4. Гибкий проводник с током вблизи полосового магнита

Определения и обозначения

Гибкий проводник с током — проводник, способный изменять форму под действием магнитной силы. В опыте его располагают около магнита и пропускают ток. Гибкость позволяет увидеть результат действия силы по изгибу проводника.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на участок проводника с током. Её обозначают F и измеряют в ньютонах. Именно она заставляет проводник отклоняться и деформироваться.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке. Её обозначают B и измеряют в теслах. Вектор B нужен не только для оценки силы поля, но и для определения направления силы Ампера.

Правило левой руки — способ определения направления силы Ампера по направлениям тока и магнитного поля. Если линии поля входят в ладонь, а четыре пальца направлены по току, отставленный большой палец показывает направление силы. Это правило помогает понять, куда отклонится проводник.

Как это устроено

Гибкий проводник располагают рядом с полосовым магнитом и подключают к источнику тока. Внутри проводника движутся заряженные частицы, а вокруг магнита существует магнитное поле. Поэтому установка позволяет наблюдать не просто наличие поля, а его действие на проводник с током.

Проводник отклоняется потому, что магнитное поле действует на движущиеся заряды. Суммарное действие этих сил передаётся самому проводнику и проявляется как сила Ампера. Если ток выключить, направленное движение зарядов исчезнет, и заметное магнитное отклонение прекратится.

Модуль силы Ампера находят по формуле F = BIl sin α. Он увеличивается при росте силы тока I, магнитной индукции B или длины участка l, находящегося в поле. Угол α отсчитывают между проводником и линиями магнитного поля: при перпендикулярном расположении sin 90° = 1, поэтому F = BIl.

Направление отклонения определяют правилом левой руки. Линии магнитного поля вне магнита направлены от северного полюса к южному, а направление тока принимают от положительного полюса источника к отрицательному. Сопоставив эти два направления, можно найти направление силы, перпендикулярное и току, и магнитному полю.

Форма проводника возле магнита неодинакова из-за неоднородности поля. В разных точках линии поля могут быть направлены под разными углами, а их плотность определяет различную величину B. Поэтому соседние участки гибкого проводника испытывают разные силы и изгибаются не одинаково.

Действие магнитного поля на гибкий проводник с током

Сначала определите, какая величина изменилась, а затем примените формулу F = BIl sin α. Для направления силы используйте правило левой руки, а не только численный расчёт. Если проводник находится в неоднородном поле, сравнивайте условия для каждого его участка отдельно.

Таблица особенно полезна при качественных вопросах: она показывает, что величина силы и её направление зависят от разных факторов. Изменение тока или индукции обычно меняет модуль силы, а разворот тока или поля — её направление.

Разбор задач

Задача 1

Условие: прямой участок проводника длиной 0,20 м находится в однородном поле с индукцией 0,30 Тл перпендикулярно линиям поля. Сила тока равна 2 А. Найти силу Ампера.

1. Записываем известные величины: B = 0,30 Тл, I = 2 А, l = 0,20 м.
2. Так как проводник перпендикулярен полю, α = 90°, поэтому sin α = 1.
3. Подставляем данные: F = BIl = 0,30 · 2 · 0,20 = 0,12 Н.

Ответ: сила Ампера равна 0,12 Н. Направление силы в условии не задано, поэтому его можно определить только после указания направлений тока и магнитного поля.

Задача 2

Условие: проводник длиной 0,40 м с током 3 А расположен под углом 30° к линиям поля с индукцией 0,50 Тл. Определить силу Ампера и её направление.

1. Используем общую формулу F = BIl sin α, потому что проводник не перпендикулярен полю.
2. Для α = 30° имеем sin 30° = 0,5.
3. Вычисляем: F = 0,50 · 3 · 0,40 · 0,5 = 0,30 Н.
4. Направление силы находим правилом левой руки: поле должно входить в ладонь, пальцы направлены по току, большой палец показывает силу.

Ответ: F = 0,30 Н; сила направлена перпендикулярно проводнику и магнитному полю, в сторону, указанную большим пальцем левой руки.

Задача 3

Условие: гибкий проводник расположен возле полосового магнита. Нужно указать направления сил на нескольких участках и объяснить неодинаковый изгиб.

1. На каждом участке отмечаем направление тока и направление линий поля от северного полюса к южному.
2. Для каждого участка отдельно применяем правило левой руки и рисуем вектор силы Ампера.
3. Сравниваем плотность линий и угол между проводником и полем: они определяют величину силы по формуле F = BIl sin α.

Ответ: векторы сил могут различаться по направлению и величине. Поэтому гибкий проводник изгибается неодинаково, повторяя результат действия неоднородного магнитного поля.

Типичные ошибки

Путают направление магнитного поля с направлением тока. Поле вне полосового магнита направлено от северного полюса к южному, а ток — по цепи от положительного полюса источника к отрицательному. Проверьте себя: сначала отдельно обозначьте оба направления.

Определяют силу по правой руке или не учитывают условное направление тока. Для силы Ампера применяют правило левой руки, тогда как другие правила могут относиться к магнитному полю тока. Проверьте положение ладони, пальцев и большого пальца.

Используют F = BIl при произвольном угле. Такая запись верна только для перпендикулярного расположения; в общем случае нужна формула F = BIl sin α. Перед вычислением обязательно найдите угол между проводником и линиями поля.

Считают поле полосового магнита однородным на всём проводнике. Вблизи полюсов направление и величина поля меняются, поэтому силы на участках могут быть различными. Проверьте, одинаковы ли плотность линий и угол их пересечения с проводником.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, магнитном поле, магнитной индукции и силовых линиях. Эти понятия позволяют связать движение зарядов с действием магнитной силы.

Тема непосредственно опирается на правило левой руки и формулу силы Ампера. Далее она помогает объяснить действие магнитного поля на рамку с током и принцип работы электродвигателя.

Тот же подход используется при изучении движения заряженных частиц в магнитном поле. Различие состоит в том, что там рассматривают действие силы непосредственно на отдельную движущуюся заряженную частицу.

Что запомнить

• На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
• Сила Ампера зависит от силы тока, магнитной индукции и длины участка проводника в поле.
• При наклоне проводника к линиям поля сила определяется множителем sin угла.
• Сила Ампера перпендикулярна и току, и магнитному полю.
• Направление силы Ампера находят по правилу левой руки.
• В неоднородном поле разные участки гибкого проводника могут испытывать разные силы.
• Изменение направления тока или магнитного поля меняет направление силы Ампера на противоположное.