§ 62 Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель

Определения и обозначения

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её направление и действие зависят от направления тока, направления магнитного поля и положения проводника относительно его линий. Это понятие помогает объяснить, почему провод с током может отклоняться и как возникает вращение в электродвигателе.

Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера, зная направления тока и магнитного поля. Левую руку располагают так, чтобы линии поля входили в ладонь, а вытянутые пальцы указывали направление условного тока; отогнутый большой палец покажет силу. Правило нужно, чтобы заранее понять, в какую сторону начнёт двигаться проводник.

Электрический двигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую благодаря действию магнитного поля на проводник с током. В простейшем случае внутри поля вращается рамка, соединённая с источником тока. Двигатель нужен там, где электричество должно приводить в движение механизм или вращать вал.

Коллектор — устройство, которое изменяет направление тока в рамке двигателя при её повороте. Обычно он состоит из частей, соединённых с рамкой, и контактов, через которые подводится ток. Коллектор нужен, чтобы после каждого полуоборота силы продолжали вращать рамку в прежнюю сторону.

Как это устроено

Проводник с током взаимодействует с магнитным полем, потому что движущиеся в нём электрические заряды создают собственное магнитное поле. Оно накладывается на внешнее поле и взаимодействует с ним, поэтому на проводник действует сила. Это действие можно обнаружить, поместив провод с током между полюсами магнита: проводник отклонится. Без тока такого действия на проводник со стороны магнитного поля в этом опыте не будет.

Чтобы найти направление силы, сначала определяют, куда направлены линии магнитной индукции и куда течёт условный ток. Затем левую руку располагают так, чтобы поле входило в ладонь, а пальцы были направлены по току. Большой палец, отогнутый перпендикулярно пальцам, показывает направление силы Ампера. Направление движения электронов не подставляют вместо направления тока: в правилах используют принятое условное направление тока.

Если изменить направление только тока, сила Ампера станет направлена в противоположную сторону; то же произойдёт, если развернуть магнитное поле, поменяв местами полюса магнита. Когда одновременно изменить и ток, и поле, направление силы останется прежним. На действие влияет и положение проводника: при перпендикулярном расположении к линиям поля оно наиболее заметно, а вдоль линий сила Ампера не действует. Поэтому важно учитывать не только направления, но и угол между проводником и полем.

Рамка с током поворачивается потому, что на её противоположные стороны, находящиеся в магнитном поле, действуют силы Ампера. Их направления различаются: одна сторона толкается в одну сторону, другая — в противоположную. Поскольку силы приложены к разным сторонам рамки, они создают вращающее действие, а не просто перемещают рамку целиком. Поворот продолжается, пока действующие силы сохраняют нужное направление относительно рамки.

В простейшем электродвигателе рамка находится между полюсами магнита, а её концы соединены с коллектором и источником тока. Коллектор контактирует с неподвижными щётками, которые подводят ток к вращающейся рамке. После каждого полуоборота коллектор меняет направление тока в рамке, поэтому силы Ампера на её сторонах меняются так, что вращение продолжается в прежнюю сторону. Без этой смены рамка могла бы остановиться или начать поворачиваться обратно.

Действие магнитного поля на проводник с током

Пользуйтесь таблицей, сначала определив расположение проводника и направления тока и поля. Затем выберите подходящую строку и проверьте, не изменилось ли одно из направлений. Для точного указания стороны отклонения примените правило левой руки.

Разбор задач

Направление силы на прямой проводник

Условие. Между полюсами магнита расположен прямой проводник; известны направления тока и магнитного поля. Нужно указать, куда направлена сила Ампера. Числовых данных здесь не требуется: важно правильно применить правило левой руки.

1. Определяем направление магнитного поля: вне магнита линии идут от северного полюса к южному. Уточняем по условию, куда направлен условный ток в проводнике.
2. Раскрываем левую ладонь так, чтобы линии поля входили в неё, и направляем вытянутые пальцы по току. Если ладонь и пальцы расположены правильно, отгибаем большой палец под прямым углом.
3. Смотрим, куда указывает большой палец: это направление силы, действующей на проводник. Если при проверке перепутать вход и выход линий поля или взять движение электронов, ответ получится противоположным.

