- •Раздел 4. Магнетизм
- •Глава 21. Постоянное магнитное поле
- •21.1. Характеристики магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.2. Магнитное поле движущегося заряда
- •21.3. Магнитное поле проводника с током Закон Био – Савара - Лапласа
- •21.4. Принцип суперпозиции магнитных полей
- •21.5. Примеры вычисления магнитных полей
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •21.6. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля (закон полного тока)
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •2 1.7. Магнитное поле соленоида и тороида
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.8. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.9. Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле. Закон Ампера
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.10. Сила Лоренца
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •21.11. Закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле
- •Р Дано: , . Ешение.
- •21.12. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
- •Глава 22. Магнитное поле в веществе
- •22.1. Намагничивание магнетика. Вектор намагниченности
- •22.2. Магнитное поле на границе двух магнетиков
- •22.3. Классификация магнетиков Магнитные моменты атомов и молекул
- •22.4. Электронная теория диамагнетизма и парамагнетизма
- •22.5. Природа ферромагнетизма
- •22.6. Явление электромагнитной индукции
- •22.7. Токи Фуко
- •22.8. Индуктивность контура. Самоиндукция
- •22.9. Токи при размыкании и замыкании цепей
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •22.10. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •22.11. Явление взаимной индукции. Трансформаторы
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •Глава 23. Основы теории Максвелла
- •23.2. Ток смещения
- •23.3. Уравнения Максвелла в интегральной форме
- •Глава 24. Электромагнитные колебания. Переменный ток
- •24.1. Электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре
- •Аналогии между физическими величинами, характеризующими механические колебательные системы и электрические колебательные контуры (цепи)
- •Решение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •24.2. Затухающие электромагнитные колебания. Добротность контура
- •Р Дано: . Ешение:
- •24.3. Вынужденные электромагнитные колебания Резонансы напряжений и токов
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •24.4. Переменный ток
- •Приложения Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Взаимодействие зарядов. Напряженность и потенциал электростатического поля»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Конденсаторы. Движение заряда в электростатическом поле»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток. Электрические цепи. Постоянный ток. Работа и мощность тока»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток в различных средах. Основы квантовой теории проводимости металлов»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Постоянное магнитное поле. Магнитное поле в веществе»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Взаимная индукция»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Электромагнитные колебания. Переменный ток»
21.11. Закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле
Выражение для силы Лоренца позволяет найти закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле.
Пусть заряженная частица движется со скоростью вдоль линий магнитной индукции ( параллелен , ). Поскольку сила Лоренца в этом случае не действует, то частица будет двигаться равномерно и прямолинейно.
Пусть заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью , направленной перпендикулярно линиям магнитной индукции (
,
).
В однородном магнитном поле сила Лоренца
будет постоянна по модулю
и нормальна к траектории частицы (рис.
21.11.1). В этом случае сила Лоренца будет
выполнять роль центростремительной
силы и частица будет равномерно двигаться
по окружности. Радиус
траектории
движения частицы массой т
можно найти по
второму
закону Ньютона:
,
,
откуда
.
(21.11.1)
Период обращения частицы не зависит от энергии (скорости) частицы:
.
(21.11.2)
Круговая частота вращения (циклотронная частота) частицы:
.
(21.11.3)
Таким образом, период и частота обращения зависят только от параметров самой частицы и индукции магнитного поля. Это обстоятельство используют для устройства циклических ускорителей заряженных частиц.
П
ример
21.11.1. Заряженная частица, обладающая
скоростью
,
влетела в однородное магнитное поле с
индукцией
.
Найти удельный заряд частицы (отношение
заряда к массе частицы), если частица
описала в поле дугу окружности радиусом
.
По величине удельного заряда определить,
какая это частица.
Дано:
,
,
.
Частица
движется по окружности, следовательно,
ее скорость направлена перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля
.
С
ила
Лоренца, действующая на частицу, постоянна
по модулю и выполняет роль центростремительной
силы:
,
откуда
.
Ответ:
(протон или антипротон).
Пример 21.11.2.
Заряженная частица, двигаясь в
магнитном поле по дуге окружности
радиусом
,
прошла через вольфрамовую пластину,
расположенную на пути частицы. Вследствие
потери энергии частицей радиус кривизны
траектории изменился и стал равным
.
Определить относительное уменьшение
энергии частицы
Р Дано: , . Ешение.
Ч астица движется по окружности, следовательно, ее скорость направлена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Сила Лоренца постоянна по модулю и выполняет роль центростремительной силы: .
Скорость частицы
равна
,
а кинетическая энергия
.
Следовательно, кинетическая энергия
частицы до прохождения вольфрамовой
пластины
,
после прохождения
.
Уменьшение энергии частицы
Относительное
уменьшение энергии
.
О
твет:
.
Пусть заряженная частица влетает под углом
к силовым линиям индукции
однородного
магнитного поля со скоростью
(рис. 21.11.2). Скорость частицы удобно
разложить на составляющие и представить
движение в виде суперпозиции двух
движений: равномерного прямолинейного
вдоль поля со скоростью
и равномерного по окружности (в плоскости,
перпендикулярной к полю) со скоростью
.
В результате одновременного участия
в этих движениях, частица будет двигаться
по сложной траектории, представляющей
собой винтовую линию.
Р
адиус
винтовой линии
находим из условия
,
откуда
.
(21.11.4)
Период обращения:
.
(21.11.5)
Шаг винтовой линии (путь, пройденный частицей вдоль поля за время, которое понадобится частице, чтобы совершить один полный оборот) равен
.
(21.11.6)
П
ример
21.11.3. Электрон движется в однородном
магнитном поле с индукцией
по винтовой линии. Определить скорость
электрона, если радиус винтовой линии
,
а шаг
.
Дано:
,
,
.
Т ак как частица движется по винтовой линии, то она влетела в магнитное поле под углом к линиям магнитной индукции.
Шаг винтовой
линии
,
откуда
.
Радиус
винтовой линии
,
откуда
.
Так как
,
то
и
.
О
твет:
.
П
усть
заряженная частица движется в неоднородном
магнитном поле, которое наблюдается,
например, у полюсов Земли. Силовые линии
поля сгущаются (рис.
21.11.3)
при приближении к полюсу. Состав-ляющая
скорости частицы, направленная вдоль
поля, непрерывно уменьшается вплоть
до нуля. В этой точке происходит поворот
частицы и движение продолжается как
бы вспять. Траекторией движения частицы
является спираль. В этом случае
наблюдается большие ускорения частицы
(радиус спирали уменьшается по мере
приближения к точке поворота, а ускорение
растет). Движущиеся с большим ускорением
заряженные частицы излучают в видимом
диапазоне. Это приводит к появлению
северных сияний, характерных для
полярных областей, где происходит
сгущение силовых линий магнитного поля
Земли. Частицы, испускаемые Солнцем,
попадают у полюсов Земли в так называемую
магнитныю ловушку, двигаются в ней по
спирали, в результате чего выделяется
энергия в виде электромагнитного
излучения видимого диапазона.
