Действие магнитного поля на проводник с током
Введение
На прошлом уроке мы выяснили, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, линии которого замкнуты сами на себя (см. рис. 1).
Рис. 1. Линии магнитного поля проводника с током
Опытным путем мы установили, что направление линий магнитного поля вокруг проводника напрямую связано с направлением электрического тока в проводнике, и для определения этого направления можно использовать или правило правой руки, или «правило буравчика».
Проведя эксперименты, мы увидели, что небольшой виток из проводника, по которому пропущен электрический ток, то есть виток с током, ведет себя в магнитном поле подобно магнитной стрелке (см. рис. 2).
Рис. 2. Поведение витка с током
На виток действует вращающий момент сил, который заставляет разворачиваться виток таким образом, чтобы линии магнитного поля пронизывали плоскость витка под прямым углом (см. рис. 3).
Рис. 3. Действие линий магнитного поля на виток
При этом мы выяснили, что такой виток с током можно использовать для анализа силовых свойств магнитного поля, и ввели физическую величину, которая определяет силовые свойства магнитного поля – это индукция. Единица ее измерения тесла:
Закон взаимодействия токов
Также рассмотрели, что, проведя ряд экспериментов, Андре-Мари Ампер выяснил: два прямых параллельных проводника с током притягиваются друг к другу, если по ним протекают однонаправленные токи, то есть токи одного направления (см. рис. 4).
Рис. 4. Однонаправленные токи
Эти проводники отталкиваются, если по ним протекают токи противоположных направлений (см. рис. 5).
Рис. 5. Разнонаправленные токи
Анализ проведенных экспериментов позволил Амперу вывести свой знаменитый закон взаимодействия токов: сила взаимодействия двух параллельных проводников с током пропорциональна произведению величин токов в этих проводниках на длину проводников и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
Кроме того, мы выяснили, что проводники с током оказывают магнитное действие, а проводник, скрученный в катушку (соленоид), ведет себя подобно постоянному плоскому магниту (см. рис. 6).
Рис. 6. Соленоид
Определить полярность такого магнита также можно по правилу правой руки (см. рис. 7).
Рис. 7. Определение полярности магнита
Теперь ответим на следующий вопрос: «Почему именно так взаимодействуют параллельные проводники с током? И откуда берется момент сил, заставляющий виток с током разворачиваться между полюсами магнита?»
Опыт 1
Чтобы исследовать влияние магнитного тока на проводник с током, необходимо проделать ряд опытов. Для этого мы собрали установку: проводник с током, который помещен между полюсами дугообразного магнита, причем магнит расположен таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемые им, были направлены снизу вверх, то есть от северного полюса магнита к южному (см. рис. 8).
Рис. 8. Расположение проводника с током между полюсами магнита
Проводник при помощи системы проводов мы подключим к источнику тока так, чтобы при замыкании источника ток в проводнике протекал в направлении данной стрелки (см. рис. 9).
Рис. 9. Направление тока
Установка готова (см. рис. 10).
Рис. 10. Готовая установка
Посмотрим, что будет, если просто замкнуть цепь (см. рис. 11).
Рис.11. Проводник отклонился от своего начального положения
Видим, что проводник при пропускании по нему электрического тока отклонился от своего начального положения, как бы втягиваясь внутрь дугообразного магнита. Теперь посмотрим, как будет вести себя проводник, если поменять направление тока в нем (клеммы «+» и «-» на источнике меняем местами), и замыкаем цепь (см. рис. 12).
Рис. 12. Движение проводника при смене направления тока
Мы видим, что проводник снова отклоняется от своего начального положения, но при этом он как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита.
Итак, мы можем сделать вывод, что магнитное поле на помещенный в него проводник с током действует с некоторой силой. Направление этой силы зависит от направления тока в проводнике. Но возникает вопрос: только ли от направления тока в проводнике она зависит?
Опыт 2
Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий шаг: оставим направление тока таким же, каким оно было в последнем опыте, но изменим направление линий магнитного поля. Кроме того, расположим магнит таким образом, чтобы линии магнитного поля были направлены сверху вниз (от северного полюса к южному) (см. рис. 13).
Рис. 13. Линии магнитного поля направлены сверху вниз
Посмотрим, как себя будет вести проводник с током. При замыкании цепи видно, что проводник при том же самом направлении тока в нем теперь втягивается внутрь пространства между полюсами магнита (см. рис. 14).
