§ 5. Дія магнітного поля на провідник зі струмом та рухомі заряди

• Назад до змісту

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. У який спосіб можна змінити напрям руху провідника зі струмом в описаному досліді?

Змінити напрям руху провідника зі струмом в описаному досліді можна двома способами:

1. Змінити напрямок електричного струму в провіднику на протилежний (поміняти місцями клеми підключення до джерела струму).
2. Змінити напрямок ліній магнітної індукції на протилежний (повернути підковоподібний магніт іншим полюсом, тобто поміняти місцями його північний і південний полюси).

1. За допомогою правила лівої руки перевірте, чи в правильному напрямку відхилився провідник зі струмом у магнітному полі (мал. 5.2).

Провідник зі струмом відхилився у правильному напрямку.

2. На основі здобутих знань поясніть взаємодію двох паралельних провідників зі струмом (мал. 4.2).

Взаємодія двох паралельних провідників зі струмом пояснюється виникненням магнітного поля та дією сили Ампера:

1. Навколо кожного провідника, по якому тече струм, виникає власне магнітне поле.
2. Другий провідник опиняється в магнітному полі першого провідника, внаслідок чого на нього діє сила Ампера. Водночас перший провідник перебуває в магнітному полі другого провідника, тому на нього також діє сила Ампера.
3. За правилом правої руки (для визначення напрямку ліній магнітної індукції) та правилом лівої руки (для визначення напрямку сили Ампера) встановлено:

• Якщо струми в провідниках напрямлені в один бік, провідники притягуються один до одного.
• Якщо струми в провідниках напрямлені в протилежні боки, провідники відштовхуються один від одного.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Розпізнайте неправдиву інформацію. На вміщений у магнітне поле провідник зі струмом діє сила Лоренца. Напрям сили Ампера визначають за правилом правої руки. Якщо в магнітному полі розташувати провідник зі струмом перпендикулярно до вектора магнітної індукції, то сила Ампера буде дорівнювати нулю. Якщо змінити напрям струму в провіднику, уміщеному в магнітне поле, то напрям сили Ампера зміниться на протилежний.

Неправдивою є така інформація:

1. «На вміщений у магнітне поле провідник зі струмом діє сила Лоренца». (Насправді на такий провідник діє сила Ампера, а сила Лоренца діє на окремі рухомі заряджені частинки).
2. «Напрям сили Ампера визначають за правилом правої руки». (Насправді напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки).
3. «Якщо в магнітному полі розташувати провідник зі струмом перпендикулярно до вектора магнітної індукції, то сила Ампера буде дорівнювати нулю». (Насправді за перпендикулярного розташування сила Ампера є максимальною; нулю вона дорівнює тоді, коли провідник розташований паралельно до ліній магнітної індукції).

Правдивою є лише остання теза: «Якщо змінити напрям струму в провіднику, уміщеному в магнітне поле, то напрям сили Ампера зміниться на протилежний».

2. Визначте максимальну силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, довжина активної частини якого дорівнює 10 см. По провіднику проходить струм 50 А. Індукція магнітного поля дорівнює 10 мТл.

Дано:

• $l = 10\text{ см} = 0{,}1\text{ м}$
• $I = 50\text{ А}$
• $B = 10\text{ мТл} = 0{,}01\text{ Тл}$
• $\alpha = 90^\circ$

Знайти:

• $F_{\text{max}} - ?$

Розв’язання:

$F_{\text{max}} = B \cdot I \cdot l \cdot \sin \alpha$

$F_{\text{max}} = 0{,}01 \cdot 50 \cdot 0{,}1 \cdot \sin 90^\circ$

$F_{\text{max}} = 0{,}01 \cdot 50 \cdot 0{,}1 \cdot 1 = 0{,}05\text{ Н}$

Відповідь: 0,05 Н.

3. Визначте напрям сили Ампера, що діє на провідник зі струмом, уміщений у магнітне поле (мал. 5.3).

За правилом лівої руки: якщо долоню повернути вгору (назустріч лініям $\vec{B}$), а чотири витягнуті пальці спрямувати ліворуч за напрямком струму, то відставлений на $90^\circ$ великий палець вказатиме напрямок на нас.

4. На мал. 5.6 зображені провідники зі струмом у магнітному полі. Визначте напрям сили Ампера в кожному випадку.

Застосуємо правило лівої руки для кожного випадку:

а) Лінії магнітної індукції напрямлені від північного полюса N до південного S (зліва направо). Струм у провіднику напрямлений «до нас» (позначено крапкою). Якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції входили в долоню (долоня повернута ліворуч), а чотири витягнуті пальці вказували на спостерігача, відведений великий палець вкаже вгору. Сила Ампера напрямлена вертикально вгору.

б) Лінії магнітної індукції напрямлені від північного полюса N до південного S (знизу вгору). Струм тече праворуч. Якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції входили в долоню (долоня повернута вниз), а чотири пальці вказували праворуч, то відведений великий палець вкаже на спостерігача. Сила Ампера напрямлена «до нас» (із площини малюнка).

в) Вектор магнітної індукції напрямлений «від нас» у площину малюнка (позначено хрестиками). Струм тече вертикально вгору. Долоню повертаємо до спостерігача (обличчям до себе), чотири пальці — вгору. Відведений великий палець вказує праворуч. Сила Ампера напрямлена праворуч.

5. На мал. 5.7 зображено прямий провідник зі струмом, уміщений у магнітне поле підковоподібного магніту. Визначте полюси магніту.

Напрямок струму в провіднику вказано хрестиком, що означає його напрямок «від нас» (у площину малюнка). Сила Ампера $\vec{F}_A$ напрямлена праворуч.
За правилом лівої руки розташуємо ліву руку так, щоб чотири пальці вказували напрямок струму («від нас»), а відведений на 90 градусів великий палець указував напрямок сили Ампера (праворуч).

Оскільки всередині магніту лінії магнітної індукції напрямлені від північного полюса до південного:

• нижній полюс магніту — північний (N);
• верхній полюс магніту — південний (S).

6. Провідник довжиною 10 см і масою 2 г розміщений горизонтально в магнітному полі. Сила струму в провіднику дорівнює 10 А. Визначте модуль індукції магнітного поля, у яке треба помістити цей провідник, щоб сила тяжіння врівноважувалася силою Ампера.

Відомо:

• $l = 10\text{ см} = 0{,}1\text{ м}$
• $m = 2\text{ г} = 0{,}002\text{ кг}$
• $I = 10\text{ А}$
• $g = 10\text{ м/с}^2$
• $\alpha = 90^\circ$

Знайти:

• $B - ?$

Розв’язання:

Щоб сила тяжіння врівноважувалася силою Ампера, сила Ампера має бути напрямлена вертикально вгору. Провідник слід розмістити перпендикулярно до ліній індукції магнітного поля, яке напрямлене горизонтально, тому кут $\alpha = 90^\circ$, а $\sin 90^\circ = 1$.

За умовою рівноваги сил:

$F_A = F_{тяж}$

Формула сили тяжіння:

$F_{тяж} = m \cdot g$

Формула сили Ампера:

$F_A = B \cdot I \cdot l \cdot \sin\alpha$

Оскільки $\sin 90^\circ = 1$:

$F_A = B \cdot I \cdot l$

Прирівнюємо вирази для сил:

$B \cdot I \cdot l = m \cdot g$

Виразимо індукцію магнітного поля:

$B = \dfrac{m \cdot g}{I \cdot l}$

$B = \dfrac{0{,}002 \cdot 9{,}8}{10 \cdot 0{,}1} = 0{,}0196\text{ Тл}$

Відповідь: 0,02 Тл.