тепла по величине равно работе диссипативных сил.
Поскольку сила Лоренца перпендикулярна скорости заряженной частицы, ее работа всегда равна нулю, независимо от того, как эта частица движется в магнитном поле. Действительно, элементарная работа, совершаемая на небольшом участке траектории , определяется выражением, где угол между векторами перемещения и силы. Векторнаправлен так же, как и скорость частицы. Поскольку скорость перпендикулярна силе, то, а значит, элементарная работа равна нулю. Будет равна нулю и полная работа, совершаемая силой Лоренца на всей траектории движения частицы, так как полная работа есть сумма элементарных работ.
Обсуждаемое свойство силы Лоренца является уникальным. Подобных сил в природе больше не существует. Силы, работа которых всегда равна нулю, называют гироскопическими. В неинерциальных системах отсчета существуют и другие гироскопические силы, например, центробежная сила и сила Кориолиса. Эти силы фиктивны в том смысле, что невозможно указать тело, со стороны которого они действуют. К этим силам не применим третий закон Ньютона.
- Оглавление
- Введение
- 1. Электростатика
- 1.1. Закон Кулона
- 1.2. Электрическое поле и его характеристики
- 1.3. Связь напряженности электрического поля и потенциала
- 1.4. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции
- 1.5. Графическое изображение электрических полей. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности
- 1.6. Теорема Гаусса для электрического поля в вакууме
- 1.7. Проводники в электрическом поле
- 1.8. Электрическое поле в диэлектриках
- 1.9. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектриках
- 1.10. Конденсаторы
- 1.11. Энергия электрического поля
- 1.12. Потенциальность электрического поля. Теорема о циркуляции
- 2. Постоянный электрический ток
- 2.1. Закон Ома для однородного участка цепи
- 2.2. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца
- 2.3. Последовательное и параллельное соединение проводников
- 2.4. Источники тока. Закон Ома для полной цепи
- 2.5. Химические источники тока. Элемент Вольта
- 2.6. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- 2.7. Правила Кирхгофа
- Для лучшего уяснения всех нюансов, возникающих при применении правил Кирхгофа, рассмотрим пример достаточно разветвленной цепи.
- 2.8. Закон Ома в дифференциальной форме. Электронная теория проводимости
- 3. Магнетизм
- 3.1. Магнитное поле. Сила Лоренца
- 3.2. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях
- 3.3. Сила Ампера
- 3.4. Рамка с током в магнитном поле
- 3.5. Эффект Холла
- 3.6. Вычисление магнитной индукции. Закон Био-Савара-Лапласа
- 3.7. Циркуляция и поток вектора магнитной индукции
- 3.8. Работа по перемещению контура с током в магнитном поле. Работа электродвигателя
- 3.9. Индуктивность
- 3.10. Закон электромагнитной индукции
- 3.11. Правило Ленца
- 3.12. Явления при замыкании и размыкании тока. Энергия магнитного поля
- 3.13. Генераторы и электродвигатели
- 3.14. Трансформаторы
- 3.15. Природа электромагнитной индукции
- 3.16. Магнитное поле в веществе
- 3.17. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля
- 3.18. Молекулярная теория магнетизма
- 3.19. Ток смещения. Уравнения Максвелла
- 3.20. Природа магнетизма
- 4. Электромагнитные колебания и волны
- 4.1. Колебательный контур
- 4.2. Колебательный контур с затуханием
- 4.3. Вынужденные колебания в lcr-контуре
- 4.4. Переменный ток в электрических цепях
- 4.4.1. Активное, индуктивное и емкостное сопротивления
- 4.4.2. Закон Ома для переменного тока. Активное и реактивное сопротивления
- 4.4.3. Метод векторных диаграмм
- 4.4.4. Эффективные напряжение и ток
- 4.4.5. Мощность в цепи переменного тока
- 4.5. Электромагнитные волны
- 4.5.1. Шкала электромагнитных волн
- 4.5.2. Получение электромагнитных волн
- 4.5.3. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга
- Список литературы