Номер 15.11, страница 96 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Электричество и магнетизм. 15. Магнитное поле. Сила Лоренца - номер 15.11, страница 96.

Условие.

15.11. Объясните два явления:

а) по двум параллельным проводникам пропускают токи в одном направлении и наблюдают притяжение проводников;

б) два параллельных электронных пучка отталкиваются.

Решение.

Решение 2.

а) Это явление объясняется магнитным взаимодействием токов. Каждый проводник, по которому течет электрический ток, создает вокруг себя магнитное поле. Рассмотрим два параллельных проводника, по которым текут токи $I_1$ и $I_2$ в одном направлении.

Проводник с током $I_1$ создает магнитное поле, которое действует на второй проводник с током $I_2$. Направление этого магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки (или правила буравчика): если большой палец правой руки направить по току, то согнутые пальцы укажут направление линий магнитной индукции. Эти линии представляют собой концентрические окружности вокруг проводника.

На второй проводник, помещенный в магнитное поле первого, действует сила Ампера. Направление этой силы определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца направить по движению тока во втором проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы, действующей на проводник. Применив это правило, мы обнаружим, что сила, действующая на второй проводник, направлена к первому.

Аналогично, второй проводник создает свое магнитное поле, которое действует на первый проводник с силой, направленной ко второму проводнику. В результате проводники притягиваются друг к другу. Важно отметить, что сами проводники электрически нейтральны, так как заряд движущихся электронов скомпенсирован зарядом положительных ионов кристаллической решетки, поэтому электростатического взаимодействия между ними нет.

Ответ: Притяжение двух параллельных проводников с сонаправленными токами объясняется действием силы Ампера. Магнитное поле, создаваемое одним проводником, действует на ток в другом проводнике, в результате чего возникают силы, направленные навстречу друг другу.

б) Два параллельных электронных пучка представляют собой потоки движущихся отрицательных зарядов. В отличие от проводников с током, которые в целом электрически нейтральны, электронные пучки несут нескомпенсированный отрицательный заряд. Поэтому между ними возникает два типа взаимодействия: электрическое (кулоновское) и магнитное.

1. Электрическое взаимодействие. Электроны в обоих пучках имеют одинаковый (отрицательный) заряд. Согласно закону Кулона, одноименные заряды отталкиваются. Следовательно, между двумя электронными пучками действует сила электростатического отталкивания $F_э$.

2. Магнитное взаимодействие. Движение электронов эквивалентно электрическому току. По определению, направление тока противоположно направлению движения отрицательных зарядов. Так как электроны в обоих пучках движутся в одном направлении, то и условные токи, создаваемые ими, также направлены в одну сторону. Как было установлено в пункте а), два параллельных сонаправленных тока притягиваются. Следовательно, между электронными пучками действует сила магнитного притяжения $F_м$.

Таким образом, на пучки одновременно действуют сила отталкивания $F_э$ и сила притяжения $F_м$. Результирующая сила зависит от соотношения их величин. Расчеты, основанные на теории относительности, показывают, что эти силы связаны соотношением: $F_м = F_э \cdot \frac{v^2}{c^2}$, где $\text{v}$ — скорость электронов в пучке, а $\text{c}$ — скорость света в вакууме.

Поскольку скорость электронов $\text{v}$ всегда меньше скорости света $\text{c}$, то отношение $\frac{v^2}{c^2}$ всегда меньше единицы. Это означает, что сила магнитного притяжения $F_м$ всегда слабее силы электростатического отталкивания $F_э$.

В итоге сила отталкивания преобладает, и пучки расходятся.

Ответ: Два параллельных электронных пучка отталкиваются, потому что сила электростатического отталкивания между одноименно заряженными электронами всегда превосходит силу магнитного притяжения, возникающую из-за их движения.