От чего не зависит сила действия магнитного поля на проводник

На прошлых уроках мы с вами узнали, что магнитные поля, созданные постоянными магнитами или токами, действуют на помещённые в них магнитные стрелки.

Поскольку магнитное поле проводника с током действует с определённой силой на магнит, то естественно предположить, что со стороны магнитного поля магнита на проводник с током также должна действовать какая-то сила. Рассмотрим более подробно действие магнитного поля на проводник с током и попытаемся подтвердить или опровергнуть высказанное предположение.

Для этого соберём цепь, состоящую из источника тока, ключа, проводника и подковообразного магнита, закреплённого в штативе. Проводник подвесим на тонких проводах и поместим в магнитное поле, созданное подковообразным магнитом. При разомкнутой цепи действия со стороны магнитного поля дугообразного магнита на проводник не наблюдается.

При замыкании цепи проводник приходит в движение — он втягивается в пространство между полюсами дугообразного магнита.

Поменяв направление тока в цепи, увидим, что проводник отклонится в противоположную сторону.

Следовательно, магнитное поле действует на проводник с током с некоторой силой. Эту силу, то есть силу, с которой магнитное поле действует на помещённый в него проводник с током, называют силой Ампера. Названа она в честь французского учёного А. Ампера, который впервые обнаружил действие магнитного поля на проводник с током.

Как мы видели из опыта, направление силы Ампера зависит от направления тока в проводнике и от направления линий магнитного поля. Направление силы Ампера можно определить с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на девяносто градусов большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Механическое движение проводника с током в магнитном поле имеет огромное практическое значение. Более полутора столетий назад, а точнее в 1834 г., русский учёный Б. С. Якоби впервые сконструировал электрический двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей.

Конечно же, он был очень слабым (его мощность составляла всего 15 Вт), но Император Николай I выделил некоторые средства на улучшение двигателя. И уже четыре года спустя Якоби сконструировал электродвигатель мощностью 600 Вт. Он и ещё одиннадцать пассажиров прокатились на катере, оснащённым новым двигателем по Неве против течения, вызвав бурю удивления: ведь никто не грёб вёслами.

Очень скоро новость о практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру. А к семидесятым годам XIX в. электродвигатель был уже настолько усовершенствован, что в таком виде сохранился до наших дней.

Чтобы понять принцип работы электродвигателя, проделаем такой опыт. Между полюсами магнита поместим прямоугольную рамку, состоящую из нескольких витков проволоки, которая может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При отсутствии электрического тока в рамке она располагается произвольным образом.

Действие магнитного поля на проводник с током | Физика 8 класс #25 | Инфоурок

Если плоскость рамки будет располагаться параллельно линиям магнитного поля, то при пропускании по ней тока рамка начнёт поворачиваться. Это происходит потому, что на каждую из сторон рамки, перпендикулярную магнитным линиям, действует сила Ампера. Как мы уже выяснили, направление этой силы зависит от направления тока. Поэтому в нашем случае, обе силы поворачивают рамку в одну сторону, в данном случае против хода часовой стрелки.

Когда плоскость рамки станет перпендикулярно линиям магнитного поля, рамка остановится. Чтобы этого не произошло, и она продолжала вращаться в том же направлении, необходимо изменить направление тока в цепи. Для этого используют специальные металлические полукольца, прикреплённые к рамке, по которым скользят контактные пластины, соединённые с источником тока.

При повороте рамки на 180 о меняется контактная пластина, которой касается полукольцо, и, следовательно, меняется направление тока в рамке. Таким образом, направление тока в цепи изменяется, и рамка всё время вращается в одном направлении.

Существуют различные конструкции электродвигателей. Однако наиболее распространённым является коллекторный электродвигатель, который содержит в себе три основных узла: статор, ротор и коллектор.

Статор (что в переводе с латинского означает «стоящий неподвижно») представляет собой либо постоянный магнит, либо электромагнит, который служит для создания магнитного поля.

Ротор (в переводе с латинского — «вращающийся») представляет собой сердечник, на который наматывается обмотка. Очень часто ротор ещё называют якорем двигателя.

На оси ротора закреплены медные коллекторные пластины, которые изменяют направление тока в витках якоря.

При протекании электрического тока по обмотке ротора, он, под действием силы Ампера, начинает вращаться. Это вращательное движение передаётся валу, а от него — различным механизмам.

