§ 23. Действие магнитного поля на рамку с током. Электрометр постоянного тока. Гальванометр. Динамик

Определения и обозначения

Рамка с током — проводящая рамка, по которой проходит электрический ток и на которую в магнитном поле действует пара сил. Она нужна для наблюдения вращательного действия магнитного поля и является основой многих приборов.

Вращающий момент — физическая величина, характеризующая способность сил вращать рамку. Его обозначают M; он зависит от B, I, площади S и ориентации рамки, поэтому по нему можно понять, насколько сильно система стремится повернуться.

Гальванометр — чувствительный прибор для обнаружения и измерения малых токов по отклонению подвижной системы. Чем больше ток в пределах шкалы, тем больше обычно отклоняются рамка или стрелка.

Динамик — устройство, преобразующее электрический сигнал в механические колебания диффузора и затем в звук. Его работа показывает, как действие магнитного поля на ток используется не для измерения, а для передачи звуковой информации.

Как это устроено

На прямой проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. В прямоугольной рамке ток на двух противоположных сторонах направлен навстречу, поэтому силы на этих сторонах также противоположны. Если стороны расположены так, что линии действия сил не совпадают, возникает пара сил, создающая вращающий момент.

Направление каждой силы находят отдельно по правилу левой руки, потому что ток на противоположных сторонах рамки имеет разные направления. Четыре пальца направляют по току, линии магнитной индукции вводят в ладонь, а отогнутый большой палец показывает направление силы. Сравнив направления двух сил, можно установить, в какую сторону начнёт вращаться рамка.

В однородном поле силы на противоположных сторонах рамки могут быть равны по модулю, поэтому поступательного движения не возникает, но вращение сохраняется. При повороте рамки плечо пары сил меняется, и момент уменьшается. Для угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции M = BIS sin α; при α = 0 или α = π момент равен нулю, а устойчивым является положение нормали вдоль поля.

В электрометре постоянного тока и гальванометре ток проходит по подвижной рамке, помещённой в магнитное поле. Возникающий момент поворачивает рамку, а упругая сила подвеса или пружины препятствует этому повороту. Равновесие наступает при определённом угле, поэтому отклонение стрелки можно связать с силой тока и нанести на шкалу.

В динамике на катушку с переменным током действует переменная сила Ампера. При изменении направления тока меняется и направление силы, поэтому катушка совершает вынужденные колебания в магнитном зазоре. Прикреплённый к катушке диффузор колеблет воздух с частотой электрического сигнала, создавая слышимый звук.

Устройства, работающие благодаря действию магнитного поля на ток

В таблице нужно проследить одну цепочку: магнитное поле действует на ток, а результат зависит от конструкции устройства. Для рамки результатом является вращение, для измерительного прибора — отклонение, а для динамика — механические колебания и звук.

Разбор задач

Направление сил и вращения рамки

Условие. Прямоугольная рамка с током находится между полюсами магнита. Нужно определить направления сил на двух противоположных сторонах и направление вращения.

1. Определите направление магнитного поля: вне магнита оно направлено от северного полюса к южному.
2. Для первой стороны совместите пальцы левой руки с направлением тока и введите линии поля в ладонь; большой палец покажет направление силы.
3. Повторите построение для противоположной стороны, где ток направлен наоборот, и по паре сил установите направление вращения.

Ответ. Силы на противоположных сторонах направлены в разные стороны и образуют вращающий момент. Точное направление поворота зависит от того, как расположены полюса магнита и куда течёт ток, поэтому его находят двумя отдельными применениями правила левой руки.

Вращающий момент рамки

Условие. Рамка имеет площадь S, по ней течёт ток I, а поле имеет индукцию B. Угол α задан между нормалью к рамке и направлением магнитного поля.

1. Запишите зависимость момента: M = BIS sin α.
2. Подставьте в формулу значения B, I, S и sin α, следя за единицами: тесла, ампер и квадратный метр.
3. Если угол дан между плоскостью рамки и полем, обозначьте его β и используйте M = BIS cos β, поскольку α и β являются дополнительными углами.

Ответ. Вращающий момент равен M = BIS sin α. Он максимален при α = 90° и равен нулю, когда нормаль параллельна полю.

Показание гальванометра

Условие. Цена деления шкалы гальванометра равна c, а стрелка отклонилась на n делений. Требуется найти ток и объяснить результат при изменении его направления.

1. Умножьте цену деления на число делений: I = cn.
2. Проверьте единицы измерения и при необходимости переведите миллиамперы или микроамперы в амперы.
3. При смене направления тока сила Ампера изменит направление, поэтому стрелка отклонится в противоположную сторону на столько же делений, если модуль тока не изменился.

Ответ. Модуль тока определяется произведением c и n, а знак отклонения показывает направление тока относительно выбранного подключения прибора. Гальванометр измеряет ток, а не напряжение.

Типичные ошибки

Правило левой руки применяют сразу ко всей рамке, не выделяя нужный участок проводника. Ошибка возникает потому, что ток на противоположных сторонах направлен по-разному; проверяйте каждую сторону отдельно.

В формулу момента подставляют угол между плоскостью рамки и полем вместо угла между нормалью и полем. Сначала подпишите, с какой линией задан угол, а затем выберите sin α или равный ему cos дополнительного угла.

Гальванометр считают прибором для измерения напряжения. Его подвижная система реагирует на ток, поэтому проверьте, какая величина указана в условии и как прибор включён в цепь.

Полагают, что динамик создаёт звук непосредственно электрическим током. На самом деле ток создаёт силу на катушке, катушка колеблет диффузор, а уже диффузор возбуждает звуковую волну.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны сила Ампера, направление магнитного поля, правило левой руки, момент силы и условия равновесия. Эти знания позволяют объяснить работу электроизмерительных приборов и электродвигателя.

Принцип рамки с током связывает магнитное поле с измерительными цепями: электрическую величину можно преобразовать в механическое отклонение. Поэтому тема важна для изучения амперметров, двигателей и автоматики.

Работа динамика продолжает изучение электромагнитных колебаний и переменного тока. Она используется в звукозаписи, воспроизведении речи и музыки, а также при изучении акустики.

Что запомнить

• Магнитное поле действует на проводник с током силой Ампера.
• Силы на противоположных сторонах рамки могут образовать вращающий момент.
• Направление действия силы определяют правилом левой руки.
• Вращающий момент рамки зависит от магнитной индукции, силы тока, площади рамки и её ориентации.
• Гальванометр измеряет малые токи по отклонению подвижной системы.
• Электрометр постоянного тока использует вращательное действие магнитного поля для измерений.
• Динамик преобразует электрические колебания в механические колебания и звук.