Как найти силу лоренца для протона

Сила Лоренца

Сила Лоренца действующая на электрон

В частном случае носителем заряда является электрон. Тогда в формулу (5) в качестве Q следует подставить

[ е = – 1.602 cdot 10^{-19} enspace Кл. ]

При определении направления движения электронов с помощью правила левой руки следует учитывать, что направление движения электронов противоположно техническому направлению тока.

Величина и направление силы Лоренца определяются соотношением

[ vector{F_{L}}= e vector{v} × vector{B} ]

где $vector{v}$, $vector{B}$ и $vector{F}$ образуют правую систему.

Для электронов, движущихся перпендикулярно магнитному полю, формула упрощается:

[ F_{L} = e v B ]

Так как сила действует перпендикулярно скорости и направлению поля, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление скорости, не меняя ее величины.
Поэтому электрон движется в магнитном поле по окружности.

Вычислить, найти силу Лоренца действующую на электрон или протон

Радиус траектории электрона в магнитном поле

Для определения радиуса круговой траектории электрона приравняем силу Лоренца и центростремительную силу.

Если

то, приравнивая обе силы, получаем

[ evB = frac{m_{e} v^{2}}{r} ]

и, следовательно,

[ r = frac{m_{e} v}{eB} ]

Сила Лоренца действующая на протон

Электрический заряд протона равен по модулю заряду электрона, но имеет положительный знак.

[ p = + 1.602 cdot 10^{-19} enspace Кл. ]

При определении направления движения протонов с помощью правила левой руки направление движения протонов совпадает с техническим направлением тока и с картинкой.

Таким образом электрон и протон влетая в магнитное поле в одном направлении будут отклоняться в разные стороны.

Величина силы действующая на электрон и на протон будет одинакова (определяется формулой №3), но поскольку протон гораздо тяжелее электрона, радиус закручивания для протона будет больше.

Радиус траектории протона в магнитном поле

Если

Радиус траектории для протона будет вычисляться по аналогичной формуле

[ r = frac{m_{p} v}{p B} ]

Из этой формулы видно что при одинаковых скоростях электрона и протона радиус траектории протона будет значительно больше, чем у электрона пропорционально отношению масс этих частиц

Сила Лоренца	стр. 667

Определение

Сила Лоренца — сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Модуль силы Лоренца обозначается как F_Л. Единица измерения — Ньютон (Н).

Модуль силы Лоренца численно равен отношению модуля силы F, действующий на участок проводника длиной l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:

FЛ=FN

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля →B можно считать неизменным в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (число зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v следующей формулой:

I=qnvS

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранные элемент тока, равен:

F=|I|ΔlBsinα

Подставляя сюда выражение, полученное для силы тока, получим:

F=|qnvS|ΔlBsinα=|q|nvSΔlBsinα

Учтем, что число заряженных частиц в рассматриваемом объеме равно произведению величины этого объема на концентрацию самих частиц:

N=nSΔlB

Тогда:

F=|q|vNBsinα

Следовательно, на каждый движущийся заряд действует сила Лоренца, равная:

FЛ=FN=|q|vNBsinαN=|q|vBsinα

α — угол между вектором скорости движущегося заряда и вектором магнитной индукции.

Пример №1. Определить силу, действующую на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл со скоростью 200 м/с под углом 45^o к вектору магнитной индукции.

FЛ=|q|vBsinα=0,005·200·0,3·√22≈0,2 (Н)

Направление силы Лоренца

Сила Лоренца перпендикулярна вектору магнитной индукции и вектору скорости движущегося заряда. Ее направление определяется с помощью правила левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции →B, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Пример №2. Протон p имеет скорость →v, направленную горизонтально вдоль прямого длинного проводника с током I (см. рисунок). Куда направлена действующая на протон сила Лоренца?

В точке, в которой находится протон, вектор магнитной индукции направлен в сторону от наблюдателя. Это следует из правила буравчика. Теперь применим правило левой руки. Для этого четыре пальца левой руки направим в сторону движения протона — вправо. Ладонь развернем в сторону наблюдателя, чтобы линии магнитной индукции входили в нее перпендикулярно. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает вверх. Следовательно, сила Лоренца, действующая на протон, направлена вверх.

Работа силы Лоренца

Поскольку вектор силы Лоренца направлен перпендикулярно скорости движения заряда, угол между перемещением этого заряда и этой силы равен 90^о. Работа любой силы определяется формулой:

A=Fscosα

Но так как косинус 90^о равен 0, сила Лоренца не совершает работу. Это значит, что сила Лоренца не влияет на модуль скорости перемещения заряда. Но она может менять вектора его скорости.

Полная сила, действующая на заряд

При решении задач, в которых заряженная частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, нужно учитывать, что не нее действует сразу две силы. Со стороны магнитного поля — сила Лоренца. Со стороны электрического поля — сила →Fэл, действующая на неподвижный заряд, помещенный в данную точку поля. Она равна произведению этого заряда на напряженность электрического поля:

→Fэл=q→E

Следовательно, полная сила, действующая на заряд, равна:

→F=→Fэл+→Fл=q→E+|q|→v→Bsinα

Пример №3. В пространстве, где существует одновременно однородное и постоянное электрическое и магнитное поля, по прямолинейной траектории движется протон. Известно, что напряженность электрического поля равна →E. Какова индукция →B магнитного поля?

Прямолинейное движение протона возможно в двух случаях:

• Вектор →E направлен вдоль траектории движения протона. Тогда вектор →B также должен быть направлен вдоль этой траектории, и его модуль может быть любым, так как магнитное поле на частицу действовать не будет.
• Векторы →E, →B и →v взаимно перпендикулярны, и сила, действующая на протон со стороны электрического поля, равна по модулю и противоположна по направлению силе Лоренца, действующей на протон со стороны магнитного поля (см. рисунок).

Заряд протона равен модулю заряда электрона — e. Сложим силы, действующие на протон по оси ОУ:

e→E+→FЛ=0

В скалярной форме:

eE−evB=0

Следовательно:

B=Ev

Алиса Никитина | Просмотров: 6.8k

Сила лоренца протон по окружности

Протон в однородном магнитном поле между полюсами магнита под действием силы Лоренца движется по окружности радиусом R. В этом же поле движется -частица. Как изменятся по сравнению с протоном модуль силы Лоренца и период обращения -частицы, если она будет двигаться по окружности такого же радиуса, что и протон?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Модуль силы Лоренца

Период обращения -частицы

На заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, которая сообщает ей центростремительное ускорение:

Поскольку массы и заряды протона и -частицы связаны соотношениями

заключаем, что при таком же радиусе окружности, скорость -частицы должна быть в 2 раза меньше скорости протона. Следовательно,модуль силы Лоренца не изменится.

Период обращения при этом увеличится в два раза.

Сила лоренца протон по окружности

Задание 17. Протон движется по окружности в однородном магнитном поле между полюсами магнита под действием силы Лоренца. Как изменятся по сравнению с протоном модуль силы Лоренца и период обращения α-частицы, если она будет двигаться в этом же поле по окружности с той же скоростью?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

На α-частицу со стороны магнитного поля действует сила Лоренца , где q – заряд частицы; v – скорость частицы; B – напряженность магнитного поля. Так как α-частица движется по окружности, то магнитное поле направлено перпендикулярно его движению, то есть и сила Лоренца в данном случае запишется в виде

.

В соответствии со вторым законом Ньютона, силу Лоренца также можно записать как , где – центростремительное ускорение. Получаем значение для радиуса окружности R:

.

Теперь вычислим изменение радиуса окружности для альфа-частицы, движущейся с той же скоростью. Альфа-частица имеет в своем составе два протона и два нейтрона, то есть ее масса в 4 раза больше массы протона, а заряд в 2 раза больше заряда протона. В итоге получаем:

,

то есть радиус окружности увеличится в 2 раза. Так как период обращения T – это время одного полного оборота, а радиус увеличился в 2 раза при сохранении той же скорости, то период возрастет.

Модуль силы Лоренца возрастает, так как заряд α-частицы выше заряда протона.

Сила Лоренца

Сила Лоренца действующая на электрон

В частном случае носителем заряда является электрон. Тогда в формулу (5) в качестве Q следует подставить

При определении направления движения электронов с помощью правила левой руки следует учитывать, что направление движения электронов противоположно техническому направлению тока.

Величина и направление силы Лоренца определяются соотношением

где $vector$, $vector$ и $vector$ образуют правую систему.

Для электронов, движущихся перпендикулярно магнитному полю, формула упрощается:

Так как сила действует перпендикулярно скорости и направлению поля, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление скорости, не меняя ее величины. Поэтому электрон движется в магнитном поле по окружности.

Вычислить, найти силу Лоренца действующую на электрон или протон

Радиус траектории электрона в магнитном поле

Для определения радиуса круговой траектории электрона приравняем силу Лоренца и центростремительную силу.

r	радиус круговой траектории электрона,	метр
me	9,11 · 10 -31 кг — масса электрона,	кг
e	1,602 · 10 -19 Кл — элементарный электрический заряд,	Кулон
v	скорость электрона,	м/с
B	магнитная индукция,	Тесла

то, приравнивая обе силы, получаем

При больших значениях скорости (выше примерно 2 · 10 7 м/с) в расчетах нельзя использовать массу покоя электронов m_e, а необходимо учитывать релятивистское увеличение массы.

