электрический ток | это… Что такое электрический ток?

электри́ческий ток

направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.

* * *

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов (см. ЭЛЕКТРОН (частица)), ионов (см. ИОНЫ) и др. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток (см. КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК) — движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника (см. ПРОВОДНИКИ) все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока (см. СИЛА ТОКА). Сила тока равна отношению величины заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за определенный интервал времени, к продолжительности этого интервала. Если сила тока и его направление со временем не меняется, то ток называют постоянным током (см. ПОСТОЯННЫЙ ТОК).

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему, и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которая определяется электрическим напряжением (см. НАПРЯЖЕНИЕ (электрическое)) на концах проводника.

Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольт-амперная характеристика (см. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА). Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (Ома закон (см. ОМА ЗАКОН)).

Протекая по веществу, электрический ток может оказывать магнитное, тепловое, химическое воздействие. Магнитное действие заключается в возникновении магнитного поля, это действие является всеобщим, проявляется у всех без исключения проводников. Тепловое действие электрического тока заключается в нагреве вещества, через которое протекает ток (исключение — сверхпроводники (см. СВЕРХПРОВОДНИКИ), в которых выделения теплоты не происходит). Химическое действие наблюдается преимущественно в электролитах и заключается в протекании химических реакций под действием электрического тока (например, при электролизе (см. ЭЛЕКТРОЛИЗ)).

Максвеллом введено понятие полного тока, который, в соответствии с его теорией всегда замкнут: на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения (см. ТОК СМЕЩЕНИЯ), который замыкает ток проводимости. Поэтому плотность полного электрического тока j_полн равна сумме плотности тока проводимости j и плотности тока смещения j_см, и определяет создаваемое им магнитное поле.

J_полн = j + ?D/?t

Способность веществ проводить электрический ток очень сильно различается для разных материалов и характеризуется электропроводностью (см. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ). Проводники (см. ПРОВОДНИКИ), благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц — носителей заряда, хорошо проводят электрический ток. Концентрация носителей заряда в диэлектриках (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) крайне мала, и даже при больших напряжениях они служат хорошими изоляторами. В металлах (см. МЕТАЛЛЫ) свободными заряженными частицами — носителями тока — являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 10²²-10²³ см^-3. В электролитах (см. ЭЛЕКТРОЛИТЫ) электрический ток обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации.

Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Электрический ток проводят лишь ионизованные газы — плазма (см. ПЛАЗМА). Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах).

Электрический ток, что это такое

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Постоянный ток:

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

В электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля.

Ранее ЭлектроВести писали, что две команды американских физиков разработали стратегию производства устройств для преобразования света в электричество с помощью органических полупроводников и «освобожденных» электронов.

По материалам: electrik.info.

11.3 Движение заряженной частицы в магнитном поле — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснить, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
• Объясните, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении через магнитное поле. Что произойдет, если это поле будет однородным по движению заряженной частицы? По какому пути движется частица? В этом разделе мы обсудим круговое движение заряженной частицы, а также другие движения, возникающие в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Простейший случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному B -полю (рис. 11.7). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение. Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица движется по криволинейному пути в магнитном поле. Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, так что она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Направление движения влияет, но не скорость.

Рисунок
11,7

Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначается маленькими символами ××, похожими на хвостики стрелок). Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. В результате получается равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила создает центростремительную силу Fc=mv2r.Fc=mv2r. Учитывая, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до F=qvB.F=qvB. Поскольку магнитная сила F обеспечивает центростремительную силу Fc,Fc, мы имеем

qvB=mv2r.qvB=mv2r.

11,4

Решение для r дает

r=mvqB.r=mvqB.

11,5

Здесь r – радиус кривизны пути заряженной частицы массой м и зарядом q , движущейся со скоростью v , перпендикулярной магнитному полю напряженностью B . Время прохождения заряженной частицей круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. Основываясь на этом и уравнении 11.4, мы можем получить период движения как

T=2πrv=2πvmvqB=2πmqB.T=2πrv=2πvmvqB=2πmqB.