Рис. 14. Проводник втягивается внутрь пространства между полюсами магнита
Для завершения опыта снова изменим направление тока в проводнике и замкнем цепь. Видим, что проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита (см. рис. 15).
Рис. 15. Проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита
Мы видим, что поведение проводника с током, помещенного в магнитное поле, определяется направлением тока в проводнике и расположением полюсов магнита. Следовательно, со стороны магнитного поля на помещенный в это поле проводник с током действует сила, направление которой зависит как от направления электрического тока в проводнике, так и от направления линий магнитного поля. То есть все названные направления тесно взаимосвязаны.
Правило левой руки
Еще раз запустим ток по проводнику и попробуем связать между собой указанные три направления (см. рис. 16).
Рис. 16. Проводник снова выталкивается из пространства между полюсами магнита
Видим, что проводник с током снова как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита, то есть сила направлена влево, линии магнитного поля направлены сверху вниз, ток направлен по стрелочке (от учителя), таким образом, можно сделать вывод о взаимосвязи трех вышеуказанных направлений: все три направления взаимно перпендикулярны.
Такая взаимосвязь направлений характерна для левой руки или, как говорят физики, для левой симметрии. Если левую руку расположить таким образом, что четыре пальца ее показывают направление течения тока в проводнике (от плюса к минусу), при этом кисть развернуть так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый на 
палец левой руки покажет нам направление действия силы (см. рис. 17). Сформулированное нами правило называется правилом левой руки.
Рис. 17. Правило левой руки
Итак, мы выяснили взаимосвязь между тремя направлениями: направлением тока в проводнике, направлением линий магнитного поля, или вектором магнитной индукции, и направлением силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Эти три направления связаны правилом левой руки. Но сила, как векторная величина, кроме направления характеризуется и численным значением
Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током
От чего же зависит величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током? Проведя серию экспериментов, Ампер установил, что величина силы, которая действует со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна величине тока, протекающего внутри проводника:
Кроме того, Ампер заметил, что эта же величина силы прямо пропорциональна длине той части проводника, которая находится в магнитном поле:
То есть, чем длиннее брать проводник при таком же самом значении тока, тем большая сила со стороны магнитного поля на него действует. Воспользуемся одним математическим правилом: если одна величина пропорциональна двум другим, то она будет пропорциональна их произведению:
То есть величина силы прямо пропорциональна произведению тока на длину части проводника в магнитном поле. Теперь обратим внимание, что размерность силы – ньютон, размерность тока – ампер, размерность длины – метр. Для того чтобы поставить знак равенства между величинами, нам нужно добавить размерность магнитной индукции 
, следовательно, нужно правую часть умножить на модуль магнитной индукции:
Последнее, что осталось, – это учесть зависимость направления действия силы от взаимного направления тока и вектора магнитной индукции.
Если расположить проводник с током в магнитном поле так, чтобы направление тока совпало с направлением вектора индукции магнитного поля (см. рис. 18), то при пропускании тока через проводник последний практически не реагирует.
Рис. 18. Направление тока совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля
Если же расположить проводник так, чтобы направление тока было перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции, то проводник максимально сильно втягивается в пространство между полюсами магнита (см. рис. 19).
Рис. 19. Направление тока перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции
Итак, когда угол между двумя направлениями (между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока) равен 0 (см. рис. 20), то сила действия магнитного поля на проводник с током равна 0.
Рис. 20. Угол между направлениями равен 
Когда этот угол равен 
(см. рис. 21), то и сила действия магнитного поля на проводник с током максимальна.
Рис. 21. Сила действия магнитного поля на проводник максимальна
Тригонометрическая функция, удовлетворяющая вышеназванным условиям, – это синус угла:
– угол между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции.
Тогда можно сформулировать следующее утверждение: величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, численно равна произведению модуля магнитной индукции на длину элемента проводника, помещенного в магнитное поле, и на величину тока в проводнике, а также пропорциональна синусу угла между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции. Направление же силы определяется же по правилу левой руки.
Ампер провел много опытов по определению характера действия силы со стороны магнитного поля на проводник с током. Поэтому введенная им в рассмотрение сила действия со стороны магнитного поля на проводник с током по праву носит название силы Ампера. Открытие силы Ампера, позволит нам ответить на вышеизложенные вопросы.