Физика 11. Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера

Главная мысль

Магнитное поле действует не только на магниты, но и на проводник, по которому течёт ток. Эту силу называют силой Ампера. Благодаря ей работают электродвигатели, громкоговорители и многие измерительные приборы.

Почему возникает сила Ампера

Электрический ток в металлическом проводнике — это упорядоченное движение свободных электронов. На движущиеся заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца. В сумме эти силы передаются всему проводнику, поэтому он может смещаться.

Сила Ампера проявляется, если одновременно выполнены два условия:

по проводнику идёт ток;
проводник находится в магнитном поле.

Если тока нет или магнитного поля нет, сила Ампера не возникает.

Модуль силы Ампера

Для прямолинейного участка проводника длиной \(l\), помещённого в однородное магнитное поле, модуль силы Ампера равен

\[ F_A = BIl\sin\alpha, \]

где \(F_A\) — сила Ампера, \(B\) — модуль магнитной индукции, \(I\) — сила тока, \(l\) — длина участка проводника в поле, \(alpha\) — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Сила максимальна при \(alpha=90°\): проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля. Если проводник направлен вдоль поля, то \(alpha=0°\) и \(F_A=0\).

Из формулы следует:

при увеличении \(B\), \(I\) или \(l\) сила возрастает;
при изменении угла меняется значение \(sin\alpha\);
направление силы не совпадает ни с направлением тока, ни с направлением магнитного поля.

Как определить направление силы

Направление силы Ампера определяют правилом левой руки. Левую ладонь располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока. Отогнутый на \(90°\) большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Если изменить направление тока на противоположное, направление силы Ампера тоже изменится. То же произойдёт при смене направления магнитного поля.

Проводник в поле постоянного магнита

Между полюсами подковообразного постоянного магнита магнитное поле направлено от северного полюса \(N\) к южному \(S\). Рамка с током имеет две противоположные стороны, по которым ток течёт в разных направлениях. Поэтому силы Ампера, действующие на эти стороны, направлены противоположно.

Силы равны по модулю, но приложены к разным сторонам рамки. Они образуют пару сил и создают вращающий момент. Рамка поворачивается. Именно это явление лежит в основе действия электродвигателя.

Лабораторная работа: рамка с током и постоянный магнит

В школьной установке рамку помещают между полюсами постоянного магнита и кратковременно пропускают по ней ток. Наблюдают отклонение или поворот рамки.

Чтобы проверить, от чего зависит результат, можно поочерёдно изменить одно условие:

изменить направление тока в рамке;
поменять местами полюса магнита;
увеличить силу тока в допустимых для установки пределах;
изменить угол между плоскостью рамки и магнитным полем.

В первых двух случаях направление поворота меняется. При увеличении силы тока возрастает сила Ампера. Рамку нельзя подключать напрямую к бытовой сети: опыт проводят только с учебным источником питания и под контролем учителя.

Пример расчёта

Участок проводника длиной \(l=0{,}20\ \text{м}\) находится в однородном поле с магнитной индукцией \(B=0{,}50\ \text{Тл}\). По нему течёт ток \(I=2{,}0\ \text{А}\); проводник перпендикулярен полю.

Так как \(alpha=90°\), то \(\sin\alpha=1\):

\[ F_A=0{,}50\cdot2{,}0\cdot0{,}20\cdot1=0{,}20\ \text{Н}. \]

Сила Ампера равна \(0{,}20\ \text{Н}\).

Если бы проводник был направлен вдоль линий поля, сила была бы равна нулю, хотя ток и магнитное поле сохранились бы.

Главное

Сила Ампера действует на проводник с током в магнитном поле.
Её модуль вычисляют по формуле \(F_A=BIl\sin\alpha\).
Максимальная сила действует на проводник, перпендикулярный магнитному полю.
Правило левой руки определяет направление силы.
На рамку с током действуют силы, создающие вращение.

Вопросы и задания

При каких двух условиях возникает сила Ампера?
Почему сила Ампера равна нулю для проводника, направленного вдоль линий магнитного поля?
Как изменится направление силы при изменении направления тока?
Найдите силу Ампера, если \(B=0{,}40\ \text{Тл}\), \(I=3{,}0\ \text{А}\), \(l=0{,}25\ \text{м}\) и проводник перпендикулярен полю.
Объясните, почему рамка с током между полюсами магнита начинает вращаться.
Предложите безопасный способ проверить, что направление поворота рамки зависит от направления тока.