§ 5. Применение закона Ампера. Громкоговоритель

Определения и обозначения

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её модуль вычисляют по формуле F = BIl sin α, где F — сила, B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина участка проводника в поле, α — угол между направлением тока и магнитным полем. Формула показывает, от каких условий зависит действие поля и как найти его численное значение.

Громкоговоритель — устройство, преобразующее электрические колебания звуковой частоты в звуковые волны. Электрический сигнал сам по себе не заставляет воздух колебаться так, чтобы звук можно было услышать, поэтому в приборе нужна подвижная часть. Громкоговоритель связывает изменения электрического сигнала с движением этой части.

Катушка громкоговорителя — проводник с током, помещённый в магнитное поле; сила Ампера действует на её витки. Катушка состоит из провода, уложенного витками, поэтому на неё действует магнитное поле, когда по проводу течёт ток. Именно перемещение катушки служит началом механического движения в громкоговорителе.

Диффузор — подвижная часть громкоговорителя, которая колеблется вместе с катушкой и передаёт колебания окружающему воздуху. Его движение меняет давление воздуха рядом с прибором. Благодаря этому электрический сигнал становится распространяющимся звуковым колебанием.

Как это устроено

Постоянный магнит создаёт магнитное поле в зазоре, где расположена катушка громкоговорителя. Когда по проводу катушки идёт ток, его витки оказываются проводниками с током в магнитном поле. На них действует сила Ампера, потому что поле влияет на движущиеся электрические заряды в проводе; в результате возникает сила, способная перемещать катушку.

Направление силы Ампера зависит от направления тока и магнитного поля. Если направление одного из них изменить, сила тоже направится в противоположную сторону. Поэтому переменный ток, который периодически меняет направление, заставляет катушку двигаться попеременно в разные стороны, а не только смещаться в одну сторону.

Катушка соединена с диффузором, поэтому при движении катушки движется и диффузор. Когда диффузор перемещается вперёд, он сжимает воздух перед собой; когда отходит назад, давление в этой области уменьшается. Так движение детали создаёт чередование сжатий и разрежений, которое передаётся соседним слоям воздуха.

Частота колебаний диффузора определяется частотой переменного тока: сила Ампера меняет направление с той же периодичностью, что и ток. Сила тока влияет на величину силы Ампера, поэтому при прочих равных более сильный ток вызывает более заметное движение катушки и диффузора. Размах этого движения называют амплитудой; он связан с громкостью, тогда как частота связана с высотой звука.

Двигающийся диффузор создаёт в воздухе звуковую волну — распространяющиеся изменения давления. Воздух передаёт колебания от одной области к другой, и волна доходит до слушателя. Так электрический сигнал приводит в движение катушку, затем диффузор, а его механические колебания становятся слышимым звуком.

Как параметры тока влияют на работу громкоговорителя

В таблице можно проследить путь от изменения электрического сигнала к движению деталей и результату для звука. Сначала определите, какой параметр изменился, затем найдите его действие на катушку. Не смешивайте частоту колебаний с их амплитудой: это разные характеристики.

Разбор задач

Задача 1. На прямой участок провода длиной 4 см в магнитном поле с индукцией 0,20 Тл действует сила Ампера. Ток 0,50 А направлен перпендикулярно магнитному полю. Найдите силу.

1. Запишем формулу F = BIl sin α. Здесь ток перпендикулярен полю, поэтому α = 90° и sin α = 1.
2. Переведём длину в единицы СИ: 4 см = 0,04 м. Подставим данные: F = 0,20 · 0,50 · 0,04 · 1 = 0,004 Н.
3. Проверим размерность: произведение индукции, тока и длины даёт ньютон. Значит, результат выражен в единицах силы.

Ответ: 0,004 Н.

Задача 2. На участок провода длиной 5 см в поле с индукцией 0,30 Тл действует сила 0,015 Н. Ток направлен перпендикулярно полю. Найдите силу тока.

1. Используем F = BIl sin α. Так как угол равен 90°, sin α = 1, и формула упрощается до F = BIl.
2. Выразим ток: I = F / (Bl). Переведём длину: 5 см = 0,05 м. Подставим числа: I = 0,015 / (0,30 · 0,05) = 1 А.
3. Проверим расчёт: 0,30 · 0,05 = 0,015, поэтому сила 0,015 Н действительно получается при токе 1 А.

Ответ: 1 А.

Задача 3. В катушке громкоговорителя ток изменил направление. Объясните, как изменится действие магнитного поля на катушку и почему диффузор продолжит создавать звук.

1. При неизменном направлении магнитного поля смена направления тока меняет направление силы Ампера. Поэтому катушка начнёт двигаться в противоположную сторону.
2. Катушка соединена с диффузором и передаёт ему своё движение. Когда ток снова изменит направление, сила и движение снова поменяются.
3. Такие повторяющиеся движения создают чередование сжатия и разрежения воздуха. Оно распространяется как звуковая волна, поэтому диффузор продолжает создавать звук.

Ответ: сила Ампера меняет направление, катушка и диффузор колеблются, а колебания воздуха образуют звук.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что сила Ампера всегда направлена одинаково. Её направление зависит от направлений тока и магнитного поля, поэтому при изменении одного из них сила может развернуться. Ошибку допускают, представляя поле как постоянное действие без учёта направления тока. Проверьте себя: если развернуть направление тока при неизменном поле, направление силы должно измениться.

Ошибка — подставлять в формулу угол между проводником и силой. В выражении F = BIl sin α угол α отсчитывают между направлением тока и магнитным полем, а не между проводником и действующей на него силой. Путаница возникает из-за того, что речь в задаче часто идёт о проводнике. Перед вычислением отметьте именно два направления, между которыми задан угол.

Ошибка — думать, что диффузор сам преобразует электрический сигнал в звук. Сначала ток в магнитном поле создаёт силу Ампера, которая перемещает катушку, и только через её соединение начинает двигаться диффузор. Причина ошибки — пропуск промежуточного звена в цепочке. Для проверки назовите всю последовательность: ток, сила, катушка, диффузор, колебания воздуха.

Ошибка — путать частоту звука с амплитудой колебаний. Частота связана с частотой переменного тока, а амплитуда зависит, в частности, от силы тока и определяет размах движения. Их смешивают, потому что обе характеристики относятся к колебаниям. Спросите себя: изменилось число колебаний за секунду или их размах?

Связь с другими темами

Для понимания громкоговорителя нужны знания о силе Ампера: её модуле и направлении, которое определяют по правилу левой руки. Эта сила связывает электрический ток с механическим движением катушки. Далее тема соединяется с колебаниями и звуковыми волнами: движение диффузора вызывает колебания давления, распространяющиеся в воздухе. Принцип пригодится при изучении преобразования электрических сигналов в звук и устройства электроакустических приборов.

Что запомнить

• На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
• Модуль силы Ампера зависит от B, I, длины проводника в поле и угла между током и магнитным полем.
• В громкоговорителе катушка с током находится в магнитном поле постоянного магнита.
• Переменный ток вызывает изменение направления силы и колебания катушки.
• Катушка передаёт колебания диффузору.
• Колеблющийся диффузор создаёт звуковую волну.