11,6

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнивать каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

vperp=vsinθ,vpara=vcosθ.vperp=vsinθ,vpara=vcosθ.

11,7

где θθ — угол между v и B . Составляющая, параллельная магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, что также показано в уравнении 11.7. Параллельное движение определяет шаг p спирали, который представляет собой расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

p=vparaT.p=vparaT.

11,8

Результатом является спиральное движение, как показано на следующем рисунке.

Рисунок
11,8

Заряженная частица, движущаяся со скоростью, не совпадающей с направлением магнитного поля. Составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает круговое движение, тогда как составляющая скорости, параллельная полю, перемещает частицу по прямой линии. Шаг — это горизонтальное расстояние между двумя последовательными кругами. Результирующее движение является спиральным.

Когда заряженная частица движется по винтовой траектории, она может попасть в область, где магнитное поле не является однородным. В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля. Частица может отразиться назад, прежде чем попасть в область более сильного магнитного поля. Это похоже на волну на струне, идущую от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражающуюся назад. Если отражение происходит с обоих концов, частица попадает в так называемую магнитную бутылку.

Частицы, захваченные магнитными полями, обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли. Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (высокоэнергетические частицы, приходящие из-за пределов Солнечной системы), чтобы увидеть, похож ли он на поток, измеренный на Земле. Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в открытом космосе. Полярные сияния, как и знаменитое северное сияние (полярное сияние) в Северном полушарии (рис. 11.9).), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, попадающими в атмосферу, когда они движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. (Ионы в основном представляют собой атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния также наблюдались на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

Рисунок
11,9

(а) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли захватывают ионы, образующиеся при попадании космических лучей в атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Медвежьим озером возле базы ВВС Эйлсон, Аляска. Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота. (кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Странга)

Пример
11.2

Дефлектор луча

Исследовательская группа исследует короткоживущие радиоактивные изотопы. Им нужно разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) из места их образования в место, где они столкнутся с другим материалом, чтобы сформировать изотоп. Пучок альфа-частиц (m=6,64×10-27 кг, q=3,2×10-19 Кл)(m=6,64×10-27 кг, q=3,2×10-19 Кл) преломляется через 90-градусную область с равномерным магнитное поле 0,050 Тл (рис. 11.10). а) В каком направлении должно быть приложено магнитное поле? б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пересечь область однородного магнитного поля?

Рисунок
11.10

Вид сверху на установку дефлектора луча.

Стратегия

1. Направление магнитного поля показывает RHR-1. Ваши пальцы указывают в направлении v , а большой палец должен указывать в направлении силы, влево. Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно быть направлено вниз.
2. Период обращения альфа-частицы по окружности равен
   

   T=2πmqB.T=2πmqB.

   11,9

   Поскольку частица проходит только четверть круга, мы можем взять 0,25 периода, чтобы найти время, необходимое для прохождения этого пути.

Решение

1. Начнем с того, что сосредоточимся на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения. Во-первых, наведите большой палец вверх на страницу. Чтобы ваша ладонь открылась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны изменить ориентацию, пока они не укажут на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.
2. Период обращения заряженной частицы по окружности рассчитывается с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля. Это работает, чтобы быть

   T=2πmqB=2π(6,64×10-27 кг)(3,2×10-19C)(0,050T)=2,6×10-6s.T=2πmqB=2π(6,64×10-27кг)(3,2×10-19C) (0,050T)=2,6×10-6 с.

   Однако для данной задачи альфа-частица проходит четверть окружности, поэтому время, которое для этого потребуется, будет равно

   t=0,25×2,61×10-6с=6,5×10-7с.t=0,25×2,61×10-6с=6,5×10-7с.

Значение

Этого времени может быть достаточно, чтобы добраться до материала, который мы хотим бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп продолжает испускать альфа-частицы. Если бы мы могли увеличить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше. Путь, который должны пройти частицы, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным с учетом экспериментальной установки.

