1. Сила Ампера
Силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током, называют силой Ампера.
Опыт показывает, что модуль силы Ампера прямо пропорционален произведению длины проводника l на силу тока I в нём и достигает своего максимального значения Fмакс, когда этот проводник перпендикулярен вектору магнитной индукции в данной точке.
А. Ампер (1775-1836)
Модуль магнитной индукции равен отношению силы, действующей на проводник с током, расположенный перпендикулярно вектору магнитной индукции, к произведению силы тока в проводнике на длину проводника:
Единицу магнитной индукции в СИ назвали тесла (Тл) в честь сербского учёного и изобретателя Н. Теслы.
2. Найдите в Интернете информацию о самом сильном магнитном поле, полученном учёными в настоящее время. Чему равен модуль магнитной индукции этого поля?
2. Закон Ампера
Ампер установил на опыте закономерность, которую формулируют как
закон Ампера: если проводник длиной l, сила тока в котором равна I, расположен под углом α к направлению вектора магнитной индукции (рис. 2.1), то модуль силы, действующей на него со стороны магнитного поля, выражается формулой
FA = ВIl sin α.
Рис. 2.1
3. При каком условии сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна нулю?
4. Используя формулу закона Ампера, поставьте и решите по одной задаче на нахождение каждой из входящих в эту формулу величин. Подберите данные так, чтобы ответы были следующими: 0,5 Н; 0,2 Тл; 2 А; 50 см; 60°.
3. Правило левой руки
Как показывает опыт, если проводник с током перпендикулярен вектору магнитной индукции, то для определения направления силы Ампера можно использовать следующее правило.
Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° в плоскости ладони большой палец покажет направление силы Ампера, действующей на этот проводник (рис. 2.2).
Рис. 2.2
Обратите внимание: действующая на проводник с током сила Ампера перпендикулярна как проводнику, так и вектору магнитной индукции поля, в котором находится этот проводник.
5. Перенесите рисунки 2.3, а—в в тетрадь и добавьте недостающие обозначения физических величин.
Рис. 2.3
4. Рамка с током в магнитном поле
Поставим опыт
Возьмём прямоугольную проволочную рамку, которая может свободно вращаться вокруг оси ОО1, расположим её так, чтобы плоскость рамки была параллельна вектору магнитной индукции поля, и включим ток в рамке (рис. 2.4).
Рис. 2.4
Рис. 2.5
6. Рамка с током находится во внешнем магнитном поле в положении устойчивого равновесия (рис. 2.5). Совпадает ли внутри рамки направление вектора магнитной индукции поля, созданного током в рамке, с направлением магнитной индукции внешнего поля?
Выясним теперь: почему рамка с током поворачивается в магнитном поле, чтобы запять указанное выше положение устойчивого равновесия?
Электроизмерительные приборы
Поворот рамки с током в магнитном поле лежит в основе действия многих электроизмерительных приборов (например, амперметра). Чем больше сила тока в рамке, находящейся в магнитном поле, тем больше силы, действующие на стороны рамки со стороны магнитного поля и стремящиеся повернуть её.
8. На рисунке 2.6 изображена модель электроизмерительного прибора. При отсутствии тока в рамке она под действием пружины принимает положение, при котором стрелка прибора указывает на нулевое деление шкалы. Объясните принцип действия модели прибора.
Рис. 2.6
Электродвигатель
Поворот рамки с током в магнитном поле лежит также в основе действия электродвигателя. Простейшая модель электродвигателя постоянного тока изображена на рисунке 2.7, а.
Чтобы подводящие к рамке провода не запутывались при вращении рамки, а также для того, чтобы изменять направление тока в рамке через каждые пол-оборота, ток к рамке подводят с помощью коллектора. Он состоит из двух соединённых с рамкой металлических полуколец, ток к которым подводят, используя скользящие контакты («щётки»).
9. Для чего необходимо изменять направление тока в рамке через каждые пол-оборота?
В настоящих электродвигателях используют не одну, а много рамок — это позволяет значительно увеличить мощность электродвигателя (рис. 2.7, б). Вращающуюся часть электродвигателя, содержащую рамки, называют ротором. Неподвижную же часть, содержащую магниты, называют статором. В мощных электродвигателях используются не постоянные магниты, а электромагниты. Число пар пластинок в коллекторе электродвигателя равно числу рамок в роторе двигателя.
Рис. 2.7
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ1)
10. Проводник с током длиной 0,5 м помещён в магнитное поле с индукцией 0,1 Тл. Сила тока в проводнике равна 2 А. Чему равна действующая на проводник сила Ампера, если угол между проводником и вектором магнитной индукции равен: 0°; 30°?
11. Проводник длиной l = 25 см расположен под углом α = 60° к направлению вектора магнитной индукции. Сила тока в проводнике I = 0,3 А. На проводник действует сила FA = 0,2 Н. Чему равен модуль магнитной индукции?
12. На прямолинейный проводник длиной 50 см действует сила Ампера, равная 0,25 Н. Модуль магнитной индукции равен 2 Тл, сила тока в проводнике 0,5 А. Чему равен угол между проводником и вектором магнитной индукции?
13. На проводник длиной 0,5 м, расположенный под углом 30° к вектору магнитной индукции, действует сила Ампера, равная 0,1 Н. Индукция магнитного поля 0,1 Тл. Чему равна сила тока в проводнике?
14. Проводник с током помещён в магнитное поле под углом 30° к вектору магнитной индукции. Изменится ли (и если изменится, то как) модуль силы Ампера, действующей на проводник с током, если расположить его под углом 60° к вектору магнитной индукции?
1) В заданиях к этому параграфу предполагается, что массой подводящих проводов можно пренебречь.
15. Перенесите рисунки 2.8, а—з в тетрадь и добавьте недостающие обозначения физических величин. Если необозначенная величина равна нулю, отметьте это на рисунке.
Рис. 2.8
16. На рисунке 2.9 изображена рамка с током, помещённая в однородное магнитное поле. Перенесите рисунок в тетрадь и укажите на нём в одном и том же масштабе силы Ампера, действующие на каждую сторону рамки.
Рис. 2.9