Электродвигатели обладают целым рядом преимуществ по сравнению с тепловыми двигателями, которые работают за счёт энергии сжигаемого топлива.

Надо сказать, что автомобиль с электродвигателем (то есть электромобиль) был изобретён раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Самый первый электромобиль был построен ещё в далёком 1841 г., правда, выглядел он как электромотор с тележкой.

Нечто отдалённо напоминающее автомобиль построили уже ближе к концу XIX в.

А в т1899 г. Камиль Женатци на электромобиле впервые превысил скорость 100 км/ч.

В качестве источника тока в электромобиле использовался аккумулятор Бари, который включал в себя тридцать шесть вольтовых столбов.

Электродвигатели, используемые сегодня в промышленности, работают в основном на переменном токе. Но и двигатели постоянного тока достаточно широко используются, особенно на транспорте. Например, на постоянном токе, работают электропоезда, трамваи и троллейбусы. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяют в системах автоматического регулирования и в бытовых приборах. Мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъёмных кранов и прочего.

Помимо этого, современные электродвигатели можно изготовить любой мощности: от нескольких ватт, как, например, в бытовых домашних приборах, до нескольких сотен и тысяч киловатт для промышленного производства. При одинаковой мощности электрические двигатели имеют намного меньшие размеры, чем тепловые. При этом их коэффициент полезного действия гораздо выше, чем у тепловых двигателей. Так, например, КаПэДэ современных электродвигателей достигает 98%, в то время как в современном тепловом двигателе он едва дотягивает до 60%.

В завершении отметим, что свойство рамки с током вращаться в магнитном поле используется и в электроизмерительных приборах, таких как вольтметр, амперметр и гальванометр. Рассмотрим принцип действия таких приборов. Между полюсами дугообразного магнита находится рамка, удерживаемая в положении равновесия пружиной. К рамке прикреплена стрелка, движущаяся по шкале.

Если по рамке пропускать электрический ток, то на стороны рамки будет действовать вращательный момент амперовых сил, что приведёт к повороту рамки на определённый угол, и, соответственно, отклонению стрелки. При выключении тока пружина возвращает стрелку к нулевой отметке шкалы.

Домашняя работа

стр. 180 — 184 читать

Всё о Тур ции

Здесь вы найдете информацию о культуре, истории, традициях и обычаях этой прекрасной страны.

Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера.

Неоднородное и однородное магнитное поле. Сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению. Такое поле называют неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке. В некоторой ограниченной области пространства можно создать однородное магнитное поле, т.е. поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению. Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и наплавлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками, а если из-за чертежа к нам – то точками.

Магни́тное по́ле— силовоеполе, действующее на движущиесяэлектрические зарядыи на тела, обладающиемагнитным моментом, независимо от состояния ихдвижения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряжённости Н. (B=0H).

Магнитная индукция:

Магни́тная инду́кция —векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует назаряд , движущийся со скоростью.

Единицы измерения: Тл.

Модуль вектора магнитной индукции B равен отношению модуля силы F, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике I и длине проводника l.

Магнитная индукция не зависит ни от силы тока, ни от длины проводника, она зависит только от магнитного поля. То есть, если мы, например, уменьшим силу тока в проводнике, не меняя больше ничего, то уменьшится не индукция, с которой сила тока связана прямо пропорционально, а сила воздействия магнитного поля на проводник. Величина же индукции останется постоянной. В связи с этим индукцию можно считать количественной характеристикой магнитного поля.

Магнитная индукция имеет направление. Графически ее можно зарисовывать в виде линий. Линии индукции магнитного поля это и есть то, что мы до сих пор в более ранних темах называли магнитными линиями или линиями магнитного поля. Так как мы выше вывели определение магнитной индукции, то мы можем дать определение и линиям магнитной индукции.

Линии магнитной индукции это линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

В однородном магнитном поле линии магнитной индукции параллельны, и вектор магнитной индукции будет направлен так же во всех точках.

В случае неоднородного магнитного поля, вектор магнитной индукции будет меняться в каждой точке пространства вокруг проводника, а касательные к этому вектору создадут концентрические окружности вокруг проводника.

Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика.

Закон Ампера:

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Если размер проводника произволен, а поле неоднородно, то формула выглядит следующим образом:

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки : если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90° большой палец, укажет направление силы Ампера.