Проверьте свое понимание
11.2

Проверьте свое понимание Однородное магнитное поле величиной 1,5 Тл направлено горизонтально с запада на восток. а) Какова магнитная сила, действующая на протон в тот момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью 4×107м/с?4×107м/с? б) Сравните эту силу с весом w протона.

Пример
11.3

Винтовое движение в магнитном поле

Протон входит в однородное магнитное поле 1,0×10-4Тл1,0×10-4Тл со скоростью 5×105м/с.5×105м/с. Под каким углом должно быть магнитное поле от скорости, чтобы шаг результирующего винтового движения был равен радиусу спирали?

Стратегия

Шаг движения относится к параллельной скорости, умноженной на период кругового движения, тогда как радиус относится к перпендикулярной составляющей скорости. Установив радиус и шаг равными друг другу, найдите угол между магнитным полем и скоростью или θ.θ.

Раствор

Шаг определяется уравнением 11.8, период определяется уравнением 11.6, а радиус кругового движения определяется уравнением 11.5. Обратите внимание, что скорость в уравнении радиуса связана только с перпендикулярной скоростью, при которой происходит круговое движение. Поэтому подставим синусоидальную составляющую общей скорости в уравнение радиуса, чтобы приравнять шаг и радиус:

p=rv∥T=mv⊥qBvcosθ2πmqB=mvsinθqB2π=tanθθ=81,0°.p=rv∥T=mv⊥qBvcosθ2πmqB=mvsinθqB2π=tanθθ=81,0°.

Значение

Если бы этот угол был равен 0°, 0°, то имела бы место только параллельная скорость и спираль не образовалась бы, потому что не было бы кругового движения в перпендикулярной плоскости. Если бы этот угол был равен 90°, 90°, то имело бы место только круговое движение и не было бы движения окружностей, перпендикулярных движению. Именно это создает спиральное движение.

AP Physics 2 Избранный вопрос: Заряженная частица в магнитном поле – AP Central

Вопрос

Рассмотрим заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, которое не обязательно является однородным. Частица движется по пути, который не всегда параллелен направлению магнитного поля. Магнитная сила — единственная сила, действующая на частицу.

(a) Для этой части предположим, что частица не теряет энергию на электромагнитные воздействия из-за эффектов ускорения и что заряд движется с нерелятивистской начальной скоростью.

1. Изменится направление движения частицы, но не ее скорость. Это происходит независимо от его собственного заряда или движения, силы или ориентации магнитного поля. Кратко объясните, почему это так.
2. Если магнитное поле однородно как по силе, так и по направлению, а начальное движение частицы перпендикулярно направлению магнитного поля, частица будет двигаться по круговой траектории. Объясните, почему это происходит.

(б) Частица изначально находится в точке P в плоскости страницы и двигаясь вправо со скоростью v . Магнитное поле, через которое движется частица, создается длинным прямым проводом с током I вправо, расположенным в плоскости страницы ниже точки P .

1. Знак заряда положительный или отрицательный? Объясните, как вы пришли к своему ответу.
2. Частица движется по пунктирной траектории, которая полностью находится в плоскости страницы (т.е. точечная траектория не является спиралью). Это связано с тем, что магнитное поле, создаваемое длинным прямым проводом с током, неоднородно по силе. В четком, связном ответе длиной в абзац, который может включать уравнения и/или дополнительные рисунки, объясните, почему траектория частицы выглядит именно так, как показано выше, а не круговой. Обязательно обратите внимание на особенности напряженности магнитного поля и то, как эта напряженность поля влияет на движение заряда.

Раствор

(a-i) 2 точки

1. Учащийся понимает, что магнитная сила, действующая на частицу, всегда перпендикулярна направлению скорости частицы.
2. Учащийся демонстрирует понимание того, что результирующая сила, действующая перпендикулярно скорости объекта, не может изменить скорость объекта. Студент может использовать принципы работы и энергии, чтобы привести этот аргумент, но это не обязательно.

