Фізика. 9 клас. Головко

§ 7. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера

• Дія магнітного поля на провідник зі струмом

• Сила Ампера

• Рамка зі струмом у магнітному полі

ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВІДНИК ЗІ СТРУМОМ. У попередніх параграфах ми з’ясували, що магнітне поле, створене провідником зі струмом, діє на магнітну стрілку (магніт). Виявляється, що, у свою чергу, магнітне поле діє на провідник, по якому проходить електричний струм. Щоб переконатися в цьому, закріпимо провідник на штативі за допомогою гнучких дротів та з’єднаємо його послідовно з реостатом, вимикачем та джерелом струму. Розташуємо провідник між полюсами постійного підковоподібного магніту та ввімкнемо електричний струм. Провідник почне рухатися (рис. 7.1, а).

Рис. 7.1. Дія магнітного поля на провідник зі струмом

Якщо вимкнути струм, провідник повернеться в початкове положення. Якщо змінити напрямок струму в провіднику на протилежний, провідник у магнітному полі підковоподібного магніту буде рухатися у протилежний бік (рис. 7.1, б). Також напрямок руху провідника зміниться на протилежний і тоді, коли змінити напрямок магнітного поля (положення полюсів магніту).

Сила Ампера є сумарним результатом дії магнітного поля на окремі рухомі заряджені частинки, які створюють струм у провіднику. Напрямок дії магнітного поля на провідник зі струмом, тобто напрямок сили Ампера, визначається напрямком як струму в провіднику, так і магнітного поля, в якому він розміщений.

Для визначення напрямку сили Ампера можна скористатися так званим правилом лівої руки (рис. 7.2, б): якщо ліву руку розташувати так, щоб магнітні лінії входили в долоню (долонею до північного полюса постійного магніту), а чотири пальці вказували напрямок струму в провіднику, то великий палець, відігнутий на 90°, вкаже напрям сили, яка діє на провідник зі струмом із боку магнітного поля (сили Ампера).

Відповідно, знаючи напрямок сили Ампера та напрямок ліній магнітного поля можна визначити напрямок струму в провіднику (полюси джерела струму). Або, знаючи напрямок струму в провіднику та напрямок сили Ампера, можна легко визначити полюси магнітного поля.

Експериментально було встановлено, що сила Ампера, яка діє на провідник у магнітному полі, тим більша, чим більший струм проходить по провіднику і чим сильніше магнітне поле, в якому він розміщений. Тобто сила Ампера пропорційна силі струму в провіднику І та індукції магнітного поля В. Також сила Ампера залежить від довжини провідника l та його розташування в магнітному полі.

F_A = ВIΔlsinα,

Максимальне значення сили Ампера F_Amax = ΒIΔl, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, досягається, коли провідник розташований перпендикулярно до ліній індукції магнітного поля. При цьому кут між напрямком струму I в провіднику та вектором індукції магнітного поля дорівнює α = 90°, a sin 90° = 1.

Оскільки за величиною індукції магнітного поля оцінюють його силову дію, тобто індукція магнітного поля є його силовою характеристикою, то модуль вектора магнітної індукції в кожній точці магнітного поля визначається силою, що діє на ділянку провідника зі струмом.

Тому за одиницю магнітної індукції в СІ беруть магнітну індукцію поля, в якому на провідник довжиною 1 м зі струмом 1 А діє сила 1 Н. Цю одиницю називають тесла (Тл):

РАМКА ЗІ СТРУМОМ У МАГНІТНОМУ ПОЛІ. У дослідах із підковоподібним магнітом ви побачили, що провідник зі струмом або виштовхується назовні, або втягується всередину під дією сили Ампера. А як буде поводитися в магнітному полі провідник зі струмом довільної форми? Виготовимо з провідника прямокутну рамку та розташуємо її всередині підковоподібного магніту (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Рамка зі струмом у полі постійного магніту повертається під дією сили Ампера

Вертикальні сторони рамки є ділянками прямого провідника зі струмом, і на них діє сила Ампера. Ці провідники мають однакову довжину і по них проходить струм однакової величини у протилежних напрямках. Тому на сторони рамки діють сили, однакові за величиною та протилежні за напрямком. Під дією цих сил рамка зі струмом повертається в магнітному полі. Якщо змінити полярність джерела струму, до якого під’єднана рамка, або поміняти місцями полюси магніту, рамка повертатиметься у протилежному напрямку.

! Головне в цьому параграфі

Сила Ампера є сумарним результатом дії магнітного поля на окремі рухомі заряджені частинки, які створюють струм у провіднику.

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб магнітні лінії входили в долоню (долонею до північного полюса постійного магніту), а чотири пальці вказували напрямок струму в провіднику, то великий палець, відігнутий на 90°, вкаже напрямок сили, яка діє на провідник зі струмом із боку магнітного поля (сили Ампера).

Модуль вектора магнітної індукції в кожній точці магнітного поля визначається силою, що діє на ділянку провідника зі струмом. За одиницю магнітної індукції в СІ беруть магнітну індукцію поля, в якому на провідник довжиною 1 м зі струмом 1 А діє сила 1 Н. Цю одиницю називають тесла (Тл):

Провідна рамка зі струмом повертається в зовнішньому магнітному полі.

? Запитання для самоперевірки

1. Які досліди підтверджують дію магнітного поля на провідник зі струмом?
2. Що називають силою Ампера?
3. Від чого залежить напрям сили Ампера?
4. Як визначають напрям сили Ампера?
5. За якою формулою обчислюють величину сили Ампера?
6. Чому рамка зі струмом повертається в зовнішньому магнітному полі?

Вправа до § 7

1 (с). Порівняйте силу Ампера, що діє на два провідники, виготовлені з одного й того ж матеріалу та з однаковим поперечним перерізом, які розміщені в зовнішньому магнітному полі під одним і тим самими кутом до напряму поля, якщо довжина першого провідника 12 см, а сила струму в ньому 1 А, довжина другого 4 см, а сила струму в ньому 3 А.

2 (с). Визначте напрямок дії сили Ампера на провідник зі струмом у зовнішньому магнітному полі (рис. 7.4).

Рис. 7.4

3 (д). Прямий провідник довжиною 30 см розміщений у магнітному полі з індукцією 0,4 Тл перпендикулярно до його силових ліній. Визначте силу струму в провіднику, якщо магнітне поле діє на нього з силою 24 мН.

4 (д). Визначте полярність підключення провідника, розміщеного в зовнішньому магнітному полі, що діє на нього як показано на рис. 7.5.