Задание № 13 · ОГЭ

Сила Лоренца и движение по окружности

Как магнитная сила задаёт радиус и период движения заряженной частицы
5 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Магнитная сила Лоренца действует на движущуюся заряженную частицу и при определённых условиях не изменяет её скорость по модулю, а только направление движения. Поэтому частица может двигаться по окружности: радиус этой окружности определяется массой, скоростью, зарядом и магнитной индукцией.

Сила Лоренца и её направление

На заряд \(q\), движущийся со скоростью \(\vec v\) в магнитном поле с индукцией \(\vec B\), действует сила Лоренца. Если скорость перпендикулярна линиям магнитного поля, модуль силы максимален. В общем случае учитывается только составляющая скорости, перпендикулярная полю.

D
Определение

Сила Лоренца — сила, действующая на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Её направление перпендикулярно одновременно скорости частицы и магнитной индукции.

\[F_{\text{л}}=|q|vB\sin\alpha\]1

Здесь \(\alpha\) — угол между векторами \(\vec v\) и \(\vec B\). Если \(\alpha=90^\circ\), то \(\sin\alpha=1\) и \(F_{\text{л}}=|q|vB\). Если частица покоится или движется вдоль линий поля, магнитная сила равна нулю.

\(F_{\text{л}}\)
сила Лоренца
Н
\(q\)
электрический заряд
Кл
\(v\)
скорость
м/с
\(B\)
магнитная индукция
Тл
\(m\)
масса частицы
кг
\(R\)
радиус траектории
м
T
Правило направления

Для положительного заряда направление силы находят по правилу левой руки: ладонь направляют так, чтобы линии магнитного поля входили в неё, четыре пальца — по скорости положительного заряда, отогнутый большой палец показывает силу. Для отрицательного заряда направление противоположно.

vFлq > 0B: в плоскость рисунка
Для положительного заряда при скорости вправо и поле, направленном в плоскость рисунка, сила Лоренца направлена вверх.

Когда частица движется по окружности

Рассмотрим частицу, которая влетает в однородное магнитное поле так, что \(\vec v\perp\vec B\). Магнитная сила перпендикулярна скорости. Она не совершает работы, поэтому кинетическая энергия, скорость по модулю и модуль импульса остаются постоянными. Направление скорости непрерывно меняется, и траектория становится окружностью.

T
Условие движения по окружности

Если однородное магнитное поле перпендикулярно скорости частицы, магнитная сила играет роль центростремительной силы: \(F_{\text{л}}=F_{\text{ц}}\).

\[|q|vB=\frac{mv^2}{R}\]

После сокращения на \(v\) получаем основную формулу радиуса движения заряженной частицы:

\[R=\frac{mv}{|q|B}\]

Радиус увеличивается с ростом массы и скорости, но уменьшается при увеличении модуля заряда или магнитной индукции. Знак заряда не влияет на радиус, а определяет направление закручивания.

−3−2−1123123456789v, условные единицыR, условные единицы0R при постоянных m, |q| и B
При постоянных \(m\), \(|q|\) и \(B\) радиус пропорционален скорости: \(R\sim v\).
Микропроверка

Как изменится радиус траектории, если скорость частицы увеличить в 2 раза, а остальные величины оставить неизменными?

Вывод формул и полезные следствия

Связь силы Лоренца с радиусом получается непосредственно из второго закона Ньютона для движения по окружности. Важно использовать скорость, перпендикулярную магнитному полю. Если скорость имеет и параллельную составляющую, частица движется по винтовой траектории, а окружность описывает только поперечная составляющая.

1
При перпендикулярном влёте сила Лоренца максимальна.
\(\displaystyle F_{\text{л}}=|q|vB\)
2
Для равномерного движения по окружности нужна центростремительная сила.
\(\displaystyle F_{\text{ц}}=\frac{mv^2}{R}\)
3
Обе силы описывают одно и то же действие магнитного поля.
\(\displaystyle |q|vB=\frac{mv^2}{R}\)
4
Сокращаем на ненулевую скорость и выражаем радиус.
\(\displaystyle R=\frac{mv}{|q|B}\)
\[a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R}=\frac{|q|vB}{m}\]

Из формулы видно, что магнитное поле сообщает частице ускорение, перпендикулярное скорости. Работа магнитной силы равна нулю, что подробно рассматривается на странице работы магнитной силы. При одинаковых \(m\), \(|q|\) и \(B\) частицы с большей скоростью движутся по окружностям большего радиуса.

!
Частые ошибки

1. Использовать \(q\), а не \(|q|\) в формуле радиуса. Радиус не бывает отрицательным: нужно брать модуль заряда. 2. Считать, что магнитная сила направлена по скорости. Она перпендикулярна скорости. 3. Применять \(F=|q|vB\) при произвольном угле: правильная формула содержит \(\sin\alpha\). 4. Забывать перевести миллиметры в метры, микрокулоны в кулоны и миллитеслы в теслы. 5. Путать направление движения положительного и отрицательного зарядов.

Разобранный пример

№
Задача

Протон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции со скоростью \(3{,}0\cdot10^6\) м/с. Магнитная индукция \(B=0{,}20\) Тл. Найдите радиус траектории. Масса протона \(m=1{,}67\cdot10^{-27}\) кг, заряд \(q=1{,}60\cdot10^{-19}\) Кл.

Показать решение Решение

Так как скорость перпендикулярна полю, используем формулу \(R=\frac{mv}{|q|B}\).

1
Подставляем известные величины.
\(\displaystyle R=\frac{1{,}67\cdot10^{-27}\cdot3{,}0\cdot10^6}{1{,}60\cdot10^{-19}\cdot0{,}20}\)
2
Считаем числитель и знаменатель.
\(\displaystyle R=\frac{5{,}01\cdot10^{-21}}{3{,}2\cdot10^{-20}}\ \text{м}\)
3
Получаем результат и округляем до двух значащих цифр.
\(\displaystyle R\approx0{,}16\ \text{м}\)

Ответ: \(R\approx0{,}16\) м, или примерно 16 см. Чем сильнее поле, тем меньше был бы этот радиус.

Если скорость направлена под углом к полю

При произвольном угле скорость раскладывают на две составляющие: \(v_{\perp}=v\sin\alpha\) и \(v_{\parallel}=v\cos\alpha\). Перпендикулярная составляющая вызывает вращение по окружности, а параллельная сохраняется и переносит частицу вдоль линий поля. В результате получается винтовая линия. Радиус такой траектории равен

\[R=\frac{mv_{\perp}}{|q|B}=\frac{mv\sin\alpha}{|q|B}\]

При \(\alpha=90^\circ\) винтовая линия превращается в окружность. При \(\alpha=0^\circ\) радиус вращения равен нулю, а частица движется прямолинейно вдоль поля.

Главное за минуту

Главное

  • Сила Лоренца действует на движущийся заряд и равна \(F_{\text{л}}=|q|vB\sin\alpha\).
  • При \(\vec v\perp\vec B\) частица движется по окружности, потому что сила Лоренца является центростремительной.
  • Радиус окружности: \(R=\frac{mv}{|q|B}\). Знак заряда задаёт направление вращения, но не радиус.
  • Магнитная сила не совершает работы: скорость по модулю и кинетическая энергия не изменяются.
  • При наклонном влёте движение складывается из вращения поперёк поля и равномерного движения вдоль поля.
Q
Быстрый тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · формула радиуса
Как изменится радиус, если магнитную индукцию увеличить в 4 раза?