Пример:

Магнитное поле может воздействовать на заряд только перпендикулярно вектору скорости заряда. Но сила должна быть острой со скоростью, чтобы ускорить объект, или тупой, чтобы замедлить объект. Поскольку сила перпендикулярна скорости, заряд не может изменить скорость.

Пример:

Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости. Если сила перпендикулярна движению тела, то эта сила не совершает никакой работы. Следовательно, магнитная сила не может изменить кинетическую энергию объекта, поэтому объект не может ускоряться или замедляться.

Альтернативное решение

1. Учащийся делает общее заявление о том, что магнитные поля не могут выполнять работу над объектом.
2. Учащийся понимает, что суммарная работа над объектом изменяет кинетическую энергию объекта, поэтому отсутствие суммарной работы означает отсутствие изменения кинетической энергии или скорости частицы.

Пример:

Магнитные поля никогда не работают. Поскольку работа вызывает изменение кинетической энергии объекта, отсутствие чистой работы означает отсутствие изменения скорости.

(a-ii) 1 балл

3. Учащийся демонстрирует понимание того, что радиус кривизны пути объекта зависит от силы центростремительной силы, и утверждает, что однородное магнитное поле создает постоянную силу, действующую на частицу.

(b-i) 2 точки

Частица имеет положительный заряд. Этот вывод необходимо сделать, чтобы заработать оба очка.

4. Учащийся выбирает место на пунктирном пути частицы и правильно указывает направление скорости и магнитной силы в этой точке. (Если выбрана «верхняя точка» на пунктирной линии, например, P , скорость направлена ​​вправо, а сила направлена ​​вниз, «к центру» кривизны. Если на пунктирной линии выбрана «нижняя точка», ближайшая к проволоке, скорость слева, а сила вверх.)
5. Учащийся понимает, что магнитное поле провода направлено за пределы страницы в область, где движется частица.

Если высказывается любая из этих идей, начисляется одно очко. Оба балла засчитываются только в том случае, если учащийся связывает направление своей скорости, магнитного поля и чистой силы с правильным знаком заряда.

(b-ii) 5 баллов

6. Учащийся понимает, что радиус кривизны пути частицы уменьшается по мере приближения частицы к проводу.
7. Ученик объясняет, что напряженность магнитного поля сильнее ближе к проводу. Учащийся может использовать это уравнение как часть объяснения этой идеи.
8. Ученик объясняет, что чем сильнее магнитное поле, тем сильнее магнитная сила, действующая на частицу. Учащийся может использовать это уравнение как часть объяснения этой идеи.
9. Учащийся утверждает или подразумевает, что магнитная сила создает центростремительную силу для частицы. Студент также объясняет, что более сильная центростремительная сила приводит к меньшему радиусу кривизны объекта. Учащийся может использовать это уравнение как часть объяснения этой идеи.
10. За логичный, релевантный и внутренне непротиворечивый ответ, который отвечает требуемому аргументу или заданному вопросу и соответствует рекомендациям, описанным в опубликованных требованиях к ответу длиной в абзац.

Пример:

Путь в точке P очень прямой, но вблизи провода путь резко изгибается. Это связано с тем, что магнитное поле вблизи провода сильнее и оказывает большее воздействие на заряд. Поскольку магнитное поле всегда перпендикулярно скорости, магнитная сила может только «управлять» направлением заряда. Более сильное усилие подобно повороту руля автомобиля сильнее — оно делает траекторию более острой и имеет меньший радиус. Это то, что происходит вблизи провода, где магнитное поле сильное, но вдали от провода, где поле слабое, заряд не меняет направление так быстро, и путь имеет больший радиус.

