Действие магнитного поля на движущийся заряд

Тема. Обнаружение магнитного поля. Правило левой руки.

Электромагниты

Магнитное поле можно усилить, если провод, по которому идет ток, свернуть в форме винтовой спирали. Полученную в результате этого катушку с током называют соленоидом (от греч. слова «солен» - трубка). Силовые линии магнитного поля соленоида изображены на рисунке 58, а. Направление этих линий определяют с помощью второго правила правой руки:
если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида.

Сравнив магнитное поле соленоида с полем постоянного полосового магнита (рис. 58, б), можно заметить, что они очень похожи. Как и у магнита, у соленоида есть два полюса - северный (N) и южный (S). Северным полюсом соленоида называют тот, из которого магнитные линии выходят; южным полюсом - тот, в который они входят. Северный полюс у соленоида всегда располагается с той стороны, на которую указывает большой палец ладони при ее расположении в соответствии со вторым правилом правой руки.
На рисунке 59, а изображен соленоид в виде катушки из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Подобную катушку можно использовать в качестве магнита.

Для изучения магнитного действия катушки с током соберем цепь, изображенную на рисунке 59, б.
Используя реостат, изменим силу тока в цепи. Мы увидим, что при увеличении силы тока действие магнитного поля соленоида усиливается, при уменьшении ослабляется.
Заменим катушку другой, с большим числом витков проволоки. Мы обнаружим, что к ней начнет притягиваться больше железных предметов. Это означает, что при увеличении числа витков магнитное действие соленоида усиливается.

Магнитное действие катушки с током можно усилить и не меняя силу тока и число витков в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железный сердечник значительно усиливает магнитное действие соленоида.
Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.
Электромагниты могут содержать не одну, а несколько катушек (обмоток) и иметь при этом разные по форме сердечники. На рисунке 59, в изображен дугообразный электромагнит, удерживающий железную пластину (якорь) с подвешенным грузом. Впервые подобный электромагнит был сконструирован в 1825 г. английским изобретателем У. Стердженом. Его электромагнит имел массу 0,2 кг и удерживал груз весом 36 Н. В том же году Дж. Джоуль увеличил подъемную силу электромагнита до 200 Н, а через шесть лет американский ученый Дж. Генри построил электромагнит массой 300 кг, способный удерживать груз массой 1 т!
Современные электромагниты могут поднимать грузы массой несколько десятков тонн.
Электромагниты находят широкое применение в технике. Мощные электромагниты, обладающие очень большой подъемной силой, используют на заводах при перемещении тяжелых изделий из чугуна и стали (рис. 60, а). При включении тока эти изделия притягиваются к электромагниту подъемного крана, при выключении свободно отсоединяются.

С помощью электромагнита удается очищать зерна некоторых растений (лен, клевер, люцерна и др.) от сорняков и случайно попавших в них железных предметов. Для этого используют магнитный сепаратор зерна (рис. 60, б). Когда зерна 1 с подмешанными заранее очень мелкими железными опилками высыпают из бункера на вращающийся барабан 2, то находящийся в нем электромагнит притягивает железные опилки 4 вместе с прилипшими к ним сорняками, отсеивая их таким образом от гладких зерен 3, к которым опилки не прилипают.
Еще одно применение электромагнита - его использование в электрическом звонке. Схема такого звонка изображена на рисунке 60, в. На этой схеме обозначены: ЭМ - дугообразный электромагнит; Я - железная пластинка, называемая якорем; М - молоточек; З - звонковая чаша; П - контактная пружина, касающаяся винта В. При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, якорь притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом В нарушается, ток в электромагните прекращается и пружина П возвращает якорь в прежнее положение. Затем все повторяется снова. Быстро повторяющиеся удары молоточка по чаше З заставляют ее непрерывно звенеть.
В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, лифтах и некоторых насосах сила тока достигает тысяч ампер. Для включения таких цепей применяют электромагнитное реле. Его устройство показано на рисунке 61. На этом рисунке обозначены: 1 - электромагнит; 2 - якорь; 3 - контакты рабочей цепи, включаемой с помощью реле; 4 - пружина; 5 - электродвигатель; 6 - контакты, к которым подключен источник тока, питающий электродвигатель. Электромагнитное реле приводится в действие малой силой тока, и поэтому оператор оказывается защищенным от контакта с цепью большого тока.

