§ 36 Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Определения и обозначения

Действие магнитного поля на проводник с током — механическое воздействие, из-за которого проводник может отклоняться или перемещаться. Такое движение служит наблюдаемым признаком наличия магнитного поля. Если проводник не смещается, это ещё не означает полного отсутствия поля: ток и взаимное направление поля могут быть неподходящими.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Она объясняет, почему проводник начинает двигаться после замыкания цепи. Направление этой силы нужно знать, чтобы предсказать движение проводника.

Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям магнитного поля и электрического тока. Ладонь, пальцы и большой палец служат простыми ориентирами. С их помощью направление силы находят без сложных вычислений.

Проводник с током — проводник, по которому движутся заряженные частицы и на который может действовать магнитное поле. В школьных задачах обычно рассматривают прямой участок провода. Для обозначения направления используют условное направление тока — движение положительных зарядов.

Как это устроено

Чтобы обнаружить магнитное поле, прямой проводник помещают между полюсами магнита и соединяют с источником тока. Пока цепь разомкнута, проводник остаётся в покое, а после замыкания отклоняется или начинает перемещаться. Причина движения в том, что магнитное поле действует на движущиеся заряды внутри проводника, а их общее действие передаётся всему проводу. Значит, движение проводника можно использовать как признак магнитного поля.

Магнитное поле действует именно на проводник с током, потому что ток связан с направленным движением зарядов. В обычном неподвижном проводнике заряды тоже движутся хаотически, но их действия взаимно компенсируются. При появлении тока возникает согласованное движение зарядов, и магнитное поле создаёт заметную силу для всего проводника. Поэтому после размыкания цепи механическое действие исчезает.

Величина силы Ампера зависит от силы тока, длины участка проводника и самого магнитного поля. Чем больше ток или длиннее часть провода, находящаяся в поле, тем заметнее действие при прочих равных условиях. Важен также угол между проводником и линиями поля. Направление силы при этом определяется сразу двумя направлениями: тока и магнитного поля.

Если проводник расположен параллельно линиям магнитного поля, поле не отклоняет его в сторону, поэтому сила Ампера отсутствует. При перпендикулярном расположении действие проявляется наиболее сильно: проводник пересекает линии поля под прямым углом. Для определения направления поля вне магнита используют правило от северного полюса к южному. Затем применяют правило левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца направлены по току, а большой палец показывает силу.

Действие магнитного поля на проводник с током

Сначала найдите в таблице, какие направления уже известны: ток, поле или движение. Затем сопоставьте их с положением левой руки. Таблица особенно полезна как краткий алгоритм при решении задач с магнитом и проводником.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Между полюсами магнита поместили проводник. При замыкании цепи проводник отклонился, а после размыкания вернулся в исходное положение. Нужно сделать вывод о причине движения. Наблюдение повторяется при включении и исчезает при отключении.

1. При замыкании цепи по проводнику начинает идти ток.
2. Проводник находится в магнитном поле магнита, поэтому поле действует на движущиеся заряды.
3. Общее действие на заряды проявляется как сила Ампера и отклоняет проводник.

Ответ. Опыт доказывает действие магнитного поля на проводник с током. После размыкания ток исчезает, поэтому исчезает и сила Ампера.

Задача 2

Условие. Прямой проводник расположен между полюсами магнита: северный полюс слева, южный справа, ток направлен вверх. Требуется определить направление силы Ампера. Стороны задачи заданы так, чтобы можно было применить правило левой руки.

1. Вне магнита линии поля направлены от северного полюса к южному, то есть слева направо.
2. Повернём левую ладонь так, чтобы линии поля входили в неё, а четыре пальца были направлены вверх по току.
3. Отставленный большой палец покажет направление силы — вглубь страницы.

Ответ. Сила Ампера направлена от наблюдателя, вглубь страницы. Если изменить направление тока, большой палец укажет противоположную сторону.

Задача 3

Условие. Проводник с током движется вправо под действием магнитного поля. Нужно выяснить, что произойдёт после изменения направлений. Рассмотрим отдельно замену направления тока и одновременную замену тока и полюсов магнита.

1. При изменении только тока четыре пальца левой руки направляются в обратную сторону.
2. Положение поля сохраняется, поэтому большой палец также меняет направление.
3. Если одновременно изменить ток и поле, оба исходных направления меняются на противоположные, и результат их совместного действия может остаться прежним.

Ответ. При изменении одного направления проводник будет двигаться влево. При одновременной смене направления тока и магнитного поля направление силы Ампера сохранится, поэтому движение останется направленным вправо.

Типичные ошибки

Путают направление условного тока с движением электронов. Электроны в металлическом проводнике движутся противоположно принятому направлению тока, поэтому такая ошибка меняет ответ. Проверяйте себя: в правиле левой руки пальцы направляют по току, а не по электронам.

Иногда ладонь направляют к северному полюсу. Это неверно: вне магнита линии поля идут от северного полюса к южному и должны входить в ладонь. Перед использованием правила сначала найдите именно направление линий поля.

Путают левую и правую руку или направляют большой палец по току. Причина ошибки — попытка запомнить только положение пальцев без их ролей. Проверьте три условия: левая ладонь принимает поле, четыре пальца показывают ток, большой палец показывает силу.

Считают, что поле всегда перемещает проводник. При отключённом токе сила Ампера не возникает, а при параллельном расположении проводника и поля она равна нулю. Поэтому сначала проверьте наличие тока и угол между проводником и линиями поля.

Связь с другими темами

Для понимания параграфа нужны знания о магнитах, их полюсах и линиях магнитного поля. Без этого нельзя правильно определить направление поля между полюсами.

Также важно уметь находить направление электрического тока в цепи. Ток создаёт собственное магнитное поле, а внешнее магнитное поле действует на движущиеся заряды в проводнике.

Правило левой руки понадобится при изучении рамки с током и электродвигателя. Позже оно поможет понять действие силы Лоренца и принцип работы магнитных устройств в технике.

Что запомнить

• Магнитное поле обнаруживают по его действию на проводник с током.
• Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.
• Сила Ампера возникает только при наличии тока и магнитного поля.
• Направление силы Ампера зависит от направлений тока и магнитного поля.
• Правило левой руки позволяет определить направление силы Ампера.
• При изменении направления тока или магнитного поля направление силы Ампера изменяется.
• При параллельном расположении проводника и магнитного поля сила Ампера не действует.