Комментарий

Эта задача была вдохновлена ​​Свободным ответом № 5 на выпущенные бесплатные вопросы для экзамена AP Physics 2016 1 (сокращенно P1-2016-FR05). В этой задаче вертикальная струна удерживает стоячую волну с разными длинами волн в разных местах из-за разного натяжения струны. Мы часто обучаем стоячим волнам в средах, где скорость волны везде одинакова; это приводит к паттернам стоячих волн с одинаковым расстоянием между узлом и пучностью. Точно так же мы часто учим движение заряда через магнитное поле только в том частном случае, когда магнитное поле однородно. Эта задача проверяет, понимают ли учащиеся качественно, как магнитное поле влияет на радиус кривизны пути заряженной частицы, даже если магнитное поле меняется от места к месту.

Проблема начинается с утверждения, что магнитная сила не может изменить скорость заряда. Проблема делает это для того, чтобы учащиеся могли использовать этот факт позже как часть своего ответа длиной в абзац, даже если они не знают, почему это так (так же, как в части (a) P1-2016-FR05 прямо говорится, что напряжение больше в верхней части веревки и спрашивает, почему, чтобы учащиеся, которые не знают почему, могли использовать этот факт позже в части (b)). Вопрос о том, почему однородное поле приводит к круговому пути, ставится для того, чтобы подготовить учащихся к сравнению и противопоставлению равномерного кругового движения заряда в однородном В-поле с неоднородным, некруговым движением заряд в неоднородном B-поле, возникающем на участке (b).

Затем вопрос переходит к заряду вблизи длинного прямого провода. В первой части этого задания учащимся предлагается назвать знак заряда и объяснить, как они пришли к своему ответу. Многие учителя просто учат студентов решать такие задачи, как «вот знак заряда, направление скорости и направление магнитного поля, в котором находится заряд; теперь скажите мне направление магнитной силы, действующей на заряд». Хотя это ценная и неизбежная часть обучения магнетизму, маловероятно, что студенты увидят такой прямой вопрос о применении правила правой руки на экзамене по физике 2. Вместо этого учащиеся должны будут рассмотреть более сложную ситуацию и быть в состоянии взять из ситуации три из этих вещей (знак заряда, направление скорости заряда, направление магнитного поля и направление магнитной силы) и определить четвертый.

Вторая часть «зарядки и проводки» является причиной, по которой у нас возникает эта проблема: определить, может ли учащийся понять принципы и отношения в контексте темы, которую он изучил, но в ситуации, с которой он вряд ли сталкивался. перед. В этом случае учащийся должен объединить следующие идеи, чтобы объяснить, почему заряд движется по пунктирной линии:

• Путь имеет малый радиус кривизны вблизи провода и большой радиус кривизны вдали. Во время AP Physics 1 учащихся можно научить распознавать траектории с длинным и коротким радиусом кривизны. Это можно сделать в контексте дорог и вождения; Нарисуйте кривую на доске и скажите, что кривая представляет собой дорогу, если смотреть сверху. Нарисуйте кривую так, чтобы были четкие места, где радиус кривизны большой, а где малый, и попросите учеников объяснить, где автомобили могут двигаться быстрее, а где они должны двигаться медленнее.
• Магнитное поле сильнее в местах, расположенных ближе к проводу. Это обычно преподается как часть типичной единицы магнетизма с использованием уравнения для магнитного поля, создаваемого прямым проводом.
• Более сильное магнитное поле оказывает на заряд более сильное воздействие. Этому учат как часть обучения уравнению. Обратите внимание, что учащиеся должны знать, что только B может повлиять на значение F, поскольку магнитное поле не может изменить скорость v частицы, а заряд зависит от свойств частицы.
• Магнитная сила перпендикулярна движению, поэтому магнитная сила обеспечивает центростремительную силу, действующую на частицу.
• Чем сильнее центростремительная сила, действующая на объект, тем «круче поворот» (меньший радиус кривизны пути) может сделать частица. Это снова должно быть представлено в Физике 1, опять же в контексте дорог с разным радиусом кривизны в разных местах. Учащиеся должны понимать, что для более крутого поворота требуется большее усилие, потому что в этих случаях движение меняется быстрее.

