5- Применение силы Ампера

Определения и обозначения

Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Её модуль вычисляют по формуле F = BIL sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, L — длина проводника, α — угол между проводником и полем. Формула показывает, от каких величин зависит действие поля.

Правило левой руки определяет направление силы Ампера. Если линии магнитного поля входят в ладонь, четыре пальца направлены по обычному току, то отогнутый большой палец показывает направление силы. Это правило нужно для определения движения проводника.

Электродвигатель — устройство, преобразующее энергию электрического тока в механическую энергию вращения. В его магнитном поле силы Ампера действуют на ток в обмотке якоря. Поэтому двигатель может приводить в движение механизмы.

Коллектор — устройство, периодически изменяющее направление тока в рамке электродвигателя. Он соединён с вращающейся обмоткой и работает вместе со щётками. Благодаря ему вращающий момент не меняет направление после каждого полуоборота.

Как это устроено

Ток в проводнике создаёт движение заряженных частиц, а магнитное поле действует на движущиеся заряды. В результате суммарное действие поля передаётся всему проводнику и возникает сила Ампера. Её величина растёт при увеличении B, I или L и зависит от положения проводника: F = BIL sin α. При α = 90° сила максимальна, а при расположении вдоль поля она равна нулю.

В рамке с током силы Ампера действуют на её противоположные стороны. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению, но приложены не к одной линии. Поэтому они образуют пару сил и создают вращающий момент, стремящийся повернуть рамку. Направление поворота находят, отдельно применяя правило левой руки к каждой стороне.

При вращении рамка достигает положения, в котором момент сил Ампера становится равным нулю. Если ток не изменить, дальше силы начнут создавать момент в противоположную сторону, и рамка остановится или станет совершать небольшие колебания. Для непрерывного вращения нужно своевременно менять направление тока в обмотке.

Коллектор состоит из изолированных друг от друга контактных частей, соединённых с концами обмотки. Неподвижные щётки скользят по этим частям и подводят ток от внешней цепи. При каждом полуобороте контакты переключаются, ток в сторонах рамки меняет направление, а силы Ампера снова создают момент в прежнюю сторону.

В электродвигателе магнитная система создаёт поле, якорь с обмоткой вращается под действием сил, коллектор переключает ток, а щётки обеспечивают электрический контакт. В громкоговорителе переменный ток проходит по катушке в поле постоянного магнита, поэтому сила Ампера меняется по величине и направлению. Катушка колеблет диффузор, а тот передаёт колебания воздуху и создаёт звук. В магнитоэлектрическом приборе сила поворачивает рамку до равновесия с упругой силой пружины, поэтому угол отклонения связан с током.

Применение силы Ампера в технических устройствах

В таблице сопоставлены элементы устройств, действие силы Ампера и получаемый результат. При чтении удобно сначала найти источник магнитного поля и проводник с током, а затем проследить, какое движение возникает. Так различаются вращение, колебание и измерительное отклонение.

Разбор задач

Задача 1. Прямой проводник длиной 20 см с током 3 А находится в поле с индукцией 0,4 Тл и перпендикулярен линиям поля. Нужно найти силу Ампера. Угол между проводником и полем равен 90°, поэтому сила будет максимальной.

1. Переведём длину: L = 20 см = 0,20 м.
2. Запишем формулу F = BIL sin α и подставим данные.
3. Получим F = 0,4 · 3 · 0,20 · sin 90° = 0,24 Н.

Ответ: сила Ампера равна 0,24 Н. Если бы проводник был направлен вдоль поля, синус угла был бы равен нулю и сила исчезла бы.

Задача 2. Нужно определить направление вращения рамки между полюсами магнита по заданным направлениям тока и поля, а затем изменить его. Сначала направление силы находят для каждой из двух противоположных сторон рамки. Именно их совместное действие, а не одна сила, задаёт вращение.

1. Положим левую ладонь так, чтобы магнитные линии входили в неё, а пальцы были направлены по току.
2. Отогнутый большой палец покажет силу на первой стороне; для второй стороны повторим построение.
3. По направлению двух сил определим момент пары: если он направлен по часовой стрелке, рамка вращается так же.
4. Для изменения вращения нужно поменять направление тока или переставить полюса магнита, то есть изменить направление поля.

Ответ: направление вращения находят по двум силам Ампера. При одновременной замене направлений тока и поля вращение не изменится.

Задача 3. Для рамки с током требуется определить момент сил по заданным параметрам. Если поле однородно, а стороны рамки перпендикулярны наиболее эффективному направлению действия поля, момент можно связать с силой на стороне и плечом пары.

1. Найдём силу на одной активной стороне: F = BIL, если проводник перпендикулярен полю.
2. Для прямоугольной рамки с длиной активной стороны L и расстоянием между силами a момент равен M = Fa.
3. Следовательно, M = BILa. При N одинаковых витках момент увеличивается в N раз: M = NBILa.
4. Если рамка повернута, нужно дополнительно учитывать угол: момент уменьшается пропорционально синусу соответствующего угла.

Ответ: сначала вычисляют силу Ампера, затем умножают её на плечо пары сил. Для многовитковой рамки используют M = NBILa в выбранной геометрии.

Типичные ошибки

Угол подставляют с неправильной тригонометрической функцией. Обычно путают угол между проводником и полем с углом между полем и нормалью к рамке. Проверьте крайние случаи: при проводнике вдоль поля F должна быть нулевой, а при перпендикулярном положении — максимальной.

Направление силы определяют по движению электронов, а не по обычному току. В правилах электродинамики ток направлен так, как двигались бы положительные заряды. Перед применением правила левой руки замените электронное направление на противоположное.

Считают, что рамку вращает только одна сила Ампера. Одна сила может сместить проводник, но вращающий момент рамки создаёт пара сил на противоположных сторонах. Проверьте, есть ли у сил плечо и действуют ли они на разные стороны.

Забывают о коллекторе и предполагают непрерывное вращение без переключения тока. После полуоборота момент без переключения изменил бы знак. Проверьте, меняется ли направление тока в обмотке в нужный момент.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны сила Ампера, магнитная индукция, направление тока, правило левой руки и момент силы. С механикой применение силы Ампера связано через пару сил, равновесие моментов, работу и мощность вращения. Дальше эти идеи используются при изучении электродвигателей, генераторов, громкоговорителей, измерительных приборов и других электрических машин.

Что запомнить

• Сила Ампера действует на проводник с током в магнитном поле.
• Модуль силы Ампера равен BIL sin α.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• Противоположные силы на рамке создают вращающий момент.
• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• Коллектор изменяет направление тока в обмотке и поддерживает вращение.
• Сила Ампера применяется также в громкоговорителях и электроизмерительных приборах.