Страница 74 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Какая сила вызывает перераспределение зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?

Какая сила вызывает перераспределение зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?

Перераспределение зарядов в проводнике, который движется в магнитном поле, вызывает сила Лоренца.

Рассмотрим механизм этого явления. Проводник содержит свободные носители заряда (в металлах это электроны). Когда весь проводник движется в магнитном поле со скоростью $\vec{v}$, эти свободные заряды также начинают двигаться вместе с ним с той же скоростью.

Согласно законам электродинамики, на любой электрический заряд $q$, движущийся со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, действует сила, называемая силой Лоренца. Она определяется по формуле: $$ \vec{F_Л} = q[\vec{v} \times \vec{B}] $$ где $[\vec{v} \times \vec{B}]$ — векторное произведение скорости и магнитной индукции.

Направление этой силы перпендикулярно как вектору скорости, так и вектору магнитной индукции (определяется по правилу левой руки для положительного заряда). Под действием силы Лоренца свободные электроны в проводнике начинают смещаться к одному его концу. В результате на этом конце создается избыток отрицательного заряда, а на противоположном — недостаток электронов, то есть избыток положительного заряда.

Это разделение зарядов создает внутри проводника электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перемещению зарядов. Процесс перераспределения прекращается, когда сила этого электрического поля уравновешивает магнитную силу Лоренца. Таким образом, именно сила Лоренца является первопричиной разделения зарядов и возникновения ЭДС индукции в движущемся проводнике.

Ответ: Сила Лоренца.

2. Какая сила препятствует перераспределению зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?

Решение

Когда проводник, содержащий свободные носители заряда (например, электроны), движется в магнитном поле, на эти заряды начинает действовать сила Лоренца. Магнитная составляющая силы Лоренца $F_Л$ заставляет заряды перемещаться внутри проводника. Эта сила определяется выражением:

$ \vec{F}_Л = q(\vec{v} \times \vec{B}) $

где $q$ — заряд частицы, $\vec{v}$ — скорость движения проводника (и, соответственно, заряда), а $\vec{B}$ — вектор магнитной индукции.

Под действием силы Лоренца свободные заряды начинают смещаться к одному из концов проводника. Например, электроны (имеющие отрицательный заряд) смещаются в одном направлении, оставляя на противоположном конце проводника некомпенсированный положительный заряд (ионы кристаллической решетки). В результате этого разделения зарядов на концах проводника возникает разность потенциалов и, как следствие, внутреннее электрическое поле $\vec{E}$.

Это электрическое поле, в свою очередь, действует на свободные заряды с электрической (кулоновской) силой $\vec{F}_Э$, которая направлена против силы Лоренца:

$ \vec{F}_Э = q\vec{E} $

Процесс перераспределения зарядов продолжается до тех пор, пока сила Лоренца не будет уравновешена возникшей электрической силой. Когда эти две силы становятся равными по модулю и противоположными по направлению ($ \vec{F}_Л + \vec{F}_Э = 0 $), дальнейшее движение зарядов прекращается, и в проводнике устанавливается электростатическое равновесие.

Таким образом, сила, которая препятствует дальнейшему перераспределению зарядов, — это электрическая (кулоновская) сила, создаваемая полем разделенных зарядов.

Ответ: Электрическая (кулоновская) сила, возникающая из-за разделения зарядов под действием силы Лоренца.