Lorentzova síla jednoduchá a jasná: definice, vzorec, pravidlo levé ruky

Ve škole často ukazují pokus s magnetem a železnými pilinami na listu papíru. Pokud jej umístíte pod papír a mírně s ním zatřesete, piliny se seřadí podél čar, které se běžně nazývají čáry magnetické intenzity. Jednoduše řečeno, je to silové pole magnetu, které jej obklopuje jako kokon. Je uzavřená sama do sebe, to znamená, že nemá začátek ani konec. Jedná se o vektorovou veličinu, která směřuje od jižního pólu magnetu k severu.

Pokud by do ní vletěla nabitá částice, pole by ji ovlivnilo velmi kuriózním způsobem. Nezpomalila ani nezrychlila, ale jen by uhnula na stranu. Čím je rychlejší a čím je pole silnější, tím více na ni tato síla působí. Nazval se Lorentzova síla na počest fyzika, který jako první objevil tuto vlastnost magnetického pole.

Vypočítá se pomocí speciálního vzorce:

Čtěte také: Jak vypočítat výkon, proud a napětí: principy a příklady výpočtů pro domácí podmínky

zde q je velikost náboje v Coulombech, v je rychlost, kterou se náboj pohybuje, v m/s, a B je indukce magnetického pole v jednotce měření T (Tesla).

Magnetický tok a EMF

Pokud je magnetická indukce vektorovou charakteristikou magnetického pole, pak magnetický tok – skalární veličina, která je také jednou z nejdůležitějších charakteristik pole. Představme si, že máme nějaký druh rámu nebo obrysu, který má určitou plochu. Magnetický tok ukazuje, kolik siločar prochází jednotkovou plochou, to znamená, že charakterizuje intenzitu pole. Měřeno v Weberach (Wb) a je určeno Ф.

S – oblast obrysu, alfa – úhel mezi normálou (kolmicí) k rovině obrysu a vektoru В.

Při změně magnetického toku obvodem se v obvodu indukuje proud EMF, rovnající se rychlosti změny magnetického toku obvodem. Mimochodem, více o tom, co je to elektromotorická síla, si můžete přečíst v jiném našem článku.

Výše uvedený vzorec je v podstatě vzorcem pro Faradayův zákon elektromagnetické indukce. Připomeňme, že rychlost změny jakékoli veličiny není nic jiného než její derivace s ohledem na čas.

Opak platí také pro magnetický tok a indukované EMF. Změna proudu v obvodu vede ke změně magnetického pole a v důsledku toho ke změně magnetického toku. V tomto případě vzniká EMF samoindukce, která zabraňuje změně proudu v obvodu. Magnetický tok, který prochází obvodem s proudem, se nazývá samomagnetický tok, je úměrný síle proudu v obvodu a vypočítá se pomocí vzorce:

L – koeficient úměrnosti nazývaný indukčnost, který se měří v Henry (Henry). Indukčnost je ovlivněna tvarem obvodu a vlastnostmi média. Pro naviják s délkou l a s počtem otáček N indukčnost se vypočítá podle vzorce:

Vzorec pro samoindukci EMF:

Lorentzův směr síly

Vědci si všimli, že mezi tím, jak částice vletí do magnetického pole, a tím, kde ji vychýlí, existuje určitý vzorec. Aby si to lépe zapamatovali, vyvinuli speciální mnemotechnické pravidlo. Jeho zapamatování vyžaduje velmi málo úsilí, protože využívá to, co je vždy po ruce – vaši ruku. Přesněji levá dlaň, podle níž se nazývá pravidlo levé ruky.

Dlaň by tedy měla být otevřená, čtyři prsty směřující dopředu, palec vyčnívající do strany. Úhel mezi nimi je 900. Nyní si musíte představit, že magnetický tok je šíp, který se zarývá do dlaně zevnitř a vychází ze zadní strany. Prsty se přitom dívají stejným směrem, jakým letí imaginární částice. V tomto případě palec ukáže, kde se bude odchylovat.

Zajímavé!

Je důležité si uvědomit, že pravidlo levé ruky platí pouze pro částice se znaménkem plus. Chcete-li zjistit, kde se bude záporný náboj odchylovat, musíte ukázat čtyři prsty ve směru, odkud částice letí. Všechny ostatní manipulace zůstávají stejné.