???
1. Что такое соленоид?
2. Сформулируйте второе правило правой руки.
3. Перечислите способы усиления магнитного действия катушки с током.
4. Что называют электромагнитом?
5. Для каких целей используют электромагниты на заводах?

Экспериментальное задание.
Изготовьте самодельный электромагнит. Для этого возьмите большой гвоздь, обмотайте его проволокой, а ее концы присоедините к источнику тока (например, батарее от карманного фонаря). Испытайте действие электромагнита, поднося его к различным железным предметам. Попробуйте определить подъемную силу электромагнита по наибольшему числу гвоздиков, удерживаемых им.

Действие магнитного поля на движущийся заряд

Источником магнитного поля являются движущиеся заряды. Покоящиеся заряды магнитное поле не создают. Действует магнитное поле тоже только на движущиеся заряды, на покоящиеся заряды оно никакого действия не оказывает.
Силу, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называют силой Лоренца.
В конце XIX в. нидерландский физик X. А. Лоренц установил, что эта сила всегда перпендикулярна направлению движения частицы и силовым линиям магнитного поля, в котором эта частица движется.

Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки:
если расположить левую ладонь руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения заряда, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд (рис. 63); если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.

Действуя под прямым углом к скорости частицы, сила Лоренца не может ни ускорить, ни замедлить ее движение; она лишь искривляет траекторию частицы, заставляя ее двигаться по кривой линии.
Действие магнитного поля на движущиеся заряды используют для управления потоком электронов внутри кинескопов телевизоров. Кинескоп (рис. 64) представляет собой вакуумный баллон 1, в котором находится источник электронов 2. Магнитное поле катушек с током 3 позволяет управлять электронным пучком (лучом) 4. Экран кинескопа 5 покрыт специальным веществом, которое под действием ударов электронов начинает светиться. Действуя на летящие внутри кинескопа электроны, можно с помощью магнитного поля изменять их траекторию, а с помощью электрического поля скорость полета. Направляя электроны в разные точки экрана, можно заставить его светиться в соответствии с передаваемым изображением.

Если поднести магнит к экрану работающего телевизора, то можно увидеть, как изображение исказится. Это искажение будет вызвано изменением траектории полета электронов под действием магнитного поля поднесенного магнита.
Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы может быть использовано для получения электрического тока.
Обратимся к опыту. Присоединим концы длинного (1-1,5 м) провода к зажимам гальванометра и, взяв провод двумя руками, начнем перемещать его в вертикальной плоскости между полюсами дугообразного магнита (рис. 65, а). Мы увидим, как стрелка прибора отклонится, показывая, что в цепи появился ток.

Для объяснения причины возникновения тока обратимся к рисунку 65, б, где изображен участок провода и несколько электронов, находящихся внутри его. Крестиками на рисунке обозначены магнитные силовые линии, направленные перпендикулярно плоскости рисунка в сторону от наблюдателя. Если провод будет двигаться вверх, то вместе с ним будут двигаться и электроны. При этом на каждый из них начнет действовать сила Лоренца, направление которой можно определить по правилу левой руки. Под действием этой силы электроны начнут смещаться вправо (вдоль провода), что и будет означать появление в нем тока.

???
1. На какие заряды способно действовать магнитное поле?
2. Какую силу называют силой Лоренца?
3. Как устроен кинескоп телевизора?
4. Сформулируйте правило левой руки.
5. Опишите опыт, в котором с помощью магнитного поля можно получить электрический ток.