Ответ. Сила направлена туда, куда указывает отогнутый большой палец левой руки. Без заданных направлений тока и поля назвать конкретную сторону (например, вверх или вниз) невозможно.

Перемена полюсов магнита

Условие. Проводник с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. Полюса магнита меняют местами; требуется определить, как изменится сила Ампера. Направление тока и положение проводника при этом остаются прежними.

1. При перестановке полюсов направление магнитного поля меняется на противоположное. Ток в проводнике, согласно условию, не меняется.
2. Снова применяем правило левой руки: поле теперь входит в ладонь с противоположной стороны, а пальцы по-прежнему направлены по току. Поэтому большой палец укажет противоположное направление.
3. Сравниваем результат с исходным: сила не исчезает, а меняет направление. Если величина тока и сила магнитного поля прежние, изменится именно направление отклонения.

Ответ. При перемене полюсов магнитное поле обращается, поэтому сила Ампера направлена противоположно прежней. Проводник отклонится в другую сторону.

Вращение рамки и роль коллектора

Условие. Рамка с током находится в магнитном поле и соединена с источником через коллектор. Нужно объяснить, почему она вращается и почему не останавливается после каждого полуоборота. Ответ строится на направлениях сил, а не на механическом толчке извне.

1. На две противоположные стороны рамки, по которым ток течёт в разных направлениях, действуют силы Ампера. Эти силы направлены противоположно и приложены в разных местах.
2. Такое действие поворачивает рамку вокруг оси. По мере поворота её стороны меняют положение относительно поля, поэтому без переключения тока вращение не могло бы постоянно поддерживаться в прежнем направлении.
3. После полуоборота коллектор меняет направление тока в рамке. Вместе с током меняются направления сил на её сторонах, и их вращающее действие снова направлено так, чтобы продолжить поворот.

Ответ. Рамку вращают силы Ампера на её противоположных сторонах. Коллектор меняет ток после каждого полуоборота и тем самым поддерживает вращение в одну сторону.

Типичные ошибки

Путать направление тока с движением электронов — значит неверно задать направление пальцев в правиле левой руки. Такое случается, потому что электроны движутся противоположно условному направлению тока. Для проверки вспомните: в правилах и схемах используют условное направление тока, от плюса источника к минусу во внешней цепи.

Определять силу Ампера правилом правой руки — ошибка: для этой силы используют именно левую руку. Путаница возникает потому, что в физике есть несколько правил для разных явлений. Перед решением уточните, что требуется найти: направление силы на проводник, а не направление магнитного поля вокруг тока.

Считать, что разворот только тока или только магнитного поля не изменит направление силы, неверно. При изменении любого одного из этих направлений сила Ампера обращается, поскольку меняется один из факторов, задающих её направление. Проверьте себя повторным построением левой руки для новых направлений; если большой палец указывает в другую сторону, вывод сделан правильно.

Считать, что коллектор лишь подводит ток к рамке, значит упустить его главную роль в поддержании вращения. Контакты действительно передают ток, но сам коллектор при повороте рамки меняет его направление. Чтобы проверить объяснение работы двигателя, спросите себя, что происходит с током после полуоборота: если переключение не учтено, описание неполное.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь определять направление его линий. Она непосредственно связана с магнитными полями постоянных магнитов и проводника с током: в двигателе эти поля взаимодействуют и вызывают движение. Понимание работы электродвигателя пригодится при изучении электрических машин и преобразования энергии. Тот же принцип помогает объяснить, как электрическая энергия может приводить в движение механизмы.

Что запомнить

• Магнитное поле действует на проводник, по которому течёт ток.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• Если изменить направление тока или магнитного поля, направление силы изменится на противоположное.
• При расположении проводника вдоль линий магнитного поля сила Ампера не действует.
• Силы Ампера на сторонах рамки с током могут вызвать её вращение.
• В электродвигателе электрическая энергия преобразуется в механическую.
• Коллектор меняет направление тока в рамке, поддерживая её вращение.