Взаимодействие постоянных магнитов и проводников с токами

Определения и обозначения

Магнитное поле — область пространства, где обнаруживается действие магнитов и проводников с током. Его изображают магнитными линиями — условными линиями, касательная к которым показывает направление поля. Это понятие нужно, чтобы объяснять взаимодействие магнитов и токов не как действие «на расстоянии», а как действие поля.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её обозначают буквой B. Вектор показывает не только величину поля, но и его направление. По магнитной индукции можно сравнивать поля и рассчитывать силу, действующую на проводник.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током: F = BIl sin α. Здесь B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника в поле, а α — угол между проводником и направлением магнитного поля. Формула позволяет определить, насколько сильно поле отклонит или переместит проводник.

Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям магнитного поля и тока. Ладонь располагают так, чтобы линии поля входили в неё, четыре пальца направляют по току, а отставленный большой палец показывает силу. Правило помогает понять, куда начнёт двигаться проводник.

Как это устроено

Постоянные магниты взаимодействуют друг с другом через магнитное поле, которое окружает каждый магнит. Поле одного магнита действует на полюса другого и создаёт силу. Поэтому одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются: такое расположение соответствует разным направлениям действия поля у полюсов.

Электрический ток создаёт вокруг проводника магнитное поле, потому что ток является движением заряженных частиц. Если рядом расположить два проводника, поле первого будет действовать на ток во втором, и наоборот. При токах одного направления силы направлены навстречу проводникам, поэтому они притягиваются; при противоположных направлениях силы меняют знак, и проводники отталкиваются.

Проводник с током, помещённый в магнитное поле, испытывает действие силы Ампера. Причина в том, что поле действует на движущиеся заряженные частицы внутри проводника, а совместное действие этих сил передаётся всему проводнику. В результате проводник может начать двигаться или изменить направление своего движения.

Направление силы Ампера определяют правилом левой руки, поскольку оно связывает сразу два направления: поля и тока. Сначала находят направление линий поля, а затем располагают ладонь и пальцы согласно правилу. Большой палец показывает направление силы, то есть возможного движения проводника.

Модуль силы Ампера зависит от магнитной индукции B, силы тока I, длины проводника l и угла α между проводником и полем. При перпендикулярном расположении α = 90°, sin α = 1, поэтому сила максимальна: F = BIl. При параллельном расположении α = 0°, sin α = 0, и сила Ампера равна нулю.

Взаимодействие магнитов и проводников с током

Таблица помогает определить, какое поле возникает в каждой ситуации, на что оно действует и от чего зависит результат. Сначала найдите нужную строку, затем сравните направления полюсов, токов или магнитного поля. Для расчёта силы дополнительно используйте формулу F = BIl sin α.

Разбор задач

Задача 1. Взаимодействие параллельных проводников

Два параллельных проводника несут токи, направленные в одну сторону. Требуется определить, будут ли они притягиваться или отталкиваться. Численные данные здесь не нужны, потому что результат определяется только направлениями токов.

1. Рассматриваем поле, созданное током в первом проводнике.
2. Это поле действует на ток во втором проводнике и создаёт силу Ампера.
3. Для параллельных токов одного направления сила направлена навстречу другому проводнику.

Ответ: проводники притягиваются.

Задача 2. Расчёт силы Ампера

Проводник длиной l = 0,2 м находится в поле с индукцией B = 0,5 Тл и пропускает ток I = 3 А. Проводник перпендикулярен линиям поля, значит угол α = 90°. Нужно найти силу Ампера F.

1. Записываем формулу: F = BIl sin α.
2. Подставляем значения: F = 0,5 · 3 · 0,2 · sin 90°.
3. Так как sin 90° = 1, получаем F = 0,5 · 3 · 0,2 = 0,3 Н.

Ответ: сила Ампера равна 0,3 Н.

Задача 3. Направление силы Ампера

Проводник с током помещён между полюсами магнита, а направления поля и тока известны. Требуется установить, куда начнёт двигаться проводник. Для этого нужно определить направление магнитных линий и применить правило левой руки.

1. Вне магнита проводим направление поля от северного полюса к южному.
2. Поворачиваем левую ладонь так, чтобы линии поля входили в ладонь.
3. Четыре пальца направляем по току в проводнике.
4. Отставленный большой палец показывает направление силы Ампера и движения проводника.

Ответ: направление движения совпадает с направлением, которое показывает большой палец левой руки.

Типичные ошибки

Путают направление магнитных линий внутри и вне магнита. Вне магнита линии идут от северного полюса к южному, а проверять себя удобно по этому правилу перед применением правила левой руки. Если начать с обратного направления, результат получится противоположным.

Считают, что любые токи в параллельных проводниках притягиваются. На самом деле одинаковые направления токов вызывают притяжение, а противоположные — отталкивание. Перед ответом нужно мысленно сравнить стрелки токов.

Применяют правило левой руки, не располагая ладонь по полю и пальцы по току. Так происходит, когда пытаются запомнить только положение большого пальца. Проверьте отдельно оба условия: поле входит в ладонь, четыре пальца направлены по току.

Забывают множитель sin α или считают силу максимальной при параллельном расположении проводника и поля. При α = 90° синус равен единице, а при α = 0° — нулю. Поэтому сначала определите угол, а затем подставляйте данные в формулу.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны понятия электрического тока, силы тока, постоянного магнита, магнитных полюсов и магнитных линий. Без них трудно определить, что создаёт поле и как направлены силы.

Знания о силе Ампера объясняют работу электродвигателя, громкоговорителя, измерительных приборов и рамки с током. Во всех этих устройствах электрический ток взаимодействует с магнитным полем и вызывает движение.

Дальше тема связана с электромагнитной индукцией и практическим применением магнитного поля. Изученные способы описания поля и сил понадобятся при объяснении получения электрического тока движением проводника или магнита.

Что запомнить

• Магнитное поле создаётся постоянными магнитами и электрическими токами.
• Одноимённые полюса магнитов отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Параллельные токи одного направления притягиваются, противоположных направлений отталкиваются.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• Сила Ампера определяется формулой F = BIl sin α.
• Сила Ампера равна нулю при параллельности проводника и магнитного поля и максимальна при их перпендикулярности.