Магнитное поле движущегося заряда

Представление о магнитном поле

Магнитное поле движущегося заряда

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода.

Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо. Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток. Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке. Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке. Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке. Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле. Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса. Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля. Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд: Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик). Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов. А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток. Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика. Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке: При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.  

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке.

Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда. Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру.

Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо. А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе.

Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх.

Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения. Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу. Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда.

Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе». Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита. И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.  

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться). Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома.

А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так: Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются.

Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга. Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ. Эта статья — отрывок из книги об азах химии.

Сама книга здесь:

sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Источник: https://habr.com/post/444790/

Магнитное поле движущихся зарядов

Магнитное поле движущегося заряда

Каждый проводник с током может создавать в окружающем пространстве магнитное поле. В то же время электрический ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Таким образом, любой заряд, движущийся в среде или в вакууме, создает вокруг себя магнитное поле.

Результатом обобщения данных экспериментов стал специальный закон, определяющий поле точечного заряда. Это поле свободно движется с нерелятивистской скоростью. Свободное движение заряда предполагает его движение с постоянной скоростью. Данный закон выражается формулой:

Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Модуль магнитной индукции определяется по формуле:

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Впервые обнаружить поле движущегося заряда удалось американскому ученому Г. Роуланду. Окончательное подтверждение этого было получено ученым А. Эйхенвальдом при изучении магнитного поля конвекционного тока и связанных зарядов поляризованного диэлектрика.

Измерение магнитного поля свободно движущихся зарядов было произведено ученым А. Иоффе, доказавшим эквивалентность возбуждения магнитного поля, тока проводимости и электронного пучка.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Воздействие магнитного поля на движущийся заряд

Согласно экспериментальным исследованиям, магнитное поле воздействует не только на проводники с током, но также и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила воздействия на электрический заряд, который движется в магнитном поле с некоторой скоростью, называется силой Лоренца, определяемой по формуле:

Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Магнитное поле не оказывает воздействия на электрический заряд, пребывающий в состоянии покоя. В этом заключается существенное отличие между магнитным и электрическим полями. Магнитное поле может воздействовать только на движущиеся в нем заряды.

Замечание 2

Сила Лоренца будет всегда перпендикулярной скорости движения заряженных частиц, поэтому может изменять только направление этой скорости, при этом не изменяя ее модуля. Таким образом, сила Лоренца не совершают работу.

Постоянное магнитное поле не совершает работу над заряженной частицей, движущейся в нем. Кинетическая энергия такой частицы не изменяется при движении в магнитном поле.

Если помимо магнитного поля с определенной индукцией на движущийся электрический заряд воздействует также электрическое поле с некоторой напряженностью, то приложенная к заряду результирующая сила будет определяться векторной суммой сил:

  • силы, действующей со стороны электрического поля;
  • силы Лоренца.

Рисунок 4. Формула. Лоренца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данное выражение называется формулой Лоренца. Скорость в данной формуле представляет отношение скорости заряда и магнитного поля.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Направления силы Лоренца и вызываемого ею отклонения заряженных частиц в магнитном поле зависят от знака заряда частиц. На этом основывается определение знака заряда движущихся в магнитных полях частиц.

Для вывода общих закономерностей можно считать магнитное поле однородным. Тогда сила Лоренца примет нулевое значение. Таким образом, магнитное поле на частицу не воздействует и ее движение будет прямолинейным и равномерным.

При движении заряженной частицы в магнитном поле с определенной скоростью, перпендикулярной рассматриваемому вектору, сила Лоренца будет постоянной по модулю и нормальна к траектории частицы. На основании второго закона Ньютона, такая сила создает центростремительное ускорение, из чего следует движение частицы по окружности, радиус которой определяет условие:

Рисунок 5. Условие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Период вращения частицы в магнитном однородном поле определяется исключительно величиной, обратной ее удельному заряду, и магнитной индукцией поля, но при этом не зависит от ее скорости. На этом основывается принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Направление, в котором спираль закручивается, зависит от знака заряда частицы.

Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц представляют устройства, в которых под воздействием электрических и магнитных полей формируются и пучки высокоэнергетических заряженных частиц, таких как протоны, электроны и мезоны.

Любой ускоритель характеризуется видом ускоряемых частиц, а также сообщаемой им энергией и интенсивностью пучка. Ускорители бывают:

  • непрерывными (из них выходит пучок, равномерный по времени);
  • импульсными (частицы из них вылетают порциями — импульсами и характеризуются длительностью импульса).

