Реферат по физике. Сила Ампера и сила Лоренца, их направления. Движение заряженных частиц в магнитном поле

• Название: Сила Ампера и сила Лоренца, их направления. Движение заряженных частиц в магнитном поле
• Дата: 02.04.2019
• Размер: 60.19 Kb.
• Имя файла: Реферат по физике.docx
• Тип: Реферат; #72432

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА ИМЕНИ К.А. ТИМИРЯЗЕВА

Кафедра физики

Реферат по физике на тему:

«Сила Ампера и сила Лоренца, их направления. Движение заряженных частиц в магнитном поле.»

Выполнила: Студентка 110 группы

Факультета зоотехнии и биологии

Романова К. Э.

Проверил: Профессор Хусаинов Ш.Г.

Москва 2016

Содержание

Введение 3

Андри – Мари Ампер 5

Биография 5

История создания силы Ампера 6

Сила Ампера 9

Лоренц Хeндрик 13

Биография 13

Сила Лоренца 15

Движение заряженной частицы в магнитном поле 18

Заключение 19

Список Литературы. 20

Введение

В XIX веке была обнаружена некая связь между магнетизмом и электричеством и в связи с этим возникло представление о магнитном поле. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга через магнитные поля, окружающие их. 
Источниками этих полей являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, которое окружает проводники с током так, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. 

Магнитное поле представляет собой некую форму материи, посредством которой осуществляется связь между телами, которые обладают магнитным моментом или движущимися заряженными частицами. Термин «магнитное поле» вводит М. Фарадей в 1845г. 

Важным доказательством реального существования электрического и магнитного полей является факт существования электромагнитных волн. Электрическое поле, как и магнитное, является частным проявлением единого электромагнитного поля. 

Главной отличительной чертой электрического поля является способность воздействовать на неподвижные заряды.  
Основное свойство магнитного поля заключается в том, что оно действует на движущиеся заряды (электрический ток). 

Неподвижные заряды не создают магнитного поля. Только постоянные магниты и движущиеся заряды могут создавать его.  
При изучении взаимодействия постоянных магнитов было установлено, что 
они имеют два полюса: северный и южный; одноименные полюсы отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. 
Если отдельные тела можно зарядить отрицательно или положительно, в связи с существованием элементарного электрического заряда, то никогда нельзя отделить северный полюс магнита от южного.

Таким образом, нет оснований считать, что в природе существуют какие-то отдельные магнитные заряды. 
Данная мысль была высказана Ампером в гипотезе об элементарных электрических токах. Согласно этой гипотезе, внутри молекул и атомов вещества циркулируют элементарные электрические токи. И если данные токи расположены беспорядочно по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никакими магнитными свойствами тело не будет обладать. В намагниченном состоянии элементарные токи ориентированы определенным образом. Следовательно, магнитные свойства любого тела объясняются замкнутыми электрическими токами внутри него, таким образом магнитное взаимодействие – это взаимодействие токов.

Закон Ампера применяется для определения силы взаимодействия двух токов, а Силой Лоренца называют ту силу, которая действует со стороны электромагнитного поля на движущийся электрический заряд. Об этом более подробно рассмотрим в данном реферате.

Актуальность: Закон Ампера и Лоренца - одни из важнейших и полезнейших законов в электротехнике, без которых немыслим научно-технический прогресс.
Цель: Исследование Силы Ампера и силы Лоренца, Движение заряженных частиц в магнитном поле. 
Задачи: 
1. Изучить общие сведения о Силе Ампера и силе Лоренца. 
2. Раскрыть основные условия движения заряженных частиц в магнитном поле 
3. Описать возможности силы Ампера и силы Лоренца.

Андри – Мари Ампер

Биография

Имя Андре-Мари Ампера (1775–1836) весьма известно во всем мире, и в наши дни его каждый день произносят миллионы людей. Можно посмотреть на совершенно любой домашний электроприбор, и там мы сможем увидеть его электротехнические характеристики, например: «-220V 50Hz 3,2А». Это означает, что устройство рассчитано на питание от обычной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила которую потребляет прибор тока равняется 3,2 ампера.

