Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Введение

Магнитное поле — это особая форма материи, существующая вокруг магнитов, проводников с электрическим током и движущихся электрических зарядов. Его невозможно увидеть напрямую, однако о его существовании можно судить по тем эффектам, которые оно оказывает на тела и частицы. Одним из важнейших проявлений магнитного поля является его действие на электрический ток.

Изучение магнитного поля играет ключевую роль в понимании работы множества технических устройств: электродвигателей, генераторов, трансформаторов, динамиков, электроприборов и средств связи. В курсе физики 9 класса особое внимание уделяется экспериментальному обнаружению магнитного поля, определению направления сил, действующих на токи и заряды, а также правилам, позволяющим предсказать результат взаимодействия.

Одним из таких правил является правило левой руки, которое используется для определения направления силы, действующей на проводник с током или на движущийся заряд в магнитном поле.

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток

Магнитное поле нельзя обнаружить с помощью неподвижного заряда, так как оно не оказывает на него никакого воздействия. Однако если заряд движется или если по проводнику протекает электрический ток, магнитное поле проявляет себя через механическое действие.

Если поместить прямой проводник, по которому проходит ток, между полюсами магнита, можно наблюдать его отклонение или перемещение. Это означает, что на проводник со стороны магнитного поля действует сила. Данная сила получила название силы Ампера.

Экспериментально установлено, что:

• при отсутствии тока в проводнике магнитное поле не вызывает его движения;

• при изменении направления тока направление действия силы изменяется на противоположное;

• сила возрастает с увеличением силы тока и магнитного поля;

• сила зависит от длины участка проводника, находящегося в магнитном поле.

Таким образом, действие магнитного поля на электрический ток является основным способом его обнаружения.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Правило левой руки

Для определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, используется правило левой руки, которое удобно применять на практике.

Формулировка правила левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на проводник.

Физический смысл этого правила заключается в том, что магнитное поле действует на движущиеся заряды внутри проводника, создавая суммарную силу, которая передаётся всему проводнику. В результате проводник может перемещаться или вращаться.

Правило левой руки широко применяется при анализе работы электрических машин, особенно электродвигателей, где рамка с током вращается в магнитном поле под действием сил, направленных в противоположные стороны.

Взаимодействие параллельных токов

Проводники с током не только испытывают действие внешнего магнитного поля, но и взаимодействуют друг с другом. Каждый проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток в соседнем проводнике.

Опыт показывает:

• если два параллельных проводника находятся рядом и токи в них направлены в одну сторону, проводники притягиваются;

• если токи направлены в противоположные стороны, проводники отталкиваются.

Это взаимодействие объясняется действием магнитного поля одного проводника на ток другого. Явление взаимодействия параллельных токов используется в электротехнике и учитывается при проектировании линий электропередачи и мощных электрических установок.

Действие магнитного поля на заряд, движущийся в нем

Магнитное поле действует не только на проводники, но и на отдельные заряженные частицы, если они движутся. Если заряд покоится, магнитное поле на него не действует.

Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле:

• всегда направлена перпендикулярно направлению скорости заряда;

• не изменяет модуль скорости заряда, но изменяет направление его движения;

• вызывает искривление траектории движения заряда.

В однородном магнитном поле заряженная частица может двигаться по окружности или по спирали. Это свойство используется в ускорителях частиц, масс-спектрометрах и электронно-лучевых трубках.

Различные случаи применения правила левой руки

Правило левой руки применяется в различных физических ситуациях:

• для определения направления силы, действующей на прямолинейный проводник с током;

• для анализа вращения рамки с током в магнитном поле;

• для определения направления отклонения электронного пучка;

• для нахождения направления силы, действующей на положительный или отрицательный заряд.

Следует помнить, что правило левой руки указывает направление силы для положительного заряда. Для отрицательно заряженных частиц, таких как электроны, направление силы будет противоположным.

Вопросы для самопроверки

1. Почему магнитное поле проявляется только при движении электрических зарядов?

2. Как экспериментально можно обнаружить магнитное поле?

3. От каких физических величин зависит сила, действующая на проводник с током?

4. В чём заключается правило левой руки и каков его физический смысл?

5. Почему параллельные проводники с током взаимодействуют друг с другом?

6. Чем отличается действие магнитного поля на проводник и на отдельный заряд?

7. Почему магнитное поле не изменяет скорость заряда по модулю?

8. В каких технических устройствах используется действие магнитного поля на ток?

9. Как учитывать знак заряда при применении правила левой руки?