Согласно форме траектории и механизму ускорения частицы ускорители бывают циклическими, линейными и индукционными.

Траектории движения частиц в линейных ускорителях приближены к прямым линиям, а в индукционных и циклических — к окружностям или спиралям. Существуют разные типы ускорителей заряженных частиц. Среди них выделяют:

  1. Линейный. Ускорение частиц, которое осуществляется за счет электростатического поля, создаваемого высоковольтным генератором. Заряженная частица проходит поле один раз: заряд при прохождении разности потенциалов, приобретает определенную энергию. Их последующее ускорение за счет источников постоянного напряжения становится невозможным из-за пробоев, утечки зарядов и др.
  2. Линейные резонансные ускорители, при которых ускорение заряженных частиц производится посредством переменного электрического поля сверхвысокой частоты, синхронно изменяющегося при движении частиц. Протоны таким способом будут ускоряться до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, а электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.
  3. Циклотрон, представляющий циклический резонансный ускоритель для тяжелых частиц (ионов, протонов). Проводится следующий эксперимент: вакуумная камера помещается между полюсами сильного электромагнита. В этой вакуумной камере находятся два электрода (как полые металлические полуцилиндры или дуанты). К дуантам приложено электрическое переменное поле. Магнитное поле, которое создается электромагнитом, будет однородным и перпендикулярным плоскости дуантов.

Источник: https://spravochnick.ru/koncepciya_sovremennogo_estestvoznaniya/magnitnoe_pole_dvizhuschihsya_zaryadov/

Магнитное поле движущегося заряда

Магнитное поле движущегося заряда

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Магнитное поле движущегося заряда может возникать вокруг проводника с током. Так как в нем движутся электроны, обладающие элементарным электрическим зарядом. Также его можно наблюдать и при движении других носителей зарядов.

Например, ионов в газах или жидкостях. Это упорядоченное движение носителей зарядов, как известно, вызывает в окружающем пространстве возникновение магнитного поля.

Таким образом, можно предположить, что магнитное поле независимо от природы тока его вызывающего возникает и вокруг одного заряда находящегося в движении.

Общее же поле в окружающей среде формируется из суммы полей создаваемых отдельными зарядами. Этот вывод можно сделать исходя из принципа суперпозиции. На основании различных опытов был получен закон, который определяет магнитную индукцию для точечного заряда. Это заряд свободно перемещается в среде с постоянной скоростью.

Формула 1 — закон электромагнитной индукции для движущегося точечного заряда

Где r радиус-вектор, идущий от заряда к точке наблюдения

Q заряд

V вектор скорости движения заряда

Формула 2 — модуль вектора индукции

Где альфа это угол между вектором скорости и радиус вектором

Эти формулы определяют магнитную индукцию для положительного заряда. Если ее необходимо рассчитать для отрицательного заряда то нужно подставить заряд со знаком минус. Скорость движения заряда определяется относительно точки наблюдения.

Чтобы обнаружить магнитное поле при перемещении заряда можно провести опыт. При этом заряд не обязательно должен двигаться под действием электрических сил.

Первая часть опыта состоит в том, что по проводнику круговой формы проходит электрический ток. Следовательно, вокруг него образуется магнитное поле.

Действие, которого можно наблюдать при отклонении магнитной стрелки находящейся рядом с витком.

Рисунок 1 — круговой виток с током воздействует на магнитную стрелку

На рисунке изображён виток с током, слева показана плоскость витка справа плоскость перпендикулярная ей.

Во второй части опыта мы возьмем сплошной металлический диск, закрепленный на оси от которой он изолирован. При этом диску сообщен электрический заряд, и он способен быстро вращаться вокруг своей оси. Над диском закреплена магнитная стрелка.

Если раскрутить диск с зарядом, то можно обнаружить что стрелка вращается. Причем это движение стрелки будет таким же, как при движении тока по кольцу.

Если при этом изменить заряд диска или направление вращения, то и стрелка будет отклоняться в другую сторону.

Рисунок 2 — вращающийся проводящий заряженный диск

Из этих опытов можно сделать вывод, что независимо от природы возникновения электрического тока. А также от носителей зарядов, которые его обеспечивают. Магнитное поле возникает вокруг всех движущихся зарядов.

