Лабораторная работа №15 Изучение действия магнитного поля на проводник с током

Определения и обозначения

Проводник с током — проводник, по которому движутся заряженные частицы; в работе его помещают в магнитное поле. Это может быть, например, металлический провод, подключённый к источнику тока. Такое понятие нужно, чтобы отличать опыт с включённой цепью от случая, когда ток не течёт.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её действие замечают по отклонению проводника, а не видят непосредственно. Это название помогает связать наблюдаемое движение с причиной: взаимодействием тока и магнитного поля.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её направление совпадает с направлением магнитных линий. Векторная величина имеет и значение, и направление. Знание направления поля необходимо, чтобы применить правило левой руки и предсказать, куда подействует сила.

Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера: линии поля входят в ладонь, четыре пальца направлены по условному току, а отогнутый на 90° большой палец показывает силу. Оно превращает три направления в понятную проверку. Пользуйся именно условным направлением тока, а не направлением движения электронов.

Как это устроено

Чтобы подготовить установку, проводник располагают между полюсами магнита и подключают к источнику тока. Между полюсами есть магнитное поле, поэтому проводник оказывается в области его действия. При этом важно, чтобы проводник мог отклоняться: если он закреплён неподвижно, движение будет трудно заметить. До включения цепи запомни его положение, чтобы было с чем сравнить результат.

При замыкании цепи по проводнику начинает идти ток, и он отклоняется. Причина в том, что магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы, а через них — на весь проводник. Возникающее действие называют силой Ампера. Если цепь разомкнуть, ток прекратится, поэтому наблюдаемое отклонение исчезнет.

Чтобы установить направление силы, сначала выясни, куда направлен условный ток, а затем определи направление магнитного поля между полюсами. После этого расположи левую руку так, чтобы линии поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали вдоль тока. Большой палец, отогнутый под прямым углом, укажет направление силы Ампера. Если руку расположить неверно, ответ тоже окажется неверным, поэтому проверь оба направления до применения правила.

Если изменить направление тока, проводник отклонится в противоположную сторону при прежнем направлении поля. Это происходит потому, что направление силы Ампера зависит от направления тока: в правиле левой руки пальцы нужно направить уже в другую сторону. Вернув прежнее направление тока, ты восстановишь первоначальное направление силы и отклонения. Для честного сравнения остальные условия опыта оставляют без изменений.

Если переставить полюса магнита, направление магнитного поля станет противоположным, а направление отклонения также изменится. При этом ток в проводнике сам по себе не меняется: он задаётся подключением источника. В правиле левой руки теперь нужно развернуть ладонь так, чтобы в неё входили линии нового направления поля. Если одновременно перевернуть и ток, и поле, направление силы останется прежним, потому что изменились оба условия.

Наблюдения при изменении направления тока и магнитного поля

В таблице исходные направления условны: конкретно «вправо» или «влево» зависит от того, как собрана установка. Запиши направление отклонения в первом опыте, а в остальных сравнивай с ним. Меняя за раз только ток или только поле, можно связать каждое изменение с результатом.

Разбор задач

Как обнаружить действие поля

Условие. Соберите установку по описанию, замкните цепь и укажите, по какому наблюдению можно установить действие магнитного поля на проводник.

1. До включения цепи отметьте положение проводника, чтобы определить его начальное состояние.
2. Замкните цепь и посмотрите, изменилось ли положение проводника. Сравнение нужно, потому что само наличие магнита ещё не показывает, что проводник пришёл в движение.
3. Если проводник отклонился, свяжите это с действием магнитного поля на проводник с током.

Ответ. Действие поля обнаруживают по отклонению проводника после включения тока. Его положение сравнивают с положением до замыкания цепи.

Изменение направления тока

Условие. После изменения направления тока проводник отклонился в другую сторону. Объясните результат и предскажите, что произойдёт при возвращении прежнего направления тока.

1. Проверьте, что направление магнитного поля осталось прежним: в задаче изменён только ток.
2. Сделайте вывод, что при смене направления тока меняется направление силы Ампера, поэтому проводник отклоняется противоположно.
3. При возвращении прежнего тока направление силы вновь станет первоначальным, если остальные условия опыта не менялись.

Ответ. Отклонение развернулось из-за смены направления тока. После его возвращения проводник будет отклоняться в исходную сторону.

Направление силы и перестановка полюсов

Условие. Известны направления магнитного поля и тока в проводнике. Определите направление силы Ампера, а затем укажите, как изменится результат, если переставить полюса магнита.

1. Уточните направление условного тока и магнитных линий: без них направление силы определить нельзя.
2. Расположите левую руку так, чтобы линии поля входили в ладонь, а пальцы указывали по току. Большой палец покажет направление силы Ампера.
3. После перестановки полюсов поле изменится на противоположное, а направление тока останется прежним. Поэтому сила и отклонение будут направлены противоположно.

Ответ. Первоначальное направление силы показывает большой палец левой руки. При перестановке полюсов проводник отклонится в другую сторону.

Типичные ошибки

Путают направление условного тока с направлением движения электронов. Это происходит потому, что слова «ток» и «движение зарядов» легко принять за одно и то же направление. В правиле левой руки пальцы направляют по условному току, который задаётся направлением тока в цепи. Проверь себя: не подставил ли ты вместо него направление электронов.

Иногда левую руку поворачивают так, что магнитные линии выходят из ладони. Путаница возникает, если сначала думать о положении пальцев, а не проверить, куда направлено поле. По правилу линии должны входить в ладонь, а пальцы — смотреть вдоль тока. Перед тем как определить силу, проверь эти два условия отдельно.

При перестановке полюсов магнита ошибочно считают, что изменился и ток. На деле полюса задают направление магнитного поля, а направление тока определяется подключением источника. Ошибку легко проверить: запиши, какое условие изменяли в этом опыте. Если провода и источник не переподключали, направление тока осталось прежним.

Ещё одна ошибка — делать вывод о причине отклонения, не выяснив, что изменили в установке. Если одновременно поменять ток и поле, результат нельзя уверенно приписать только одному из этих факторов. Для сравнения меняй по одному условию, а остальные оставляй неизменными. Самопроверка проста: сопоставь записи опытов и найди, изменилось ли в каждой паре только одно условие.

Связь с другими темами

Для этой работы нужно знать, что такое электрический ток и как определить его направление в цепи. Также пригодится умение распознавать полюса магнита и устанавливать направление магнитного поля между ними. Эти знания позволяют правильно расположить руку и объяснить наблюдение, а не просто заметить движение проводника. Выводы опыта помогают понять взаимодействие магнитного поля с током и подготовиться к изучению устройства электродвигателя.

Что запомнить

• Магнитное поле действует на проводник, если по нему идёт ток.
• Действие силы Ампера можно обнаружить по отклонению проводника.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• При изменении направления тока направление силы Ампера меняется.
• При изменении направления магнитного поля направление силы Ампера меняется.
• В опыте важно менять только одно условие за раз.