Atomová a jaderná fyzika

Přečtěte si také: Relé maximálního a minimálního proudu: princip činnosti

Energie je kvanta elektromagnetické vlny (včetně světa) a další slova, energetický foton vypočítá se podle vzorce:

Einsteinův vzorec pro externí fotoefekt (ZSE):

Maximální kinetickou energii emitovaných elektronů při fotoelektrickém jevu lze vyjádřit velikostí brzdného napětí Uз a elementárního náboje e:

Suschestvuet grinchnaya frekvence ili linna lonny sveta (takzvaný červený okrajový fotoefekt) takaya, chto světlo s nižší frekvencí nebo sshey dlinna lenny ne jaget fotoefekt. Eti znacheniya s velichinoy roboty khodo sluduyushchim sootnosheniem:

Druhý postulát Bora ili pravidla frekvence (ZSE):

V atomu vodíku je splněn následující vztah, dráha vazebného poloměru elektronového jádra, rychlost a energie první dráhy s podobnými charakteristikami jako zbytek dráhy:

Na jakékoli dráze v atomu vodíku jsou kinetická (K) a potenciální (P) energie elektronu vztaženy k celkové energii (E) podle následujících vzorců:

Celkový počet nukleonů a jader se rovná součtu protonů a neutronů:

Energy svyazi ydra vyrajennaya v edinitsakh SI:

Energie jaderného jádra se vyjadřuje v MeV (kde se hmotnost měří v atomových jednotkách):

Přečtěte si také: Společný provoz solárního střídače Eltek Theia 4,4 HE připojeného k síti a hybridního střídače MAP 4,5 kW

Zákon radioaktivního rozpadu:

Jaderné reakce

Pro libovolnou jadernou reakci je popsán vzorec:

Vypolnyayutsya sleduyushchie usloviya:

Energeticheskiy vykhod takoy adernoy reaktsii pri etom raven:

Důsledky vlastností Lorentzovy síly

Těleso letí do magnetického pole pod určitým úhlem. Je intuitivně jasné, že jeho hodnota má určitý význam pro povahu vlivu pole na něj, je zde potřeba matematického vyjádření, aby to bylo jasnější. Měli byste vědět, že jak síla, tak rychlost jsou vektorové veličiny, to znamená, že mají směr. Totéž platí pro čáry magnetické intenzity. Potom lze vzorec napsat takto:

sin α je zde úhel mezi dvěma vektorovými veličinami: rychlostí a tokem magnetického pole.

Jak víte, sinus nulového úhlu je také nulový. Ukazuje se, že pokud trajektorie částice prochází podél magnetických siločar, pak se nikam neodchyluje.

V rovnoměrném magnetickém poli mají siločáry stejnou a konstantní vzdálenost od sebe. Nyní si představte, že v takovém poli se částice pohybuje kolmo k těmto čarám. V tomto případě jej Lawrenceova síla donutí pohybovat se po kruhu v rovině kolmé na siločáry. Chcete-li zjistit poloměr tohoto kruhu, musíte znát hmotnost částice:

Není náhodou, že hodnota náboje je brána jako modul. To znamená, že nezáleží na tom, zda částice vstoupí do magnetického pole negativní nebo pozitivní: poloměr zakřivení bude stejný. Změní se pouze směr, kterým letí.

Ve všech ostatních případech, kdy náboj svírá s magnetickým polem určitý úhel α, bude se pohybovat po trajektorii připomínající spirálu s konstantním poloměrem R a stoupáním h. Lze to zjistit pomocí vzorce:

Dalším důsledkem vlastností tohoto jevu je skutečnost, že nevykonává žádnou práci. To znamená, že částici energii nedává ani ji nebere, ale pouze mění směr jejího pohybu.

Nejvýraznějším příkladem tohoto efektu interakce magnetického pole a nabitých částic jsou polární záře. Magnetické pole obklopující naši planetu vychyluje nabité částice přicházející ze Slunce. Ale protože je nejslabší na magnetických pólech Země, elektricky nabité částice tam pronikají a způsobují záři v atmosféře.

Dostředivé zrychlení udělované částicím se využívá v elektrických strojích – elektromotorech. I když je zde vhodnější mluvit o ampérové ​​síle – konkrétním projevu Lawrenceovy síly, která působí na vodič.

