"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
Когда по проводнику идёт ток, магнитное поле может толкать его в сторону. Это действие описывает сила Ампера: её величина зависит от тока, магнитного поля, длины проводника и его положения. Направление силы находят правилом левой руки. Благодаря этому эффекту работают электродвигатели, где электрическая энергия превращается во вращение, и электроизмерительные приборы, в которых отклонение рамки показывает значение электрической величины.
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 силы тока I, магнитной индукции B, длины проводника l в поле и угла между током и полем. Чем больше I, B или l, тем больше сила при прочих равных условиях; её направление задаёт взаимное расположение тока и поля.
Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям магнитного поля и тока. Оно помогает понять, в какую сторону поле толкает проводник, не путая силу с направлением поля. Для этого линии поля должны входить в ладонь, а вытянутые пальцы — показывать направление условного тока.
Электродвигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую благодаря действию магнитного поля на проводник с током. Внутри двигателя силы Ампера поворачивают рамку или ротор, связанный с механизмом. Такое устройство нужно там, где электричество должно приводить в движение детали или целые машины.
Электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы — прибор, в котором подвижная рамка с током отклоняется под действием магнитного поля. Поворот рамки передаётся стрелке, а её положение на шкале показывает измеряемую электрическую величину. Так электрическое воздействие становится заметным и его можно сравнить с делениями шкалы.
В проводнике с током заряды движутся упорядоченно. На них действует магнитное поле, а частицы передают это воздействие веществу проводника. Поэтому проводник получает направленное воздействие со стороны поля — силу Ампера. Чем больше зарядов проходит за секунду, тем сильнее обычно это воздействие.
Для прямого участка проводника в однородном поле величину силы описывает формула F = BIl sin α. Здесь α — угол между направлением тока и линиями магнитного поля, а sin α учитывает, насколько поперёк поля расположен проводник. Если ток, поле или длина участка в поле увеличиваются, сила возрастает. При неизменных остальных условиях увеличение одного из этих значений в несколько раз во столько же раз увеличивает силу.
Чтобы определить направление силы, применяют правило левой руки. Поверните ладонь так, чтобы линии магнитного поля входили в неё, и направьте четыре вытянутых пальца по условному току. Отставленный большой палец покажет, куда действует сила Ампера. Условное направление тока считают от положительного полюса источника к отрицательному, а не по движению электронов.
Если изменить направление тока, но оставить поле прежним, сила Ампера направится в противоположную сторону; то же произойдёт при развороте поля. Это следует из правила левой руки: изменится один из двух исходных направлений. Если же ток направлен параллельно линиям поля, угол равен 0° или 180°, и sin α равен нулю. Тогда сила Ампера на такой участок не действует.
В электродвигателе рамка с током находится в магнитном поле. На её противоположные стороны действуют силы Ампера, направленные так, что они создают вращение. Чтобы после поворота рамка не начала разворачиваться обратно, коллектор периодически меняет направление тока в ней. Благодаря этому вращающий момент сохраняет нужное направление, и двигатель продолжает работать.
В таблице собраны основные этапы: от действия поля на ток до его использования в устройствах. Сначала найдите нужный объект, затем проследите, что с ним происходит и как определить направление действия. Последний столбец показывает, где этот эффект применяется на практике.
| Объект или явление | Что происходит | От чего зависит направление или действие | Практическое применение |
|---|---|---|---|
| Проводник с током в магнитном поле | На проводник действует сила Ампера. | Величина зависит от I, B, l и угла между током и полем; при параллельном положении сила равна нулю. | Основа действия электрических машин и приборов. |
| Сила Ампера | Поле оказывает силовое воздействие на проводник с током. | Направление меняется при изменении направления тока или магнитного поля. | Создание движения в электродвигателях. |
| Правило левой руки | Помогает определить направление силы. | Линии поля входят в ладонь, пальцы показывают условный ток, большой палец — силу. | Определение направления движения проводника или рамки. |
| Электродвигатель | Силы на сторонах рамки создают вращение. | Коллектор периодически переключает направление тока в рамке. | Привод приборов, механизмов и машин. |
| Электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы | Подвижная рамка с током поворачивается, перемещая стрелку. | Отклонение связано с током в рамке и действием магнитного поля. | Измерение электрических величин по шкале. |
Задача 1. Прямой проводник перпендикулярен линиям магнитного поля; направления тока и поля указаны на схеме. Нужно определить направление силы, не перепутав условный ток с движением электронов. Численных значений для вычисления здесь нет, поэтому используем правило левой руки.
Определите условное направление тока по обозначению на схеме. Если в проводнике движутся электроны, ток направлен противоположно их движению.
Расположите левую ладонь так, чтобы линии поля входили в неё. Направьте четыре пальца по условному току.
