"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Магнитное взаимодействие возникает между движущимися зарядами и проводниками с током и передаётся через магнитное поле. Оно объясняет, почему параллельные токи могут притягиваться или отталкиваться, а поле — действовать на проводник с током. Главную характеристику поля называют магнитной индукцией и обозначают B. Сила Ампера зависит от тока, длины проводника, значения B и угла между током и полем; её направление находят правилом левой руки.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное взаимодействие — взаимодействие движущихся электрических зарядов и проводников с током. Оно проявляется, например, в том, что токи могут притягиваться или отталкиваться. Это понятие помогает объяснить действие тока на другой ток не как непосредственное соприкосновение, а как физическое взаимодействие на расстоянии.
Магнитное поле — форма материи, посредством которой осуществляется магнитное взаимодействие. Его создают движущиеся заряды, а действует оно на движущиеся заряды и токи. Представление о поле позволяет описывать, каким образом один ток влияет на другой.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле и его действие на ток. Её обозначают B, а единицей измерения служит тесла (Тл). Значение и направление B нужны, чтобы находить силу, действующую на проводник.
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Для прямого участка её модуль выражается формулой F = BIl sin α, где I — сила тока, l — длина участка, а α — угол между током и полем. Формула показывает, какие величины нужно знать, чтобы рассчитать магнитное действие.
В опыте два параллельных проводника с током подвешивают так, чтобы они могли свободно смещаться. Если токи направлены одинаково, проводники сближаются; если токи направлены противоположно, они расходятся. Меняя направление тока в одном проводнике, можно изменить результат опыта, потому что изменяется направление магнитного действия.
Причина взаимодействия в том, что каждый ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Это поле действует на заряды, движущиеся во втором проводнике, и создаёт силу, приложенную к нему. Поэтому токи взаимодействуют через поля, а не потому, что проводники непосредственно воздействуют друг на друга.
Сила Ампера становится больше, если увеличить магнитную индукцию, силу тока или длину участка провода, находящегося в поле. Для прямого участка это следует из зависимости F = BIl sin α: при неизменных остальных величинах рост любого из множителей B, I или l увеличивает силу. Угол тоже важен, поскольку вклад ориентации проводника задаёт множитель sin α.
Чтобы определить направление силы, пользуются правилом левой руки. Ладонь располагают так, чтобы магнитное поле входило в неё, а вытянутые пальцы были направлены по условному току; отогнутый большой палец указывает направление силы Ампера. Следовательно, для ответа нужно отдельно установить направление поля и направление тока, а не принимать одно за другое.
Магнитная индукция задаёт и величину, и направление магнитного действия. В формуле угол α отсчитывается между направлением тока и линиями поля: при перпендикулярном расположении sin α = 1, поэтому сила максимальна. При параллельном расположении sin α = 0 и сила Ампера на прямой проводник не действует.
Сопоставляй в таблице направление тока или положение проводника с результатом действия поля. В последнем столбце указано, какие направления нужно учитывать, чтобы предсказать притяжение, отталкивание или силу. Для расчёта модуля силы дополнительно используют формулу F = BIl sin α.
| Ситуация | Результат взаимодействия или действия | От чего зависит направление |
|---|---|---|
| Параллельные токи направлены одинаково | Проводники притягиваются | От направления токов в обоих проводниках |
| Параллельные токи направлены противоположно | Проводники отталкиваются | От противоположных направлений токов |
| Проводник с током перпендикулярен магнитному полю | Сила Ампера максимальна при заданных B, I и l | От направлений тока и магнитного поля |
| Проводник с током параллелен магнитному полю | Сила Ампера равна нулю | Направление силы отсутствует, так как сила равна нулю |
Два параллельных проводника проводят токи в одном направлении. Нужно определить, притягиваются они или отталкиваются. Здесь не требуются численные данные: достаточно сопоставить направления токов.
Ответ: проводники притягиваются.
На прямой проводник длиной 0,20 м действует сила 0,12 Н. Сила тока равна 3,0 А, проводник перпендикулярен полю. Найдём магнитную индукцию. Перпендикулярность означает, что α = 90° и sin α = 1.
Ответ: B = 0,20 Тл.
Проводник длиной 0,40 м с током 5,0 А находится в однородном поле с индукцией 0,30 Тл под углом 30° к линиям поля. Найдём модуль силы и зададим направления: пусть ток направлен вверх, а поле — вправо. Если в условии направления заданы иначе, правило левой руки применяют к ним, не меняя способа расчёта модуля.
Ответ: F = 0,30 Н; для выбранных направлений сила направлена вглубь страницы.
Ошибка: считать, что любые параллельные токи притягиваются. Так можно решить, запомнив только один результат опыта и не учитывая направление второго тока. Проверь себя: если направления токов противоположны, проводники отталкиваются.
Ошибка: путать направление магнитного поля и направление силы Ампера. Поле и ток задают силу, но не совпадают с ней по направлению; силу находят правилом левой руки. Для проверки отдельно отметь стрелку поля, стрелку тока и направление большого пальца.
Ошибка: использовать формулу F = BIl, не учитывая угол. Такая запись подходит только при перпендикулярном расположении проводника и поля. Проверь условие и используй полную формулу F = BIl sin α.
Ошибка: направлять силу вдоль проводника или вдоль магнитного поля. В рассматриваемом случае сила Ампера перпендикулярна и току, и полю. Проверь результат правилом левой руки: большой палец должен быть поперечен двум другим направлениям.
Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, его направлении и силе, а также умение работать с векторами. Эти понятия позволяют задать ток в проводнике и установить направление величин, участвующих во взаимодействии.
Представление о магнитном поле становится основой для изучения действия поля на отдельные движущиеся заряды и движения заряженных частиц. Сила, действующая на проводник, показывает магнитное действие тока в целом.
Магнитное взаимодействие важно и для понимания работы электродвигателей и других устройств. В них токи взаимодействуют с магнитным полем, а возникающая сила приводит детали в движение.
Почему два проводника с током могут притягиваться или отталкиваться?
Каждый ток создаёт вокруг проводника магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Направления токов определяют, будет результирующее взаимодействие притягивающим или отталкивающим.
Почему параллельные токи одного направления притягиваются?
Поле, создаваемое каждым проводником, действует на ток в соседнем проводнике. Если токи направлены одинаково, силы Ампера направлены так, что проводники сближаются.
От чего зависит сила Ампера?
Для прямого участка проводника её модуль равен F = BIl sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина участка, α — угол между током и полем. Поэтому сила увеличивается при росте B, I или l и зависит от угла.
Как определить направление силы, действующей на проводник с током?
Используй правило левой руки: расположи левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а вытянутые пальцы указывали направление тока. Отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Когда сила Ампера наибольшая, а когда она равна нулю?
При заданных B, I и l сила наибольшая, когда проводник перпендикулярен магнитному полю: sin α = 1. Если ток направлен параллельно полю, α равен 0° или 180°, поэтому сила равна нулю.
§17. Магнитное взаимодействие