5. Электрический ток — это упорядоченно движущиеся наряженные частицы. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника. Найдем силу, действующую на одну частицу.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной , к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током (рис. 1.23).

Пусть длина отрезка и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля можно считать одинаковым в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока l в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения следующей формулой:

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока, равен:

Подставляя в эту формулу выражение (1.4) для силы тока, получаем:

где N = nS — число заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Следовательно, на каждый движущийся заряд со стороны магнитного полядействует сила Лоренца, равная:

где — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. Сила Лоренца перпендикулярна векторам и .

Ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку распололсить так, чтобы составляющая магнитной индукции , перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца (рис. 1.24).

Электрическое поле действует на заряд q с силой . Следовательно, если есть и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила , действующая на заряд, равна:

= эл + л.

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работы. Согласно теореме о кинетической энергии (см. учебник физики для 10 класса) это означает, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

Движение заряженной частици в однородном магнитном поле. Рассмотрим движение частицы с зарядом q в однородном магнитном поле , направленном перпендикулярно к начальной скорости частицы (рис. 1.25).

Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля.
Так как магнитное поле не меняет модуль скорости движущейся частицы, то остается неизменным и модуль силы Лоренца.

Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы.

Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности радиусом r. Определим этот радиус.

Использование действия магнитного поля на движущийся заряд. Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками.

Сила Лоренца используется и ускорителе заряженных частиц (циклотрон) для получения частиц с большими энергиями. Циклотрон состоит из двух полых полуцилиндров (дуантов) 3, находящихся в однородном магнитном поле (рис. 1.26). Между дуантами создается переменное электрическое поле. Согласно формуле (1.

6) при увеличении скорости частицы / радиус окружности (траектории 2), по которой движется частица, увеличивается. Период обращения частицы не зависит от скорости (см. формулу (1.7)), и, следовательно, через полпериода, вследствие изменения направления электрического поля, частица снова оказывается в ускоряющем ее поле и т. д.

На последнем витке частица вылетает из циклотрона.

На действии магнитного поля основано также и устройство приборов, позволяющих разделять заряженные частицы по их уденьиым зарядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-электрографов.

На рисунке 1.27 изображена принципиальная схема простейшего масс-электрографа. Вакуумная камера прибора помещена в магинитое поле (вектор индукции перпендикулярен рисунку).

Ускорение электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с высокой точностью измерить радиус траектории r.

По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислить его массу.

На движущуюся заряженную часчицу со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Эта сила перпендикулярна скорости и не совершает работы.

ЭФФЕКТ ХОЛЛА

Эффект состоит в возникновении на боковых гранях проводника с током, помещенного в поперечное магнитное поле, разности потенциалов, пропорциональной величине тока I и индукции магнитного поля В.

Рассмотрим эффект, обусловленный действием лоренцевой силы на свободные заряды в проводнике. Представим себе проводник с током I в виде плоской ленты, расположенной в магнитном поле с индукцией , направленной от нас (рис. 2.19).

В случае изображенном на рис. 2.19, а, верхняя часть проводника будет заряжаться отрицательно, в случае 2.19, б – положительно.

аб

Рис. 2.19

Это позволяет экспериментально определить знак носителя заряда в проводнике.

При равной концентрации носителей заряда обоих знаков возникает холловская разность потенциалов, если различна подвижность, т.е. дрейфовая скорость носителей заряда.

Подсчитаем величину холловской разности потенциалов ().

Обозначим: Ex – напряженность электрического поля, обусловленного ЭДС Холла, h – толщина ленты проводника.

, (2.10.1)

Перераспределение зарядов прекратится, когда сила qEx уравновесит лоренцеву силу, т.е.

или

Плотность тока ,отсюда.Тогда .

Подставим Ex в (2.10.1) и найдем Ux:

, (2.10.2)

где – коэффициент Холла.

Исследования ЭДС Холла привели к удивительным выводам. Металлы могут обладать проводимостью р-типа (Zn, Cd – у них дырки более подвижные, чем электроны). Это металлы с чуть перекрывающимися знаками, т.е. полуметаллы.

Из формулы (2.10.2) можно найти число носителей заряда:

, (2.10.3)

Итак, измерение холловской разности потенциалов позволяет определить:

· знак заряда и тип носителей;

· количество носителей.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Дата добавления: 2015-11-23; просмотров: 3374 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/4-20089.html

Booksm
Добавить комментарий