Для школьников.
Прочтите сначала статью "Как была найдена связь между электричеством и магнетизмом. История и важность открытий в этой области науки (кратко о главном)".
После того как Эрстед в 1820 году обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, Ампером были проведены опыты, указывающие на магнитные взаимодействия проводников с током. Проводники, в которых ток был направлен в одну сторону, притягивались друг к другу, а при токах в них, текущих в противоположных направлениях, отталкивались друг от друга.
По результатам этого и других опытов Ампер пришёл к выводу, что существование магнетизма неразрывно связано с током.
Ампером была получена формула для нахождения силы (силы Ампера), с которой магнитное поле действует на проводник с током:
Эта сила зависит от тока в проводнике, длины проводника, индукции магнитного поля В, в которое помещён проводник, и от угла между направлением поля и направлением отрезка проводника.
Эта формула применима и для случая, когда в магнитном поле помещается рамка (контур) с током, тогда сила Ампера, действующая на отдельные элементы контура позволяет судить о поведении контура в целом.
Рассмотрим поведение рамки с током (контура с током) в магнитном поле.
Пусть в однородном магнитном поле В,
Если рамку с током поместить в неоднородное магнитное поле, то кроме вращательного движения она будет совершать поступательное движение, втягиваясь в область большей индукции В.
Задачи
Задача 1.
Вблизи бесконечного прямолинейного провода с током подвешена на нити лёгкая прямоугольная рамка:
Что будет происходить с рамкой, если по ней пропустить ток в направлении, указанном стрелками?
Решение.
По длинному прямолинейному проводу (см. рис.) ток течёт вверх, значит созданное им магнитное поле в точках, расположенных вправо от провода (там, где находится рамка с током) направлено от нас (пользуемся правилом правого винта: поступательное движение винта направляем по току в проводе, точки на рукоятке описывают окружности, которые являются силовыми линиями магнитного поля. Касательная к силовой линии даёт направление вектора магнитной индукции В).
Магнитное поле, созданное прямым током неоднородно - чем ближе к проводу расположена точка поля, тем больше в ней магнитная индукция В.
При первоначальном произвольном расположении рамки на её стороны, параллельные проводу, действует вращательный момент, создаваемый силами Ампера, и рамка установится в плоскости, проходящей через провод, так, что ток в ближайшей стороне рамки совпадёт с направлением тока в проводе (так, как показано на рисунке). Почему?
Как создаётся вращательный момент, поворачивающий рамку, сказано и показано выше (при рассмотрении поведения рамки с током в магнитном поле).
Тогда сила Ампера, действующая на левую сторону рамки, направлена влево, а действующая на правую сторону - вправо (пользуемся правилом левой руки: силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь, 4 пальца направляем по току, большой отогнутый палец покажет направление силы).
Так как магнитное поле, создаваемое проводом, убывает с увеличением расстояния от провода, то сила, действующая на левую сторону рамки, больше, чем на правую, а их равнодействующая направлена влево. (В неоднородном магнитном поле рамка втягивается в область большей индукции).
Ответ: рамка повернётся и установится так, как показано на рисунке. На рамку действует равнодействующая сил Ампера, направленная влево.
Задача 2.
Прямоугольная рамка с током расположена в однородном магнитном поле так, что её ось перпендикулярна к силовым линиям магнитного поля:
Указать направления сил, действующих на стороны рамки ВС и АD. Указать характер изменения этих сил при изменении положения рамки во время вращения.
Решение.
Под действием сил, приложенным к сторонам АВ и СD рамки, она установилась перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.
На стороны рамки АD и ВС действуют показанные на рисунке силы, стремящиеся растянуть рамку. Эти силы будут достигать наибольшего значения, когда плоскость рамки будет перпендикулярна к магнитным силовым линиям. Силы обратятся в нуль, когда плоскость рамки расположится вдоль силовых линий.
Когда рамка повернётся на угол 180 градусов от положения, показанного на рисунке, эти силы изменят своё направление на обратное и будут стремиться сжать рамку вдоль оси её вращения. При этом силы Ампера, действующие на верхнюю и нижнюю стороны рамки, уравновешивают друг друга.
Задача 3.
В горизонтальной плоскости лежит виток. Однородное магнитное поле направлено вертикально сверху вниз:
Как будут направлены силы, действующие на виток: а) если по нему пропустить ток в направлении, указанном стрелкой; б) если ток идёт в обратном направлении? Какую форму стремится принять виток, если он сделан из очень гибкой проволоки, в обоих случаях?
Применив правило левой руки, найдём направления сил Ампера, действующих на каждую сторону рамки.
Приходим к выводу, что в случае а) виток примет форму окружности, а в случае б) виток сожмётся и примет вид двух параллельных соприкасающихся прямых.
В случае а) его площадь максимальна, а в случае б) - минимальна.
Задача 4.
Кусок железа, помещённый перед катушкой, втягивается в неё при включении тока независимо от направления тока. На этом основано устройство амперметров и вольтметров электромагнитной системы, применяемых для измерения переменного тока и напряжения (на рисунке ниже кусок железа снабжён стрелкой и показана шкала).
Объясните этот опыт. Пришло бы железо в движение, если бы поместили его внутрь катушки, где магнитное поле однородно?
Решение.
При поднесении железа к магнитному полюсу катушки железо всегда притягивается, так как ближайший к полюсу катушки конец железа всегда намагничивается противоположно этому полюсу. Поэтому железо втягивается внутрь катушки.
Покажем ещё раз на рисунках как поведёт себя рамка с током, оказавшись в однородном магнитном поле:
На рисунке показана рамка, имеющая прямоугольную форму и расположенную в однородном магнитном поле так, что две её стороны параллельны направлению поля, а две перпендикулярны к нему.
На первые две стороны поле не действует (рис. а), а на две вторые действует с равными по модулю, но противоположными по направлению силами. На рис. а) показан вид сбоку, а на рис. б) - вид сверху.
Таким образом, силы, с которыми однородное поле действует на рамку с током, составляет пару сил, которые создают вращательный момент, заставляющий рамку устанавливаться перпендикулярно к направлению поля. Этим и ограничится воздействие однородного магнитного поля на рамку с током.
На следующем рисунке показана та же рамка, помещённая в неоднородное магнитное поле (вид сверху).
Если поле неоднородно, то есть магнитная индукция поля в разных местах имеет разный модуль и разное направление, тогда силы, действующие на разные стороны повернувшейся рамки не равны и составляют некоторый угол между собой (рис. а). Их равнодействующая направлена в сторону возрастания магнитной индукции (рис. б).
В однородном поле действует только вращательный момент. Силы, вызывающие поступательные движения, возникают только в неоднородном поле. Поэтому, если бы железо поместили внутрь катушки, где поле однородно, то оно не пришло бы в движение.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Постоянные магниты. Электромагниты.
Следующая запись: Сила Ампера. Сила Лоренца. Взаимодействие упорядоченного движения электронов с атомами металла.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .