Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца.

Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца.

Неподвижный электрический заряд создает электростатическое поле, если же перейти в систему отсчета, в которой этот заряд движется равномерно, то в этой системе отсчета будет существовать и магнитное поле. Появление это поля качественно можно истолковать следующим образом: пусть в некоторой точке A в некоторый момент времени движущийся со скоростью v заряд q создает электрическое поле напряженности Eo

 При смещении заряда напряженность электрического поля будет изменяться по величине и по направлению. Изменяющееся в рассматриваемой точке электрическое поле и создает в этой точке магнитное поле.

 Свяжем между собой характеристики электрического и магнитного полей. Для этого воспользуемся законом Био-Савара. Элемент тока IΔl в произвольной точке Aсоздает магнитное поле, индукции которого равна

где R − расстояние от элемента тока до точки A, α − угол между направлением элемента тока и направлением на точку A

 Направлен вектор индукции перпендикулярно элементу тока и отрезку, соединяющему его с точкой A. Характеристику элемента тока IΔl можно представить в виде

где q − величина заряда, движущегося внутри выделенного элемента тока. Следовательно, можно утверждать, что заряд q, движущийся со скоростью v, создает магнитное поле величиной

 На основании различных опытов был получен закон, который определяет магнитную индукцию для точечного заряд, если  заряд свободно перемещается в среде с постоянной скоростью.

   — закон электромагнитной индукции для движущегося точечного заряда, где r радиус-вектор, идущий от заряда к точке наблюдения, Q заряд, V вектор скорости движения заряда

 — 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.

Общее же поле в окружающей среде формируется из суммы полей создаваемых отдельными зарядами. Этот вывод можно сделать исходя из принципа суперпозиции.

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

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.

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.

Сила Лоренца.

 Магнитное поле действует на каждый участок проводника с током I длиной dl с силой

dFA = IdlВ sinα.

Если вспомнить, что ток - это направленное движение заряженных частиц, это означает, что магнитное поле действует на движущийся заряд с определенной силой

Fл = q[vB]

Эти силы получили название сил Лоренца. Модуль силы Лоренца :

Fл = qvBsinα,

где α — угол между направлением скорости v движущегося заряда и индукцией В магнитного поля.

Направление силы Лоренца, как и силы Ампера, определяют по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда, а вектор магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление силы Лоренца.
Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно индукции магнитного поля и направлению скорости движения заряда. Следовательно, сила Лоренца не совершает работы. Под действием силы Лоренца модуль скорости заряда и его кинетическая энергия не изменяются, а изменяется только направление скорости заряда.