Общие положения

Для успешного практического использования важно знать от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током, который находится в магнитном поле, какова она по абсолютному значению.

От чего зависит направление МП

От чего зависит направление МП

Чтобы рассчитать силу, действующую на проводник, помещенный в магнитное поле, можно использовать формулу Ампера, наиболее удобную для рассмотрения взаимодействия стержней (не обязательно параллельных).

Закон Ампера

Закон Ампера

Но недостаточно рассчитать значение, необходимо еще знать, как направлена сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля. Можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на проводник с помощью простого способа, названного правилом левой руки.

Направление амперовской силы

Направление амперовской силы

Если желая знать, в каком направлении будет действовать амперовская сила, поместить ладонь так, как указано на рисунке, то в итоге становится понятно, что на проводник с протекающим током, внесенный в магнитное поле, действует сила Ампера, направленная аналогично силе Лоренца, действие которой испытывают одиночные частицы с зарядом. Объяснение простое: данные явления совершенно идентичной природы.

Схожесть сил Ампера и Лоренца

Схожесть сил Ампера и Лоренца

Применение в быту

Некоторым кажется, что законы наук, которые демонстрируются на школьных занятиях, никоим образом не касаются реальной жизни. Нет большего заблуждения, когда дело касается физики. Сила, которая названа по имени Ампера, исключительно полезна для аналоговой измерительной аппаратуры — везде, где нужно, чтобы свойства тока выражались движениями стрелки на табло — вольтметры, амперметры и омметры, измерители заряда, магнитного потока самых разных видов.

Устройство электроизмерительных приборов

Устройство электроизмерительных приборов

Закон Ампера распространен в технике и быту крайне широко. Он находит применение везде, где есть электродвигатель, превращающий электроэнергию в механическое движение.

Устройство электродвигателя

Устройство электродвигателя

Работа и электробритвы, и мотора карьерного экскаватора или подъемника на кране основывается на одном принципе — вращении катушки с электротоком в магнитном поле.

Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки.

Поместим между полюсами магнита проводник, по кото­рому протекает постоянный электрический ток. Мы тотчас же заметим, что проводник будет выталкиваться полем магнита из междуполюсного пространства.

Объяснить это можно следующим образом. Вокруг провод­ника с током (Рисунок 1.) образуется собственное магнитное поле, силовые линии которого по одну сторону проводника направ­лены так же, как и силовые линии магнита, а по другую сто­рону проводника — в противопо­ложную сторону. Вследствие это­го с одной стороны проводника (на рисунке 1 сверху) маг­нитное поле оказывается сгущен­ным, а с другой его стороны (на рисунке 1 снизу) — разрежен­ным. Поэтому проводник испыты­вает силу, давящую на него вниз. И если проводник не закреплен, то он будет перемещаться.

Действие магнитного поля на ток

Рисунок 1. Действие магнитного поля на ток.

Правило левой руки

Для быстрого определения направления движения провод­ника с током в, магнитном поле существует так называемое правило левой руки (рисунок 2.).

Правило левой руки

Рисунок 2. Правило левой руки.

Правило левой руки состоит в следую­щем: если поместить левую руку между полюсами маг­нита так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца ру­ки совпадали с направлением тока в проводнике, то боль­шой палец покажет направ­ление движения проводника.

Итак, на проводник, по которому протекает электри­ческий ток, действует сила, стремящаяся перемещать его перпендикулярно магнитным силовым линиям. Опытным путем можно определить величину этой силы. Оказы­вается, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и длине той части проводника, которая нахо­дится в магнитном поле (рисунок 3 слева).

Это правило справедливо, если проводник расположен под прямым углом к магнитным силовым линиям.

Действие магнитного поля на ток

Рисунок 3. Сила взаимодействия магнитного поля и тока.

Если же проводник расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, а, например, так, как изобра­жено на рисунке 3 справо, то сила, действующая на проводник, будет пропорциональна силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плос­кость, перпендикулярную магнитным силовым ли­ниям. Отсюда следует, что если проводник паралле­лен магнитным силовым линиям, то сила, дейст­вующая на него, равна нулю. Если же проводник перпендикулярен направ­лению магнитных силовых линий, то сила, действую­щая на него, достигает наибольшей величины.

Сила, действующая на проводник с током, зави­сит еще и от магнитной индукции. Чем гуще рас­положены магнитные си­ловые линии, тем больше сила, действующая на проводник с током.

Подводя итог всему изложенному выше, мы можем действие магнитного поля на проводник с током выразить следующим правилом:

Сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна магнитной индукции, силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плоскость, перпендикулярную маг­нитному потоку.

Необходимо отметить, что действие магнитного поля на ток не зависит ни от вещества проводника, ни от его сечения. Дей­ствие магнитного поля на ток можно наблюдать даже при от­сутствии проводника, пропуская, например, между полюсами магнита поток быстро несущихся электронов.

Действие магнитного поля на ток широко используется в науке и технике. На использовании этого действия основано устройство электродвигателей, превращающих электрическую энергию в механическую, устройство магнитоэлектрических приборов для измерения напряжения и силы тока, электроди­намических громкоговорителей, превращающих электрические колебания в звук, специальных радиоламп — магнетронов, катодно-лучевых трубок и т. д. Действием магнитного поля на ток пользуются для измерения массы и заряда электрона и даже для изучения строения вещества.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Единица измерения индукции

Единица индукции в системе СИ определяется как индукция такого магнитного поля, в котором на 1 м проводника при силе тока действует сила Ампера величиной 1 Н. Единица называется тесла (Тл).

Единица индукции названа в честь выдающегося сербского инженера, физика Николы Тесла (1856-1943 г.г.). Тесла изобрел электромеханические генераторы, высокочастотный трансформатор. Исследовал свойства токов высокой частоты, изобрел многофазный электродвигатель и системы передачи электроэнергии с помощью переменного тока. Тесла сформулировал основные принципы радиосвязи, изобрел мачтовую антенну для приемки и передачи радиосигналов.

Портрет Никола Тесла

Рис. 3. Портрет Никола Тесла.

Действие магнитного поля на проводник с током

Для демонстрации воздействия магнитного поля на участок проводника с током соберём установку из подковообразного магнита — источника постоянного магнитного поля и проводника, подключённого к источнику тока (рис. (2)). С помощью реостата будем управлять величиной тока в цепи.

Магнитное поле 2.png

Рис. 2 . Изображение отсутствия отклонения проводника вблизи магнита при разомкнутом ключе

Магнитное поле 1.png

Рис. 3 . Изображение отклонения проводника вблизи магнита при увеличении силы тока в цепи

1. Замкнём цепь. По участку провода, находящемуся в поле постоянного магнита, пройдёт ток, направление которого зависит от полюсов источника тока, к которым подключены концы провода. Вектор магнитной индукции (vec) направлен от северного полюса к южному — сверху вниз. Ток в проводнике направлен от наблюдателя. Магнитное поле втягивает проводник с током (рис. (3)).

2. Изменим направление тока, поменяв полюса источника тока. Тогда проводник будет выталкиваться магнитным полем.

3. Если полюса магнита поменять (перевернуть магнит), то направление движения проводника изменится на противоположное.

Правило левой руки

Ладонь левой руки нужно разместить так, чтобы линии магнитной индукции (vec) входили в ладонь, четыре вытянутых пальца показывали направление движения тока I в проводнике, тогда отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление действия силы Ампера (vec), действующей на проводник с током.

Движение проводника вызвано этой силой (vec), поэтому направление движения проводника совпадает с направлением действия силы (vec) (рис. (4)).

Действие магнитного поля на проводник с током

Вы, вероятно, знаете, что электродвигатель является неотъемлемой частью многих приборов, таких как: пылесос, стиральная машина, посудомоечная машина, дрель и так далее. Мы не будем здесь вдаваться в подробности об устройстве и работе электродвигателя, но мы рассмотрим, что заставляет его выполнять свою работу. Что ж, мотор вращается благодаря силе, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Эта сила называется электродинамической силой (которую еще часто называют силой Ампера).

Если представить контур с электрическим током в виде рамки, закрепленной на оси, и поместить эту рамку в магнитное поле с направленными линиями, как на рис. 1, то рамка будет вращаться. Это вращение, вызванное наличием магнитного поля, является основой работы электродвигателя! Вы можете узнать больше об электродинамической силе, изучив эту статью.

