"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Сила Ампера действует на проводник с током, помещённый в магнитное поле. Её направление находят по правилу левой руки, а величина зависит от силы тока, длины проводника, магнитной индукции и угла между током и полем. Сила перпендикулярна току и магнитному полю, равна нулю при их совпадении и максимальна при перпендикулярном расположении.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле. Она возникает из-за взаимодействия магнитного поля с движущимися зарядами внутри проводника. Это понятие нужно, чтобы объяснять отклонение проводников и работу электродвигателей.
Направление силы Ампера — направление действия этой силы на проводник. Оно показывает, куда начнёт двигаться или изгибаться проводник, если его не удерживать. Направление находят по взаимному расположению тока и магнитного поля.
Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям тока и магнитной индукции. Ладонь, пальцы и большой палец располагают определённым образом. Правило заменяет сложное мысленное представление взаимодействия поля с током.
Угол между направлением тока и магнитной индукцией — угол α, от которого зависит действие магнитного поля на проводник. Модуль силы выражается формулой F = BIl sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника. Поэтому одинаковые токи в одном поле могут испытывать разные силы.
В металлическом проводнике ток создаётся направленным движением заряженных частиц. Магнитное поле действует на движущиеся заряды, поэтому их суммарное воздействие передаётся всему проводнику и проявляется как сила Ампера. Её действие зависит от магнитной индукции B, силы тока I, длины участка l и угла α между током и полем: F = BIl sin α.
Сила не направлена ни вдоль проводника, ни вдоль линий магнитного поля. Магнитное действие на движущийся заряд связано сразу с его движением и полем, поэтому результат оказывается поперечным к обоим направлениям. Для прямого проводника в однородном поле сила Ампера перпендикулярна направлению тока и вектору магнитной индукции.
Чтобы применить правило левой руки, расположите левую ладонь так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь. Четыре вытянутых пальца направьте по току в проводнике. Отставленный большой палец покажет направление силы Ампера, то есть направление, в котором поле стремится переместить проводник.
Если изменить направление тока, меняется направление воздействия движущихся зарядов, поэтому сила становится противоположной. То же происходит при изменении направления магнитного поля: достаточно поменять местами полюса магнита. Если одновременно поменять и ток, и поле, два изменения компенсируют друг друга, и направление силы останется прежним.
При расположении проводника вдоль линий поля угол α равен 0° или 180°, поэтому sin α = 0 и сила отсутствует. При произвольном наклоне действует только составляющая магнитного поля, перпендикулярная проводнику. Наибольшее значение силы получается при α = 90°, когда проводник перпендикулярен линиям поля и sin α = 1.
| Условие | Взаимное направление тока и магнитной индукции | Направление силы Ампера | Действие силы |
|---|---|---|---|
| Проводник перпендикулярен линиям магнитного поля | Ток и поле образуют угол 90° | Перпендикулярно проводнику и линиям поля | Сила максимальна: F = BIl |
| Проводник расположен вдоль линий магнитного поля | Ток и поле параллельны | Направление не проявляется, так как F = 0 | Проводник не отклоняется силой Ампера |
| Проводник расположен под произвольным углом к линиям поля | Угол α имеет промежуточное значение | Перпендикулярно взаимным направлениям тока и поля | F = BIl sin α |
| Изменено направление тока | Направление тока противоположно прежнему | Меняется на противоположное | Проводник движется в обратную сторону |
| Изменено направление магнитного поля | Направление поля противоположно прежнему | Меняется на противоположное | Проводник движется в обратную сторону |
| Одновременно изменены направления тока и магнитного поля | Оба направления изменены на противоположные | Остаётся прежним | Действие силы сохраняется в прежнюю сторону |
Сначала определите угол между током и магнитным полем, затем оцените модуль силы по формуле. Для направления используйте правило левой руки и отдельно учитывайте, менялось ли одно направление или оба.
На рисунке показаны направление тока в прямом проводнике и направление линий магнитного поля. Определите направление силы Ампера.
Ответ: сила направлена туда, куда показывает большой палец левой руки. Без конкретных направлений на схеме указать сторону вправо, влево, вверх или вниз нельзя.
Проводник с током находится между полюсами магнита. Определите, как изменится направление его движения после смены полюсов магнита или подключения источника тока наоборот.
Ответ: при изменении только одного направления проводник начнёт двигаться в обратную сторону, а при одновременном изменении обоих направлений — в прежнюю.
Проводник длиной 20 см с током 3 А находится в поле с индукцией 0,4 Тл под углом 30° к линиям поля. Найдите модуль силы и определите её направление.
Ответ: модуль силы Ампера равен 0,12 Н. Её направление перпендикулярно току и магнитному полю и определяется большим пальцем левой руки; конкретная сторона зависит от заданных направлений.
Путают направление магнитной индукции с направлением силы Ампера. Так происходит, когда запоминают только линии поля и забывают о перпендикулярности силы. Проверьте себя: сила не должна совпадать ни с током, ни с линиями поля.
Используют правило правой руки или неверно располагают левую ладонь. Причина — смешение правил для разных физических явлений. Сначала направьте пальцы по току, убедитесь, что поле входит в ладонь, и только потом смотрите на большой палец.
Не меняют направление силы после изменения тока или магнитного поля. Ошибка возникает, если рассматривать только величину силы. Проверьте оба направления отдельно: изменение одного из них переворачивает силу.
Считают, что сила действует при токе вдоль линий поля. В таком положении угол равен 0° или 180°, а sin α равен нулю. Подставьте угол в формулу F = BIl sin α — результат покажет отсутствие силы.
Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, магнитном поле, линиях магнитной индукции и векторах. Далее это правило помогает изучать действие магнитного поля на движущиеся заряды. Оно также объясняет работу рамки с током и электрического двигателя, где силы Ампера создают вращение.
Почему для определения направления силы Ампера используют именно левую руку?
Правило левой руки — удобное условное правило, связанное с направлением силы, действующей на проводник с током. При правильном положении ладони и пальцев большой палец показывает направление силы Ампера.
Что произойдёт с направлением силы, если поменять местами полюса магнита?
При смене полюсов направление магнитного поля изменяется на противоположное. Поэтому при неизменном токе сила Ампера также изменит направление на противоположное.
Как определить направление силы, если ток и магнитное поле направлены не перпендикулярно?
Сначала используют правило левой руки для взаимных направлений тока и магнитного поля. Сила всё равно направлена перпендикулярно обоим направлениям, а её модуль находят по формуле F = BIl sin α.
Почему при расположении проводника вдоль линий магнитного поля сила Ампера равна нулю?
В этом случае угол между током и магнитной индукцией равен 0° или 180°, а синус такого угла равен нулю. Поэтому магнитное поле не создаёт силы, отклоняющей проводник.
Можно ли определить направление силы Ампера без рисунка, если известны направления тока и магнитного поля?
Да, если эти направления заданы словами или стрелками в пространстве. Нужно мысленно расположить левую ладонь по направлению поля, пальцы направить по току и определить направление большого пальца.
2. Направление силы Ампера