Викторина

Четыре частицы движутся вблизи длинного провода с током I . Частицы имеют массы и заряды, указанные в таблице. Проволока и все частицы находятся в плоскости страницы, как показано на схеме. Стрелка на каждой частице представляет начальное движение этой частицы. Сетку можно использовать для количественной оценки местоположения и относительных скоростей частиц. Единственная сила, которая действует на каждую частицу из-за магнитного поля проволоки.

(а) На какие две частицы действуют магнитные силы, действующие в одном и том же направлении в момент времени, показанный на диаграмме? Объясните, как вы пришли к своему ответу.

(b) Расположите частицы в соответствии с величиной сил, действующих на эту частицу, от самой сильной до самой слабой. Поместите символ > или = между каждой буквой вашего рейтинга.

Самая сильная сила ____ ____ _____ _____ Слабая сила

Обоснуйте свой ответ количественно, используя уравнения.

(c) Расположите частицы в соответствии с величиной ускорения каждой частицы от наибольшего к наименьшему.

Обоснуйте свой ответ количественно, используя уравнения.

Наибольшее ускорение ____ ____ _____ _____ Наименьшее ускорение

Каждая частица совершает круговое движение в магнитном поле провода. Все круговые движения имеют радиусы, которые очень малы по сравнению с расстоянием частицы от провода , , так что магнитное поле вокруг каждого круга можно считать однородным.

(d) Какая частица или частицы совершают круговое движение против часовой стрелки? Объясните, как вы пришли к своему ответу.

(e) Расположите частицы в соответствии с радиусом кругового движения каждой частицы от большего к меньшему.

Обоснуйте свой ответ количественно, используя уравнения.

Наибольший радиус ____ ____ _____ _____ Наименьший радиус

(f) Расположите частицы в соответствии с периодом кругового движения каждой частицы от самой длинной до самой короткой.

Обоснуйте свой ответ количественно, используя уравнения.

Самый длинный период ____ ____ _____ _____ Кратчайший период

Решения

Всего 17 баллов.

(а)

• Над проводом магнитное поле выходит за пределы страницы. Магнитное поле находится на странице под проводом.
• Частица P ощущает направленную влево силу (положительную, движущуюся вниз, вне магнитного поля страницы).
• Частица N чувствует направленную вверх силу (отрицательную, движущуюся влево, в магнитное поле страницы).
• Частица D чувствует нисходящую силу (положительную, движется вправо, вне магнитного поля страницы).
• Частица A ощущает направленную влево силу (положительную, направленную вверх, в магнитное поле страницы).
• (1 балл) P и A ощущают одинаковую магнитную силу.
• (1 балл) Ссылаясь на ручное правило.

(б)

• (1 балл) Правильный рейтинг: N = D > A > P
• (1 балл) Указывает, что магнитное поле пропорционально 1/ y , где y — расстояние заряда от провода. Использование уравнения  удовлетворило бы этому требованию.
• (1 балл) Указывает, что .
• (1 балл) Объединив эти уравнения, мы получим, что сила пропорциональна . Формулировка полного уравнения удовлетворяет последним трем пунктам.

(в)

• (1 балл) Правильный рейтинг: N > D > P > A
• (1 балл) Формулировка и использование второго закона Ньютона, . Использование   НЕ приносит этого балла.
• (1 балл) Используя предыдущее выражение для силы, найти ускорение, пропорциональное . Формулировка полного уравнения удовлетворяет последним трем пунктам.

(г)

• (1 балл) A — единственная частица, которая движется против часовой стрелки.
• (1 балл) Учащийся указывает, что направление силы должно быть на 90 ^o против часовой стрелки от направления скорости для кругового движения против часовой стрелки, или какой-либо другой убедительный аргумент.

(е)

• (1 балл) Правильный рейтинг: D = A > P = N
• (1 балл) Установка магнитной силы равной центростремительной силе или установка ускорения, найденного в (c), равным .
• (1 балл) Решение радиуса для нахождения  и нахождение того, что радиус пропорционален  или составление полного уравнения для r , которое показывает mvy в числителе и q в знаменателе.