Андре-Мари Ампер родом из Лиона, Его отец был знатный торговец шелками, и мать, Жанна Сарсе, так же являлась дочерью одного лионского торговца. Все детство Андре-Мари провел в маленьком поместье Полемье, приобретенном отцом в районе родного города. Отец Ампера, Жан-Жак Ампер, относился к либеральным кругам буржуазии, которые свято верили в прогресс разума, являлся достаточно образованным человеком того времени. Он смог составить величайшую библиотеку из сочинений известных писателей, философов и ученых, он включил в нее труды римских и греческих классиков. Еще в раннем детстве Андре-Мари Ампер потрясал всех своими выдающимися способностями и действительно энциклопедическими знаниями.

Несмотря постоянную на занятость, Жан-Жак Ампер старался всегда находить время, чтобы самому заниматься воспитанием мальчика и начал помогать ему осваивать основы высшей математики, и так Андре-Мари был увлечен исчислением бесконечно малых величин. У ребенка очень рано открылись математические способности. Вскоре молодой Ампер серьезно начал учить физику.

Многосторонняя творческая жизнь Ампера-младшего была потревожена ужасной трагедией. В июле 1789 года началась Великая французская революция, происходила прямая борьба между умеренными сторонниками реформ и экстремистки настроенными якобинцами. Долгий период 18-летний парень был в состоянии душевного волнения: он стал замкнутым и забросил занятия, мог целыми днями не выходить из дома. Смогли вылечить его только время и природа.

С 1796 года Андре-Мари Ампер начал преподавать в Лионе частные уроки по физике, математике и химии, что позволило ему получить педагогический опыт и немного укрепить материальное положение семьи.

История создания силы Ампера

Ученый секретарь Французской Академии Франсуа Араго познакомился с опытами Эрстеда в Женеве и 4 сентября 1820 года сделал в Париже на заседании устный доклад о них.

Опыты Эрстеда сильно поразили Араго. Так как он сам уже на протяжении многих лет собирал материалы о связи атмосферных электрических явлений с поведением магнитных веществ на земле и готовился провести эксперименты в лаборатории по проверке своих суждений.

Участвовал в деле экспертной комиссии по выяснению причин кораблекрушений, Араго обращал внимание, что у кораблей после крупного шторма на море все железные приборы, которые были на борту намагничивались, а стрелки компасов всегда были направлены разные стороны. Вызвать происходящее могла только молния.

Волнение Араго передалось членам Академии. Они просили Араго на заседании, которое произошло 22 сентября 1820 года, продемонстрировать им опыты Эрстеда.

Сосредоточенно слушал Араго выдающийся математик Анри Мари Ампер. У него появилась одна интересная мысль: если проводник тока всегда окружен магнитными силами, то «электрический конфликт» (пользуясь образным выражением Эрстеда) должен появляться не только между проводом и магнитной стрелкой, но так же и между двумя проводами, по которым течет ток!
На протяжении всего заседания глубокий теоретик постепенно превращается в увлеченного экспериментатора. За несколько дней Ампер изобретает своеобразный электрический прибор и на следующих заседаниях Академии — 11 и 18 сентября — демонстрирует всем взаимодействие двух проводников с током.

Если в двух проводниках электрические токи проходят параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются, замечает Ампер; такие же проводники отталкиваются, когда токи в них текут во взаимно противоположных направлениях.

После Ампер выводит простую формулу, которая позволяет высчитать силу взаимодействия двух проводников тогда, когда они установлены под углом друг к другу. Это формула будет впоследствии носить название - закон Ампера.

На этом Ампер не заканчивает свои опыты. Андри-Мари свернул проводники в виде двух спиралей, которые получили название соленоидов, он доказал, что соленоиды, которые были установлены рядом, при пропускании тока ведут себя как два магнита.

Ампер изучает влияние магнитного поля Земли на движение соленоида, проводника и металлической рамки с током. Ему приходит мысль о том, что магнит теперь представляет собой общность токов. В магните, как считал Ампер, находится множество элементарных круговых токов, которые текут перпендикулярно к его оси. Кажется, будто французский ученый уже знал о непрерывном движении заряженных частиц внутри каждого вещества, о планетарном строении атома, об открытии электрона, доказанном Резерфордом через век.

Свои итог своих докладов на заседании Академии Ампер подвел словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».

