47. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатели

Определения и обозначения

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с электрическим током. Она возникает из-за взаимодействия магнитных полей проводника и внешнего поля, а направлена перпендикулярно току и линиям поля. Для участка длиной l, расположенного перпендикулярно однородному полю, используют формулу F = BIl. Она позволяет рассчитать действие поля и понять, от чего зависит сила.

Магнитная индукция B — физическая величина, характеризующая магнитное поле и его действие на ток. В формуле силы Ампера ток I измеряют в амперах, длину участка l — в метрах, а силу F — в ньютонах; B выражают в теслах. Эти обозначения помогают подставить данные в формулу и проверить, какие величины нужно перевести в единицы СИ.

Электродвигатель — устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Его действие основано на силах, возникающих при прохождении тока по проводнику в магнитном поле. Это определение связывает изучаемое явление с работой машин, которые приводят в движение вентиляторы, насосы и другие устройства.

Как это устроено

Проводник с током окружён собственным магнитным полем. Когда его помещают в поле магнита, собственное поле проводника взаимодействует с внешним: с одной стороны действие полей усиливается, а с другой ослабляется. В результате появляется сила, которая может переместить проводник. Без тока или без внешнего магнитного поля такого взаимодействия в этой ситуации не будет.

На величину силы влияет магнитная индукция B: чем сильнее поле, тем заметнее его действие на тот же проводник с током. При увеличении силы тока I проводник создаёт более сильное собственное поле, поэтому сила Ампера также растёт. Более длинный участок l, находящийся в поле, испытывает действие на большей протяжённости, и результирующая сила становится больше. Для перпендикулярного расположения эти зависимости записываются как F = BIl.

Чтобы определить направление силы, применяют правило левой руки. Расположи левую ладонь так, чтобы линии магнитного поля входили в неё, а четыре вытянутых пальца были направлены по току; отставленный большой палец покажет направление силы. Правило работает потому, что задаёт взаимное расположение трёх направлений: поля, тока и силы. Если развернуть ток или поменять полюса магнита, направление силы изменится на противоположное.

В электродвигателе проводник обычно согнут в рамку или намотан в катушку, помещённую между полюсами магнита. На противоположные стороны рамки ток идёт в разных направлениях, поэтому силы Ампера тоже направлены противоположно. Эти силы действуют на разных сторонах рамки и создают вращение, а вместе с рамкой поворачивается вал двигателя. Чтобы рамка не остановилась после половины оборота, направление тока в ней периодически меняют.

Изменение тока обеспечивает коллектор — контактный узел, соединённый с рамкой и источником тока. Во время поворота он меняет местами соединения рамки с полюсами источника примерно через каждые пол-оборота. Из-за этого ток в сторонах рамки меняет направление, а силы Ампера снова создают вращение в прежнюю сторону. Электрическая энергия источника таким образом превращается в механическое движение вала.

Как меняется сила Ампера

Таблица показывает направление силы для двух способов изменить условия опыта. Под «изменить направление» имеется в виду развернуть ток или поменять местами магнитные полюса. Направление силы удобно сравнивать при неизменных остальных условиях.

Разбор задач

Задача. Прямой проводник длиной 0,5 м расположен перпендикулярно магнитному полю с индукцией 0,2 Тл. По нему идёт ток 3 А. Найди силу Ампера и укажи, как определить её направление, если линии поля направлены слева направо, а ток направлен вглубь листа. Сначала разделим задачу на расчёт величины и определение направления: для них нужны формула силы и правило левой руки.

1. Запишем данные: B = 0,2 Тл, I = 3 А, l = 0,5 м. Проводник перпендикулярен полю, поэтому можно использовать формулу F = BIl без дополнительных поправок. Все данные уже выражены в подходящих единицах.

2. Подставим значения: F = 0,2 · 3 · 0,5 = 0,3 Н. Проверим смысл результата: при увеличении тока, поля или длины участка сила тоже должна увеличиваться. Здесь получилась сила меньше одного ньютона, что соответствует заданным значениям.

3. Теперь определим направление. Расположим левую ладонь так, чтобы поле, направленное слева направо, входило в ладонь, а пальцы были направлены вглубь листа по току. Большой палец окажется направлен вниз, значит, вниз направлена сила Ампера.

Ответ: сила Ампера равна 0,3 Н и направлена вниз. Важно отдельно проверить, что длина задана в метрах, а проводник перпендикулярен полю. Направление нельзя получить из вычисления величины: его находят правилом левой руки.

Типичные ошибки

• Путают направление тока с направлением движения электронов. В правилах для электрического тока используют условное направление — от положительного полюса источника к отрицательному. Чтобы проверить себя, сначала обозначь именно направление тока, а уже затем располагай пальцы левой руки.

• Поворачивают ладонь так, что линии поля выходят из неё, а не входят. Ошибка появляется, если запомнить только положение пальцев, не проверяя условие для поля. Перед применением правила проследи направление линий от северного полюса магнита к южному и убедись, что они входят в ладонь.

• Подставляют длину в сантиметрах или миллиметрах без перевода в метры. Тогда число силы получается неверным, хотя вычисления могут выглядеть аккуратно. Проверь единицы перед подстановкой: например, 50 см = 0,5 м.

• Считают, что сила всегда направлена одинаково при любом токе и расположении магнита. Но при изменении направления тока или поля меняется и направление силы. Для проверки повтори правило левой руки после изменения условия, не опираясь на предыдущий ответ.

Связь с другими темами

Действие магнитного поля на проводник связывает электрический ток с магнитными явлениями: ток создаёт своё магнитное поле, а внешнее поле воздействует на ток. Это помогает увидеть, что электрические и магнитные явления не существуют отдельно друг от друга. Направление силы Ампера также использует представление о направлении тока и магнитных линиях.

Электродвигатель показывает практическое применение этой связи и дополняет изучение электрической энергии и работы тока. В отличие от нагревания проводника, здесь полезный результат — движение. Знание силы Ампера позволяет объяснить работу устройств, в которых электрический ток приводит в движение детали.

Что запомнить

• Магнитное поле действует на проводник, если по нему проходит ток; возникающую силу называют силой Ампера.

• Для прямого участка, перпендикулярного полю, F = BIl. Сила возрастает при увеличении B, I или l.

• Направление силы находят правилом левой руки: поле входит в ладонь, пальцы направлены по току, большой палец показывает силу.

• В электродвигателе силы на сторонах рамки создают вращение, а коллектор меняет направление тока, чтобы вращение продолжалось.

• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.