Na této vlastnosti elektromagnetického pole je založen i princip činnosti urychlovačů částic. Supravodivé elektromagnety vychylují částice z lineárního pohybu, což způsobuje, že se pohybují v kruzích.

Nejkurióznější je, že Lorentzova síla se neřídí třetím Newtonovým zákonem, který říká, že každá akce má svou reakci. To je způsobeno skutečností, že Isaac Newton věřil, že veškerá interakce na jakoukoli vzdálenost probíhá okamžitě, ale není tomu tak. Ve skutečnosti se to děje prostřednictvím polí. Naštěstí se vyhlo ostudě, protože fyzikům se podařilo přepracovat třetí zákon na zákon zachování hybnosti, což platí i pro Lawrenceův efekt.

Pravidlo levé ruky

Pravidlo levé ruky umožňuje fyzikům určit směr a návrat vektoru magnetické (elektrodynamické) energie. Představte si, že naše levá ruka je umístěna tak, že siločáry magnetického pole směřují kolmo k vnitřnímu povrchu ruky (takže pronikají dovnitř ruky) a všechny prsty kromě palce směřují ve směru toku kladného proudu, vychýlený palec směřuje ve směru elektrodynamické síly působící na kladný náboj umístěný v tomto poli.

Takto to bude vypadat schematicky.

Existuje také druhý způsob, jak určit směr elektromagnetické síly. Spočívá v umístění palce, ukazováčku a prostředníčku do pravého úhlu. V tomto případě bude ukazováček ukazovat směr magnetických siločar, prostředníček směr pohybu proudu a palec směr elektrodynamické síly.

Přečtěte si také: Jak posílit signál WiFi routeru: pokyny pro figuríny

Koncepce síly elektrického pole

Elektromagnetické pole se ve skutečnosti skládá ze dvou polovin – elektrické a magnetické. Jsou jako dvojčata, se vším stejným, ale s odlišnými povahami. A když se podíváte pozorně, můžete si všimnout nepatrných rozdílů ve vzhledu.

Totéž platí pro silová pole. Elektrické pole má také intenzitu – vektorovou veličinu, což je silová charakteristika. Ovlivňuje částice, které jsou v něm nehybné. Sama o sobě to není Lorentzova síla, prostě je třeba ji vzít v úvahu při výpočtu účinku na částici v přítomnosti elektrických a magnetických polí.

Energie magnetického pole

Elektřina, jaderná energie, kinetická energie. Magnetická energie je jednou z forem energie. Ve fyzikálních úlohách je nejčastěji nutné vypočítat energii magnetického pole cívky. Magnetická energie cívky s proudem I a indukčnost L je rovný:

Hustota energie objemového pole:

To samozřejmě nejsou všechny základní vzorce sekce fyziky „elektřina a magnetismus“, ale často mohou pomoci při řešení standardních úloh a výpočtů. Pokud narazíte na problém s hvězdičkou a nemůžete k němu najít klíč, usnadněte si život a požádejte o řešení pomocnou službu pro studenty.

Příklady úloh

1 výzva

Na náboj 0,005 C, který se pohybuje v magnetickém poli s indukcí 0,3 T, působí Lorentzova síla. Vypočítejte ji, pokud je rychlost náboje 200 m/s a pohybuje se pod úhlem 450 k čarám magnetické indukce.

FЛ=qvBsinα=0,005×200×0,3×sin 450 =0,3×22=0,21 Н

2 výzva

Určete rychlost tělesa, které má náboj a které se pohybuje v magnetickém poli s indukcí 2 T pod úhlem 900. Velikost, kterou pole působí na těleso je 32 N, náboj tělesa je 5 × 10-3 C.

Zákony tření

Síla tření vzniká při pohybu a směřuje proti skluzu tělesa.

Statická třecí síla bude úměrná normální reakci. Statická třecí síla nezávisí na tvaru a velikosti třecích ploch. Statický koeficient tření závisí na materiálu těles, která přicházejí do styku a vytvářejí třecí sílu. Zákony tření však nelze nazvat stabilními a přesnými, protože ve výsledcích výzkumu jsou často pozorovány různé odchylky.

Tradiční zápis třecí síly zahrnuje použití koeficientu tření ($eta$), $N$ je normální tlaková síla.

Existuje také vnější tření, valivá třecí síla, kluzná třecí síla, viskózní třecí síla a další typy tření.