На рамку с током, помещенную в магнитное поле, действует электродинамическая сила

Если проводник с постоянным электрическим током I поместить в однородное магнитное поле с вектором индукции B , то на часть проводника длиной L будет действовать электродинамическая сила: Fed = I * L * B * sin α ,

где α — угол между проводником и линиями магнитного поля (смотрите рисунок 2).

Изменение угла между токоведущим проводником и вектором магнитной индукции

Отсюда следует, что величина силы прямо пропорциональна величине тока I, длине проводника L и величине магнитной индукции B, но она также зависит от величины синуса угла между проводником и линиями магнитного поля. Когда проводник с током параллелен линиям магнитного поля, т.е. когда α = 0 ° или 180 ° , то сила не действует, потому что sin 0 ° = sin 180 ° = 0. В свою очередь, сила будет иметь максимальное значение, когда проводник перпендикулярен линии поля, т.е. когда α = 90 ° или 270 ° , так как sin 90 ° = sin 270 ° = 1.

Направление электродинамической силы можно определить с помощью правила левой руки, как показано на рис. 3:

Если расположить ладонь левой руки так, чтобы линии индукции магнитного поля входили во внутреннюю сторону ладони, перпендикулярно к ней, а четыре пальца направлены по току, то отставленный на 90° большой палец укажет направление силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током.

Википедия

Правило левой руки

Теперь попробуем применить полученные знания на примере с качелями, которые представлены на фото ниже (рис. 3.).

Подключение батареи к клеммам, видимым над белым цилиндрическим держателем, приведет к протеканию электрического тока через качели. Электродинамическая сила от поля, создаваемого подковообразным магнитом, будет действовать на горизонтальную перекладину качелей. Посмотрите внимательно на ситуацию, показанную на рис. 3. Можете ли вы предположить, в какую сторону качнутся качели? И каков будет угол этого отклонения?

Ответ на первый вопрос — о направлении электродинамической силы — можно найти на рис. 4. Для ответа на второй вопрос мы немного упростим нашу систему, введя дополнительные предположения.

  1. Вертикальные части направляющей имеют незначительную массу, и вся масса качелей сосредоточена в ее горизонтальной перекладине.
  2. Магнитное поле однородное, и поворотная перекладина все время остается в этом поле.

Алюминиевые качели

Схематический чертеж качелей с током, магнитной индукцией и силой ампера

Когда перекладина поворачивается (смотрите рисунок 5), на нее действуют две силы: горизонтально направленная гравитационная сила Fg и горизонтальная электродинамическая сила Fed . Угол β, на который качели отклонятся от вертикали, зависит от соотношения величин этих двух сил. Его тангенс равен tg β = Fed / Fg = ( B * I * L ) / ( m * g ),

где I — электрический ток, протекающий через качели, B — вектор индукции магнитного поля, создаваемого магнитом, m и L — масса и длина перекладины соответственно.

Силы, действующие на перекладину качелей

Действие магнитного поля на два параллельных проводника с током.

На рис. 6 показаны два прямолинейных проводника с током, расположенных параллельно в вакууме на расстоянии d друг от друга.

Проводник a создает в окружающей его среде на расстоянии d магнитное поле, которое равно: Ba = ( μ0 * Ia ) / ( 2*π*d ), где μ0 — это магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума) равная 4π · 10 −7 Гн/м.

В этом поле имеется проводник b, в котором течет ток Ib. На отрезок L этого проводника действует сила Fb = Ib * L * Ba = ( μ0 * L * Ia * Ib ) / ( 2*π*d ).

Направление силы Fb показано на рисунке. Конечно, эти рассуждения можно «перевернуть» и рассчитать силу, действующую на проводник a в магнитном поле, создаваемом проводником b. Результат расчета совпадает с тем, что непосредственно следует из третьего закона динамики Ньютона.

Проводники с током, взаимодействующие через магнитное поле

Мы видим, что два параллельных проводника с токами взаимодействуют через магнитное поле. Проводники, в которых токи текут в одинаковых направлениях, притягиваются друг к другу, а те, в которых токи имеют противоположные направления, отталкиваются друг от друга.

Взаимодействие параллельных проводников использовалось для определения силы тока. Предположим, что d = 1 метр и что одинаковые токи протекают в проводниках, то есть Ia = Ib = I. Если мы подберем силу тока так, чтобы сила притяжения проводников составляла 2-10 -7 Н на 1 м их длины, то в таком случае мы скажем, что сила тока в проводниках равна 1 амперу.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий