"Физика", Андрюшечкин С.М.
Магнитное поле действует на проводник, по которому проходит ток, и может заставить его двигаться. Это действие описывает сила Ампера: её величина зависит от тока, магнитной индукции, длины проводника в поле и его положения. Направление силы находят по правилу левой руки. На этом явлении работает электродвигатель: он превращает электрическую энергию во вращение, которое приводит в движение бытовые приборы и машины.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её величина зависит от магнитной индукции B, силы тока I, длины участка проводника l в поле и угла между проводником и линиями поля: F = BIl sin α. Если проводник перпендикулярен полю, сила наибольшая и равна BIl; при параллельном положении она равна нулю. Эта сила объясняет движение проводников в магнитном поле и работу электродвигателя.
Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера, когда известны направления тока и магнитного поля. Левую руку располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца указывали по току; отогнутый большой палец показывает силу. Правило помогает выяснить, в какую сторону начнёт двигаться проводник. Направление силы определяют отдельно, а не принимают за направление тока.
Электродвигатель — устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую благодаря действию магнитного поля на проводник с током. Ток в обмотке создаёт силы, заставляющие подвижную часть вращаться. Это вращение можно передать деталям прибора или машины. Поэтому электродвигатели используют там, где нужно получить движение от электрического тока.
Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. В простейшей модели его роль выполняет рамка с током: на две её противоположные стороны магнитное поле действует силами Ампера в разные стороны. Эти силы поворачивают рамку, а вместе с ней — ротор. Понимание действия сторон рамки помогает объяснить, откуда в двигателе берётся вращение.
Ток в проводнике возникает из-за упорядоченного движения электрических зарядов. Магнитное поле действует на движущиеся заряды, изменяя их движение; через взаимодействие с частицами проводника это воздействие передаётся всему проводнику. Поэтому в поле проводник может начать двигаться, хотя сам он не является отдельным зарядом. Если ток сохраняется, заряды продолжают двигаться и магнитное поле продолжает действовать на них.
Величина силы Ампера определяется сразу несколькими условиями. Чем сильнее магнитное поле, то есть чем больше магнитная индукция B, тем сильнее его действие; увеличение тока I также увеличивает силу. Влияет и длина l участка, который находится в магнитном поле: при большей длине поле действует на большее число движущихся зарядов. Наконец, важна ориентация проводника: F = BIl sin α, где α — угол между направлением тока и линиями магнитной индукции.
Для определения направления силы нужно одновременно учесть ток и магнитное поле. Раскрой левую ладонь и поверни её так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь; затем направь четыре пальца по току. Отогнутый большой палец покажет, куда действует сила Ампера. Если развернуть ток или магнитное поле, направление силы изменится на противоположное, потому что изменится одно из условий, задающих её направление.
Рамка с током начинает вращаться из-за сил, действующих на её противоположные стороны. На одной стороне сила направлена в одну сторону, а на другой — в противоположную; линии их действия не совпадают. Поэтому силы не просто сдвигают рамку, а поворачивают её. Такое вращательное действие и приводит в движение ротор, частью которого служит рамка или обмотка.
Чтобы вращение не остановилось после поворота рамки, в электродвигателе меняют направление тока в ней в нужный момент. При повороте рамки направление сил относительно её сторон меняется, и без переключения ток не поддерживал бы вращение в прежнюю сторону. Контактное устройство двигателя переключает ток, когда рамка проходит соответствующее положение. В результате силы Ампера продолжают поворачивать ротор в одну сторону.
| Положение проводника относительно магнитного поля | Действие силы Ампера | Как определить направление силы |
|---|---|---|
| Проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции | Сила наибольшая: F = BIl. | По правилу левой руки, используя направления поля и тока. |
| Проводник наклонён к линиям магнитной индукции | Сила меньше максимальной: F = BIl sin α. | По правилу левой руки; большой палец покажет направление силы. |
| Проводник параллелен линиям магнитной индукции | Сила Ампера равна нулю. | Направление силы указывать не нужно: сила отсутствует. |
Сначала определи положение проводника относительно поля: от этого зависит величина силы. Для наклонного положения учитывай угол α между током и линиями магнитной индукции. Правило левой руки показывает направление силы только тогда, когда сила не равна нулю.
В первой задаче проводник длиной 0,2 м расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции 0,5 Тл, а сила тока равна 3 А. Нужно найти силу Ампера. Поскольку проводник перпендикулярен полю, угол α равен 90°, а sin 90° = 1. Значит, можно использовать формулу F = BIl.
Ответ: сила Ампера равна 0,3 Н. Единица силы — ньютон; результат получен при подстановке длины в метрах, магнитной индукции в теслах и тока в амперах. Перед вычислением полезно проверить, что условие действительно задаёт перпендикулярное положение.
Во второй задаче проводник с током расположен параллельно линиям магнитной индукции. Требуется определить силу и объяснить её значение. Угол между направлением тока и полем равен 0°, поэтому sin 0° = 0. Следовательно, значение силы не зависит от чисел для B, I и l: при таком угле сила равна нулю.
Ответ: сила Ампера равна нулю. Магнитное поле не создаёт бокового воздействия на проводник, направленный вдоль линий поля. Значит, в этой ситуации нечего направлять правилом левой руки.
В третьей задаче дан рисунок с направлениями тока и линий магнитной индукции, но сами направления в условии не описаны словами. Поэтому конкретную сторону, куда направлена сила, назвать нельзя: её нужно определить по показанным стрелкам. Если изменить направление тока на противоположное, оставив поле прежним, направление силы тоже станет противоположным. Величина силы при неизменных B, I и положении проводника останется прежней.
Ответ: направление силы определяется по правилу левой руки; при изменении направления тока сила направлена в обратную сторону. Перед ответом проверь, что ладонь ориентирована именно по магнитному полю, а пальцы — по току. Если проводник параллелен полю, сила будет нулевой независимо от такого построения.
Путают направление тока с направлением силы Ампера и сразу указывают силу вдоль проводника. Так происходит потому, что обе стрелки относятся к одному проводнику, но они обозначают разные величины. Проверь себя: ток направляют вдоль проводника, а силу находят отдельно по правилу левой руки. Обычно сила направлена поперёк тока и поля, а не совпадает с током.
Неверно располагают руку, принимая направление линий магнитного поля за направление, в котором должна смотреть ладонь или пальцы. Это случается, если не запомнить, что линии должны входить именно в ладонь. Проверь построение: сначала ладонь ориентирована по полю, затем четыре пальца — по току, и только большой палец показывает силу. Если поменять местами условия для ладони и пальцев, результат будет ошибочным.
Считают, что сила Ампера одинакова при любой ориентации проводника. В таком рассуждении забывают, что в формуле есть sin α: сила максимальна при перпендикулярном положении, а при параллельном исчезает. Перед расчётом определи угол между током и линиями магнитной индукции и выбери подходящую формулу. Проверка простая: для параллельного положения должно получиться F = 0.
Думают, что рамка двигателя будет непрерывно вращаться без изменения направления тока. Ошибку допускают, представляя себе только первый поворот рамки и не учитывая, как после него меняется действие сил. Проверь объяснение: в нём должно быть указано переключение тока в подходящий момент. Именно оно помогает силам Ампера продолжать поворачивать ротор в ту же сторону.
Для изучения силы Ампера нужно знать, что такое электрический ток и сила тока, понимать, что магнитное поле имеет направление, и уметь определять направление тока. Тема опирается также на понятие магнитной индукции B, которое позволяет описывать свойства магнитного поля. Сила Ампера связывает электрические явления с механическим движением и объясняет работу электродвигателей в бытовых приборах и технике. Позже это знание пригодится при изучении взаимодействия магнитного поля с токами и устройства электрических машин.
Почему магнитное поле действует на проводник, если ток в нём не меняется?
Ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Магнитное поле действует на движущиеся заряды, а воздействие передаётся частицам проводника и всему проводнику. Постоянство тока не означает, что заряды перестали двигаться.
Как определить направление силы Ампера?
Используй правило левой руки: расположи ладонь так, чтобы линии магнитной индукции входили в неё, а четыре пальца были направлены по току. Отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера. Ток и поле нужно задать до того, как определять силу.
Почему на проводник, параллельный линиям магнитной индукции, сила не действует?
При таком положении ток направлен вдоль магнитного поля. Магнитное действие на движущиеся заряды не создаёт силы, которая толкала бы проводник в сторону. Поэтому сила Ампера равна нулю.
Что изменится, если поменять направление тока в проводнике?
Сила Ампера будет направлена противоположно, если магнитное поле останется прежним. Это можно проверить правилом левой руки: нужно развернуть четыре пальца по новому направлению тока. Величина силы при этом не обязана измениться.
Зачем в электродвигателе изменяют направление тока в рамке?
Без переключения тока рамка повернулась бы до такого положения, в котором силы перестали бы поворачивать её дальше в прежнюю сторону. В нужный момент устройство меняет направление тока, и силы Ампера снова создают вращение в ту же сторону. Так вращение становится непрерывным.
§ 40. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель
