Фізика. Повторне видання. 9 клас. Бар’яхтар

§ 4. Сила Ампера

Із матеріалу § 1 ви дізналися, що магнітне поле діє на провідник зі струмом із деякою силою. А з курсу фізики 8 класу пам'ятаєте, що сила — це векторна фізична величина, тому, щоб повністю визначити силу, слід уміти розраховувати її значення та визначати напрямок. Від чого залежить значення сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, як напрямлена ця сила та чому її називають силою Ампера, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. Характеризуємо силу, яка діє на провідник зі струмом

Візьмемо прямий провідник, виготовлений з алюмінію, і підвісимо його на тонких і гнучких проводах таким чином, щоб він був розташований між полюсами підковоподібного постійного магніту (рис. 4.1, а). Якщо в провіднику пропустити струм, провідник відхилиться від положення рівноваги (рис. 4.1, б). Причиною такого відхилення є сила, що діє на провідник зі струмом з боку магнітного поля. Довів наявність цієї сили і з’ясував, від чого залежать її значення та напрямок, А. Ампер. Саме тому цю силу називають силою Ампера.

Рис. 4.1. Дослід, який демонструє дію магнітного поля на алюмінієвий провідник: у разі відсутності струму магнітне поле на провідник не діє (а); якщо в провіднику тече струм, на провідник діє магнітне поле і провідник відхиляється (б)

Сила Ампера — це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Сила Ампера прямо пропорційна силі струму в провіднику та довжині активної частини провідника (тобто частини, яка розташована в магнітному полі). Сила Ампера збільшується зі збільшенням магнітної індукції поля і залежить від того, під яким кутом до ліній магнітної індукції розташований провідник.

Значення сили Ампера (F_A) обчислюють за формулою:

F_А = BIlsinα,

де В — магнітна індукція магнітного поля; I — сила струму в провіднику; l — довжина активної частини провідника; α — кут між напрямком вектора магнітної індукції і напрямком струму в провіднику (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Кут α — це кут між напрямком вектора магнітної індукції і напрямком струму в провіднику

Зверніть увагу! Магнітне поле не діятиме на провідник зі струмом (F_A = 0), якщо провідник розташований паралельно лініям магнітної індукції цього поля (sin α = 0).

Щоб визначити напрямок сили Ампера, використовують правило лівої руки:

Якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок сили Ампера (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Визначення напрямку сили Ампера за правилом лівої руки

• На рис. 4.4 показано визначення напрямку сили Ампера, яка діє на провідник, розташований в однорідному магнітному полі. Визначте напрямок струму в провіднику, напрямок магнітної індукції та напрямок сили Ампера.

Рис. 4.4. До завдання в § 4

2. Отримуємо формулу для визначення модуля магнітної індукції

Якщо провідник розташований перпендикулярно до ліній магнітної індукції (α = 90°, sin α = 1), то поле діє на провідник із максимальною силою:

F_Amax = BIl

Звідси отримуємо формулу для визначення модуля магнітної індукції:

Зверніть увагу! Значення магнітної індукції не залежить ані від сили струму в провіднику вдвічі, ані від довжини провідника, а залежить тільки від властивостей магнітного поля. Наприклад, якщо вдвічі зменшити силу струму в провіднику, то вдвічі зменшиться й сила Ампера, з якою магнітне поле діє на провідник, а от значення магнітної індукції залишиться незмінним.

У СІ одиниця магнітної індукції — тесла (Тл), одиниця сили — ньютон (Н), сили струму — ампер (А), довжини — метр (м), тому:

1 Тл — це індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє із максимальною силою 1 Н на провідник завдовжки 1 м, у якому тече струм силою 1 А.

3. Учимося розв'язувати задачі

Задача 1. Доведіть, що два паралельні провідники, в яких течуть струми одного напрямку, притягуються.

Аналіз фізичної проблеми. Навколо будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле, отже, кожен із двох провідників перебуває в магнітному полі іншого. На перший провідник діє сила Ампера з боку магнітного поля, створеного струмом у другому провіднику, і навпаки. Визначивши за правилом лівої руки напрямки цих сил, з’ясуємо, як поводитимуться провідники.

Розв’язання

У ході розв’язання виконаємо пояснювальні рисунки: зобразимо провідники А і В, покажемо напрямок струму в них та ін.

Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник А, що перебуває в магнітному полі провідника В.

1) За допомогою правила свердлика визначимо напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного струмом у провіднику В (рис. 1, а). З’ясовується, що біля провідника А магнітні лінії напрямлені до нас (позначка «•»).

2) Скориставшись правилом лівої руки, визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник А з боку магнітного поля провідника В (рис. 1, б).

3) Доходимо висновку: провідник А притягується до провідника В.

Рис. 1

Тепер знайдемо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник В, що перебуває в магнітному полі провідника А.

1) Визначимо напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного струмом у провіднику А (рис. 2, а). З’ясовується, що біля провідника В магнітні лінії напрямлені від нас (позначка «х»).

2) Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник В (рис. 2, б).

3) Доходимо висновку: провідник В притягується до провідника А.

Рис. 2

Відповідь: два паралельні провідники, в яких течуть струми одного напрямку, дійсно притягуються.

Задача 2. Прямий провідник (стрижень) завдовжки 0,1 м і масою 40 г перебуває в горизонтальному однорідному магнітному полі індукцією 0,5 Тл. Стрижень розташований перпендикулярно до магнітних ліній поля (рис. 3). Струм якої сили та в якому напрямку слід пропустити в стрижні, щоб він не тиснув на опору (завис у магнітному полі)?

Рис. 3

Аналіз фізичної проблеми. Стрижень не буде тиснути на опору, якщо сила Ампера зрівноважить силу тяжіння. Це відбудеться за таких умов: 1) сила Ампера буде напрямлена протилежно силі тяжіння (тобто вертикально вгору); 2) значення сили Ампера дорівнюватиме значенню сили тяжіння: F_A = F_тяж.

Напрямок струму визначимо, скориставшись правилом лівої руки.

Підбиваємо підсумки

Силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера. Значення сили Ампера обчислюють за формулою: F_А = BIlsinα, де В — магнітна індукція магнітного поля; I — сила струму в провіднику; l — довжина активної частини провідника; α — кут між напрямком вектора магнітної індукції і напрямком струму в провіднику.

Для визначення напрямку сили Ампера використовують правило лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітногї індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок сили Ампера.

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід на підтвердження того, що магнітне поле діє на провідник зі струмом з певною силою. 2. Дайте означення сили Ампера. 3. Від яких чинників залежить значення сили Ампера? За якою формулою її визначають? 4. Як слід розташувати провідник, щоб сила Ампера була найбільшою? У якому випадку магнітне поле не діє на провідник? 5. Сформулюйте правило для визначення напрямку сили Ампера. 6. Наведіть формулу для визначення модуля магнітної індукції. 7. Дайте означення одиниці магнітної індукції.

Вправа № 4

1. На рис. 1 зображено для кількох випадків напрямок струму в провіднику та напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля. Визначте напрямок сили Ампера для кожного випадку а-г.

Рис. 1

2. У прямолінійному провіднику завдовжки 60 см тече струм силою 1,2 А. Провідник розташований в однорідному магнітному полі індукцією 1,5 Тл. Визначте найбільше та найменше значення сили Ампера, яка може діяти на провідник.

3. Провідник зі струмом відхиляється в магнітному полі постійного магніту. Визначте: а) полюси магніту (рис. 2); б) полюси джерела струму (рис. 3).

Рис. 2

Рис. 3

4. В однорідному магнітному полі індукцією 40 мТл на прямолінійний провідник зі струмом 2,5 А діє сила Ампера 60 мН. Визначте: а) якою є довжина провідника, якщо він розташований під кутом 30° до ліній магнітної індукції; б) яку роботу виконало магнітне поле, якщо під дією сили Ампера провідник перемістився на 0,5 м у напрямку цієї сили?

5. Доведіть, що два провідники, в яких ідуть струми протилежних напрямків, відштовхуються.

6. Горизонтальний провідник масою 5 г і завдовжки 10 см лежить на рейках у вертикальному магнітному полі індукцією 25 мТл (рис. 4). Визначте: а) у якому напрямку рухатиметься провідник, якщо замкнути електричне коло; б) коефіцієнт тертя, якщо за сили струму в провіднику 5 А провідник рухається прямолінійно рівномірно.

Рис. 4

7. Складіть задачу, обернену до задачі 2, поданої в пункті 3 § 4.

Експериментальне завдання

«Солений двигун». Підвісьте до м’якої металевої пружини залізний цвях; вістря цвяха розмістіть у розчині кухонної солі так, щоб воно лише торкалося рідини (див. рис. 5). Складіть електричне коло, як показано на рис. 5. Замкніть коло — цвях почне коливатися, розімкніть коло — коливання швидко припиняться. Поясніть спостережуване явище.

Рис. 5