5. Применение силы Ампера

Определения и обозначения

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Для прямого участка её модуль равен F = BIl sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина участка, α — угол между направлением тока и полем. Формула показывает, от чего зависит действие поля: при параллельных токе и поле сила равна нулю, а при перпендикулярных она максимальна. Это позволяет рассчитывать воздействие поля на проводник.

Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям магнитного поля и условного тока. Ладонь располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в неё, а вытянутые пальцы были направлены по току; отставленный большой палец указывает силу. Направление поля между полюсами магнита — от северного полюса к южному. Правило нужно, чтобы понять, куда отклонится проводник.

Вращающий момент силы Ампера — действие сил Ампера на рамку с током, вызывающее её поворот в магнитном поле. На противоположные стороны рамки действуют силы, направленные в разные стороны, и их действие может образовать пару сил. В отличие от простого перемещения, такая пара поворачивает рамку. Это понятие объясняет работу устройств с вращающимися обмотками.

Электродвигатель — устройство, в котором действие магнитного поля на проводник с током преобразует электрическую энергию в механическую. Ток в обмотке ротора взаимодействует с магнитным полем и создаёт вращающий момент. Ротор приводит в движение вал, к которому можно присоединить механизм. Поэтому двигатель способен выполнять полезную механическую работу.

Как это устроено

Когда ток проходит по рамке, на каждый её участок в магнитном поле действует сила Ампера. На двух противоположных сторонах ток направлен противоположно, поэтому силы на этих сторонах также направлены противоположно. Их действие не компенсируется полностью: линии действия сил расположены по разные стороны рамки. Возникает вращающий момент, который поворачивает рамку, пока её ориентация относительно поля не изменится.

Сторона поворота зависит от того, куда направлены ток и магнитное поле: изменение любого из этих направлений разворачивает силу в противоположную сторону. Направление поля между полюсами устанавливают от северного полюса к южному, после чего для каждой стороны рамки применяют правило левой руки. Так находят направления обеих сил, а не угадывают движение рамки по одному участку. Сопоставив силы, можно определить, в какую сторону они будут её вращать.

По мере поворота рамки меняется угол между её плоскостью и магнитным полем, а вместе с ним — вращающее действие сил. В положении равновесия момент становится нулевым: силы уже не могут продолжать поворот в прежнюю сторону. Если рамка пройдёт это положение по инерции, момент начнёт мешать дальнейшему вращению и затем развернёт её обратно. Поэтому одной постоянной силы магнитного поля недостаточно для непрерывного вращения.

В электродвигателе направление тока в обмотке переключают при каждом прохождении рамкой положения, в котором вращающий момент меняет знак. Это делают щётки и коллектор — контактный узел, который меняет подключение обмотки к источнику. Благодаря переключению силы Ампера продолжают поворачивать рамку в одну и ту же сторону. Рамка, или ротор, вращает вал, а вал передаёт механическую энергию нагрузке.

В громкоговорителе катушка с током находится в магнитном поле, поэтому сила Ампера перемещает её вместе с прикреплённым диффузором. Переменный ток меняет направление и величину, из-за чего катушка колеблется, а диффузор создаёт колебания воздуха — звук. В электроизмерительном приборе сила действует на рамку с током и поворачивает её противодействующей пружины. Угол поворота связан с током, поэтому его можно показать стрелкой на шкале.

Применение силы Ампера в устройствах

Сравни устройства по тому, какая именно деталь взаимодействует с магнитным полем и какой результат даёт её движение. Во всех трёх случаях действует сила Ампера, но один и тот же принцип приводит к разным эффектам: вращению, звуковым колебаниям или отклонению стрелки.

Разбор задач

Направление силы на прямой проводник

Условие. Прямой проводник с током находится между полюсами магнита; заданы направления тока и магнитного поля. Требуется указать направление силы Ампера. Для ответа не нужны числовые данные: здесь важно правильно применить правило направления.

1. Установи направление магнитного поля: между полюсами оно идёт от северного полюса к южному.
2. Расположи левую ладонь так, чтобы поле входило в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены по условному току.
3. Посмотри, куда направлен отставленный большой палец: он показывает силу Ампера. Если ток или поле направлены противоположно, поверни ладонь с учётом нового направления.

Ответ. Сила направлена туда, куда указывает большой палец левой руки. Без конкретных направлений тока и поля назвать сторону невозможно, но алгоритм позволяет определить её для любой заданной схемы.

Вращение рамки с током

Условие. Рамка с током помещена в однородное магнитное поле; требуется определить, в какую сторону она начнёт поворачиваться. Числа здесь не заданы, поэтому направление устанавливается по действию сил на стороны рамки. Рассматривать нужно обе стороны, на которых возникают силы, образующие вращающий момент.

1. Найди направление тока в каждой из двух противоположных сторон рамки: на них токи направлены противоположно.
2. Для каждой стороны отдельно примени правило левой руки, используя одно и то же направление магнитного поля.
3. Определи, куда направлены найденные силы, и мысленно проследи их действие относительно оси рамки. Сторона, на которую сила толкает рамку, поможет установить направление поворота.

Ответ. Рамка начнёт поворачиваться в сторону, задаваемую парой сил Ампера. Чтобы назвать конкретное направление вращения, например по часовой стрелке, необходимы заданные направления тока и поля.

Расчёт силы тока и силы Ампера

Условие. Длина прямого участка проводника l = 8 см, сила Ампера F = 0,12 Н, магнитная индукция B = 0,5 Тл. Сначала участок перпендикулярен полю; нужно найти ток, а затем выяснить, что произойдёт при развороте проводника вдоль поля.

1. Переведи длину в единицы СИ: 8 см = 0,08 м. Для перпендикулярного участка угол α = 90°, поэтому sin α = 1.
2. Используй формулу F = BIl sin α. Вырази силу тока: I = F / (Bl sin α) = 0,12 / (0,5 · 0,08 · 1) = 3 А.
3. При развороте вдоль поля угол между током и полем станет 0°. Тогда sin 0° = 0, следовательно, сила Ампера станет равна нулю.

Ответ. Сила тока равна 3 А. При расположении проводника вдоль магнитного поля сила Ампера равна 0 Н.

Типичные ошибки

Направление условного тока иногда путают с движением электронов. Электроны в металле движутся противоположно условному току, а правило левой руки применяют именно к условному направлению тока. Проверка: сначала обозначь направление тока в проводнике, и только затем располагай пальцы.

На противоположных сторонах рамки токи направлены в разные стороны, поэтому и силы Ампера на них направлены противоположно. Ошибка возникает, когда направление силы определяют только для одной стороны, а вторую считают действующей так же. Проверь себя: примени правило левой руки отдельно к обоим участкам рамки.

Иногда предполагают, что сила Ампера всегда направлена вдоль магнитного поля. На самом деле при параллельных направлениях тока и поля угол α равен нулю, поэтому по формуле F = BIl sin α сила равна нулю. Для самопроверки сравни направления тока и поля и проверь значение синуса угла.

Непрерывное вращение двигателя объясняют только притяжением или действием магнитного поля. Однако без переключения направления тока вращающий момент меняет направление и начинает тормозить ротор. Проверь объяснение работы двигателя: в нём должны быть названы и силы Ампера, и механизм изменения направления тока в обмотке.

Связь с другими темами

Чтобы понять действие силы Ампера, нужно знать, что такое электрический ток и магнитное поле, а также понимать смысл магнитной индукции. Понадобится и умение определять направление силы Ампера, иначе нельзя установить, куда начнёт двигаться проводник или поворачиваться рамка. Применение силы связывает эти знания с техникой: тот же принцип помогает разобраться в электродвигателе, громкоговорителе и электроизмерительном приборе. Он показывает, как взаимодействие электрического тока и магнитного поля приводит к движению и измеряемому отклонению.

Что запомнить

• Магнитное поле действует силой Ампера на проводник с током.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• При параллельном направлении тока и магнитного поля сила Ампера равна нулю.
• Силы Ампера на противоположных сторонах рамки могут создавать вращающий момент.
• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• Для непрерывного вращения рамки в двигателе необходимо менять направление тока.