Спустя много лет открытия Ампера легли в основу метода определения единицы электрического тока. На IX Международной конференции по мерам и весам в 1948 году было нужно считать основной электрической единицей один ампер— силу тока, при которой два параллельных проводника длиной в один метр взаимодействуют друг с другом с силой в две десятимиллионные части ньютона.

От силы тока в один ампер происходит единица количества электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая вскоре получила название вольт, единица сопротивления, называемая омом.

Очевидцы повествовали, что идеи Ампера были настолько новы, большинство членов Французской Академии вовсе не смогли понять их революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? - спросил на заседании один из них, обращаясь к Амперу. Весьма явно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга?»

За Ампера его оппоненту тут же ответил Араго. Он достал из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга…»

Оба ключа, и в правду, могут открыть один и тот же замок, но это не будет замок двери в страну знаний.

Сила Ампера

Размер силы, которая действует на элемент Δl проводника с током I в магнитном поле с индукцией B⃗ B→, называется законом Ампера:

1. 
   
   

Где α – угол между линиями тока и вектора индукции.

Направление силы Ампера можем найти при помощи правила левой руки (рис. 1):

Рис. 1

Если левую руку расположим так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре прямых пальца совпадали по направлению с направлением тока, то отогнутый на прямой угол большой палец станет указывать направление силы, которая действует на элемент проводника.

Использование данного правила может быть затруднительно лишь в одном случае, когда угол α невелик. Так как, величина B∙sin α представляет собой модуль перпендикулярной проводнику с током компоненты вектора индукции B⃗ ⊥ B→⊥ (рис. 2), то ориентацию ладони нужно определять исключительно этой компонентой – она должна входить в открытую ладонь левой руки.

Рис. 2

Из (1) вытекает, что сила Ампера может иметь значение ноль, если проводник с током размещен вдоль линий магнитной индукции, и может быть максимальна, если проводник будет перпендикулярен этим линиям.

Закон Ампера действителен для любого магнитного поля. Допустим, что это поле создается длинным линейным проводником с током I2, который параллелен первому проводнику c током I1 и находящимся на неком расстоянии r от него. В таком случае индукцию магнитного поля в точках расположения первого проводника можно определить (с учетом замены I → I2) по формуле:



Подставляя это выражение в (1) и примечая, что в рассматриваемом случае параллельных проводников α = 90°, найдем силу, которая действует на линейный элемент Δl первого проводника,

(2)

Нам известно, что абсолютно такое же выражение мы можем записать для силы, которая будем действовать на другой проводник. И применив правило левой руки и правило буравчика, которые необходимы для определения магнитной индукции проводника с током и для определения силы, действующей на проводник с током соответственно, мы убедимся в том, что если токи в проводниках текут в одинаковых направлениях, то эти проводники притягиваются (рис. 3 а, б), а если в разных – отталкиваются (рис. 4, а, б), что и подтверждается опытом.

Выражение (2) было взято за сущность принципа определения единицы силы тока. Если в (2) считать I1 = I2 = 1 А, r = 1 м, Δl = 1 м, то получим F = 2∙10-7 Н/м. По-другому,

Если по двум параллельным, бесконечно длинным линейным проводникам, которые расположены на расстоянии 1 м друг от друга, текут одинаковые токи в 1 А, то эти токи взаимодействуют с силой 2∙10-7 Н на каждый метр длины проводников.

Важно отметить, что единица силы тока – ампер – в СИ относится, наряду с секундой, метром, килограммом, кельвином, молем и канделой, к числу главных единиц измерения физических величин.

Лоренц Хeндрик

Биография

Знаменитый нидерландский физик-теоретик Хeндрик Антон Лоренц был рожден 18 июля 1853 года в Арнeме (Нидерланды) в семье Гeррита Фредерика Лоренца и Гертруды Лоренц.

Отец будущего великого ученого содержал детский сад. Мать умерла, когда мальчик был еще совсем мал. В детстве Хeндрик Антон был худощавым и неуверенным в себе ребенком. Когда ему исполнилось шесть лет, его отдали учиться в одну из лучших начальных школ Арнeма, а спустя немного лет он становится лучшим учеником в классе.

В 1966 году в Арнeме открылась Высшая гражданская школа, и Хeндрика Лоренца как одаренного ребенка сразу взяли туда учиться.

В школе он ловил все с лету, хотя был и худощав. Особенно будущего ученого увлекало изучение точных наук - математики и физики. Он имел удивительную память и увлекался изучением английского, французского, греческого, немецкого и латинского языков.

В 1870 году будущий ученый поступил в престижный Лейденский университет. Его воображение было удивлено работами Джеймса Клерка Максвелла, которые только недавно поступили в библиотеку университета.

Знаменитый максвeлловский «Трактат об электричестве» в то время был тяжел для понятия даже для самых известных физиков. Когда Хeндрик Антон попросил парижского переводчика трактата разъяснить физический смысл некоторых уравнений Максвелла, в ответ он услышал, что эти уравнения следует рассматривать только с точки зрения математики, так как они не имеют физического смысла.

В это время он продолжал изучать работы Максвелла. Кроме изучения полевых уравнений, будущий ученый, за двадцать лет до открытия электрона, предположил, что крохотные носители электрического заряда являются главными факторами влияния на свойства сред.

Вскоре Лоренц занимается диссертацией. В ней Хeндрик Антон изучал вытекающие из электромагнитной теории Максвелла свойства световых волн и хотел обосновать изменение скорости распространения света в среде влиянием наэлектризованных частиц тела. Хотя в то время некоторые ученые и высказывали идеи о существовании таких частиц, но структура атома была еще не известна, и предположения такого типа мало кто воспринимал серьезно.

В начале 1880-х годов ученого заинтересовала кинетическая теория газов, описывающая движение молекул и соотношения между их температурой и средней кинетической энергией.

В 1892 году он сформулировал знаменитую теорию электронов. Лоренц считал, что электричество возникает при движении очень маленьких отрицательно и положительно заряженных частиц, которые имеют определенную массу и подчиняются классическим законам. Только более поздние открытия доказали, что все электроны отрицательно заряжены и подчиняются законам квантовой физики.

Сила Лоренца

Электрический ток – это совокупность заряженных частиц, которые движутся упорядочено. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током и есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника. Путем опыта было установлено, что на заряд, который движется в магнитном поле, и правда действует сила. Сила, которая действует на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, получила название сила Лоренца.

Модуль силы Лоренца равняется отношению модуля силы Ампера FA, который действует на некоторый участок проводника длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:

Fл = FA /N.

Можно рассмотреть отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько невелики, что вектор индукции магнитного поля В следует считать неизменным, но в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока I в проводнике прямо связана с скоростью их упорядоченного движения v:

I = qnvS и зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема)

Модуль силы, который действует со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока:

FA = |q| ∆lB sin(a).

Если подставим сюда предыдущее выражение для силы тока (I = qnvS), то получим:

FA = |q| nvS ∆l B sin(a) = v |q| N B sin(a)

Где N = nS∆l – есть число заряженных частиц в рассматриваемом нами объеме.

На движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца:

Fл = = |q| vB sin(a),

Где a – угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции B.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v, и ее направление определяем правилом левой руки (того же что и направление силы Ампера):

Если руку расположим так, чтобы четыре прямых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на прямой угол большой палец покажет нам направление силы. Если частица будет отрицательной, то направление силы будет противоположное.

Если есть электрическое и магнитное поля, то вся сила, которая будет действовать на заряд равна:

Сила Лоренца не совершает работу, так как она перпендикулярна скорости частицы.

Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется только направление частицы.

Кроме всего вышесказанного, ученый сделал вывод, о том что колебания крохотных заряженных частиц (электронов), которые менее инертны, чем другие заряженные частицы вещества, порождают электромагнитные волны, световые и радиоволны в том числе, которые были открыты еще в 1888 году великим физиком Генрихом Герцем.

Теория Лоренца объясняла различные магнитные, электрические и оптические свойства вещества и также некие электромагнитные явления, в том числе эффект Зеемана.

В 1892 году ученый опубликовал фундаментальный труд «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам». В этой работе он вывел выражение силы, с которой электрическое поле действует на движущийся заряд (сила Лоренца) и выделил основные постулаты электронной теории.

В это время голландский физик много трудился, Лоренц значительно упростил электромагнитную теорию Максвелла.

В 1892 году он опубликовал знаменитую статью о расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Световой луч от раскаленного газа при прохождении через щель разделяется спектроскопом на составляющие частоты. В результате чего образуется линейчатый спектр – определенная последовательность цветовых линий на черном фоне, позиция каждой из которых соответствует определенной частоте. Каждый газ имеет свой спектр.

Хендрик Антон Лоренц предполагал, что частоты в испускаемом газом световом луче определяются частотами колеблющихся электронов. Помимо этого, ученый выдвинул идею, что магнитное поле влияет на движение электронов, в результате чего спектр расщепляется на несколько линий и изменяются частоты колебаний.

В 1896 году студент Лоренца провел опыт, который подтвердил эффект, прогнозируемый Лоренцом. Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле получило название - эффект Зеемана.

Движение заряженной частицы в магнитном поле

Выражение для силы, которая действует на заряженную частицу, движущуюся в электромагнитном поле (при наличии электрического и магнитного полей)

Впервые было получено Х. А. Лоренцем. Это был результат обобщения всех законов эксперимента – закона Кулона и закона Ампера. Обычно принято это выражение называть обобщённой силой Лоренца. А силу, которая действует на движущуюся заряженную частицу только со стороны магнитного поля, принято называть силой Лоренца. Отмечено, что если положительно заряженная частица с зарядом q в какой-то точке пространства имеет скорость υ, а индукция внешнего магнитного поля в этой точке равна B, то абсолютная величина силы Лоренца

Произведение B sin α – это величина проекции вектора B на направление, которое перпендикулярно скорости частицы и лежит в плоскости векторов B и υ. Становится ясно, что сила Лоренца возникает при пересечении заряженной частицей силовых линий индукции магнитного поля. Её величина пропорциональна заряду частицы, её скорости и нормальной составляющей (B sinα) вектора B на направление её скорости.

Направление действия силы Лоренца можно, как уже говорилось выше, определить с помощью правила левой руки. Если исходить из данного правила определения направления действия силы Лоренца, то можно отметить очень важное свойство силы Лоренца: она всегда одновременно перпендикулярна вектору скорости частицы υ и вектору индукции B. А так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работы и поэтому не меняет кинетическую энергию частицы, а, следовательно, её скорость не меняется по абсолютной величине. Под действием силы Лоренца меняет только направление скорости частицы.

Заключение

Законы Ампера и Лоренца актуальны и в настоящее время. 
Так, закон Ампера используют для расчёта сил, которые действуют на проводники с током во многих технических устройствах, в частности в электродвигателях, всевозможных видов промышленности и транспорта, в электромагнитах малой и крупной мощности. Благодаря работе силы Ампера едет электричка, трамвай, поднимается лифт, перемещаются части различных технических устройств, которые создали инженеры. 
На явлениях силы Лоренца основана работа электродвигателей и генераторов. Возникая в электромагнитном поле статора, она приводит во вращение ротор. 
Воздействие силы Лоренца на электроны используют в работе электронно-лучевых трубок (кинескопов), где магнитное поле, созданное специальными катушками, изменяет траекторию электронов. С помощью этой силы можно задавать орбиту движения частиц, что позволяет применять её в ускорителях заряженных частиц. 

Применение силы Лоренца так же мы можем наблюдать каждый день дома – это телевизор. По - другому телевизионную трубку можно назвать - электронно-лучевой. Другое применение действие магнитного поля нашло в приборах, которые позволяют разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т.е. по отношению заряда частицы к её массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-спектрографов.

Список Литературы.

Трофимова Т.И. – Курс физики, учеб. пособие для вузов. 6-е издание; стер. –М. – 2000 - 542 с

Нечиве Ю.В. - Удивительные открытия. Энас – Книга – М – 2016 – 208 с

Буров Л.И. - Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. Парадокс – Минск. - 2000 – 560 с.

Путилов К.А. - Курс физики. Физматгиз – М – 1964 - 343 с

Мякишев, Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл. : учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дрофа – 476 с. 2005.

Электронный учебник физики [Электронный ресурс]: Т. Применения силы Лоренца //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ Т._Применения_силы_Лоренца