Посмотрите, куда указывает отставленный большой палец. Это и есть направление силы Ампера.
Ответ. Сила направлена туда, куда указывает большой палец левой руки при выбранных направлениях поля и условного тока. Без самой схемы нельзя назвать её конкретное направление, например вверх или вниз.
Задача 2. Ток увеличили в два раза, а длину участка проводника в поле уменьшили в два раза; поле и угол не изменились. Сравним силу до и после изменений. Удобно использовать F = BIl sin α и отметить, какие множители меняются.
В начальном положении сила пропорциональна произведению I и l, поскольку B и sin α остаются теми же.
После изменения ток становится 2I, а длина — l/2. Их произведение равно 2I · l/2 = Il, то есть не меняется.
Остальные множители формулы тоже прежние. Значит, итоговая сила остаётся такой же, как вначале.
Ответ. Сила Ампера не изменится: увеличение тока компенсируется уменьшением длины в два раза.
Задача 3. Проводник длиной 0,20 м с током 3 А перпендикулярен однородному полю с индукцией 0,40 Тл. Найдём величину силы, а затем отдельно рассмотрим изменение её направления при развороте тока. Все данные уже выражены в единицах СИ.
Для перпендикулярного положения α = 90°, поэтому sin α = 1 и формула принимает вид F = BIl.
Подставим данные: F = 0,40 Тл · 3 А · 0,20 м = 0,24 Н. Единица силы — ньютон.
Если развернуть ток, а поле оставить прежним, правило левой руки даст противоположное направление силы. Величина останется той же, потому что модули тока, поля, длины и угол не изменились.
Ответ. F = 0,24 Н; при изменении направления тока сила Ампера направится в противоположную сторону.
Путают направление поля с направлением силы Ампера. Поле — одно из исходных направлений для правила левой руки, а силу нужно определить отдельно по трём направлениям. Проверьте себя: поле должно входить в ладонь, а большой палец показывает именно силу, не линии поля.
Направляют пальцы по движению электронов, а не по условному току. Такую ошибку допускают, когда забывают, что в физике направление тока принято противоположным движению электронов. Перед применением правила сначала найдите условное направление тока, а затем уже расположите пальцы.
Считают, что сила Ампера действует при любом положении проводника. Но при параллельном направлении тока и поля угол равен 0° или 180°, а sin α = 0, поэтому сила равна нулю. Проверяйте взаимное положение тока и линий поля, прежде чем делать вывод о воздействии.
Полагают, что рамка двигателя будет вращаться без изменения направления тока. После поворота рамки вращающий момент без переключения может изменить направление, и рамка не продолжит вращаться как прежде. Вспомните о коллекторе: он периодически меняет ток в рамке, чтобы поддерживать вращение в нужную сторону.
Для изучения действия магнитного поля на ток нужно знать, что такое электрический ток и каково его условное направление. Также понадобятся представления о магнитном поле и магнитной индукции: они помогают определить, где действует поле и как оно ориентировано. Эта тема связывает магнитное действие тока с устройством электродвигателей и электроизмерительных приборов.
Позже понимание силы Ампера пригодится при изучении электромагнитной индукции и электрических машин. Эти явления объединяют электрические и магнитные процессы, хотя происходят по-разному. Умение различать направления тока, поля и силы помогает разбирать их без путаницы.
Почему магнитное поле действует на проводник, если ток в нём — это движение зарядов?
Ток в металлическом проводнике создают движущиеся заряженные частицы. Магнитное поле действует на эти движущиеся заряды, а они передают воздействие частицам проводника. Поэтому сила действует на проводник целиком.
Как правильно расположить левую руку, чтобы определить направление силы Ампера?
Расположите левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по условному току. Отставленный на 90° большой палец покажет направление силы Ампера. Направление электронов вместо направления тока использовать нельзя.
Что произойдёт с силой Ампера, если изменить направление тока?
Направление силы Ампера станет противоположным, если магнитное поле и положение проводника останутся прежними. Величина силы при этом не изменится, если сила тока по модулю осталась такой же.
Почему рамка электродвигателя продолжает вращаться, а не останавливается после половины оборота?
После половины оборота стороны рамки меняются местами, и без переключения тока вращающий момент может направиться обратно. Коллектор меняет направление тока в рамке каждый раз, когда она проходит нужное положение. Поэтому силы продолжают поворачивать рамку в прежнюю сторону.
Как действие магнитного поля на ток помогает измерять электрические величины?
В приборе ток проходит по подвижной рамке, помещённой в магнитное поле, и сила Ампера поворачивает её. Чем больше ток, тем больше отклонение стрелки в рабочем диапазоне прибора. Шкалу прибора заранее размечают так, чтобы по отклонению можно было определить измеряемую величину.
§ 34. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатели, электроизмерительные приборы