Сила Лоренца действующая на протон

Электрический заряд протона равен по модулю заряду электрона, но имеет положительный знак.

При определении направления движения протонов с помощью правила левой руки направление движения протонов совпадает с техническим направлением тока и с картинкой.

Таким образом электрон и протон влетая в магнитное поле в одном направлении будут отклоняться в разные стороны.

Величина силы действующая на электрон и на протон будет одинакова (определяется формулой №3), но поскольку протон гораздо тяжелее электрона, радиус закручивания для протона будет больше.

Радиус траектории протона в магнитном поле

r	радиус круговой траектории протона,	метр
mp	1,67 · 10 -27 кг — масса протона,	кг
p	1,602 · 10 -19 Кл — элементарный электрический заряд,	Кулон
v	скорость протона,	м/с
B	магнитная индукция,	Тесла

Радиус траектории для протона будет вычисляться по аналогичной формуле

Из этой формулы видно что при одинаковых скоростях электрона и протона радиус траектории протона будет значительно больше, чем у электрона пропорционально отношению масс этих частиц

Аналогично при больших значениях скорости (выше примерно 2 · 10 7 м/с) в расчетах нельзя использовать массу покоя протонов m_p, а необходимо учитывать релятивистское увеличение массы.

[spoiler title=”источники:”]

http://self-edu.ru/ege2019_phis_30.php?id=7_17

http://www.fxyz.ru/%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D1%8B_%D0%BF%D0%BE_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B5/%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE/%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5/%D1%81%D0%B8%D0%BB%D1%8B_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B5_%D0%B2_%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%BC_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5/%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B0/

[/spoiler]

У нас давно не было, что называется, “практического” параграфа, в котором бы рассматривалась какая-нибудь задача на применение ранее изученного материала. Сейчас мы это исправим.

Пусть есть протон, движущийся в однородном магнитном поле со скоростью, равной 1/10 скорости света. Величина магнитной индукции равна 2 теслам.

Сперва нужно найти как величину, так и направление силы Лоренца, которая будет действовать на эту заряженную частицу.

Как мы помним, для магнитного поля прежде всего важны заряд частицы и ее скорость. Что занимательно, потому что пока не очень понятно, чем таким особенным отличаются движущиеся частицы от неподвижных. Первых магнитное поле распознает, а вот вторых – нет. Ну ладно, не об этом сейчас речь. В данный момент для нас имеет значение тот факт, что величину силы Лоренца мы вычислить способны:

F_л=qvBsinalpha

Учитывая, что заряд нашей элементарной частицы равен по величине заряду электрона, скорость света равна c=3⋅10^8,м/с (не забывайте, что скорость протона в 10 раз меньше), а угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции составляет 90 градусов, найдем значения силы, действующей на протон со стороны магнитного поля:

F_л=1.6⋅10^{-19},Кл×3⋅10^7,м/с×2,Тл×sin90degree

F_л=9.6⋅10^{-12},Н

Теперь нужно определить ее направление. Для этого воспользуемся правилом левой руки.

Вектор магнитной индукции направлен на нас, а вектор скорости протона направлен вправо. Отогнутый на 90 градусов большой палец левой руки в плоскости рисунка указывает на юг.

Как видите, сила Лоренца направлена перпендикулярно к вектору скорости, поэтому она не будет менять его величину. Но она будет менять его направление. В данном случае сила Лоренца будет центростремительной силой, заставляющей протон двигаться по окружности.

Предположим, что нам нужно определить радиус этой окружности. Это нетрудно сделать, если применить пару фактов из области механики.

Вспомним второй закон Ньютона:

F=ma

В данном случае мы можем не учитывать направления векторных величин, а работать только с их модулями.

Единственная сила, которая будет действовать на протон, – это сила Лоренца. Она будет сообщать ему центростремительное ускорение, которое может быть найдено через квадрат скорости частицы и радиус окружности, по которой она вращается:

F_л=m×dfrac{v^2}{R}

R=dfrac{mv^2}{F_л}

Нам осталось посмотреть значение массы протона в справочных таблицах (mapprox{1.7⋅10^{-27},кг}) и подставить числа в полученное выражение, чтобы найти ответ:

R=dfrac{1.7⋅10^{-27},кг×(3⋅10^7,м/с)^2}{9.6⋅10^{-12},Н}

Rapprox1.6⋅10^{-1},м=16,см