Z materiału § 1. wiesz, że pole magnetyczne działa z określoną siłą na przewodnik z prądem. Z fizyki klasy 8. pamiętasz, że siła - to wielkość wektorowa, dlatego, aby można było określać siłę, należy umieć obliczać jej wartość i określać kierunek. Od czego zależy wartość siły, z którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem, jak jest ona skierowana i dlaczego nazywa się siłą Ampere'a, dowiesz się z tego paragrafu.
Siła, która działa na przewodnik z prądem
Zawiesimy prosty przewodnik aluminiowy na cienkich giętkich przewodach tak, aby znajdował się on między biegunami trwałego magnesu pod-kowiastego (rys. 4.1, a). Jeżeli w przewodniku płynie prąd, to on wychyla się od położenia równowagi (rys. 4.1, b). Przyczyną odchylenia jest siła, z którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem.
Dlaczego taka siła istnieje, od czego zależy jej wartość i kierunek wyjaśnił A. Amper. Dlatego nazywamy tę siłę siłą A. Ampere’a.
Siła Ampere'a - to siła, z którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem.
Siła Ampere’a jest wprost proporcjonalna natężeniu w przewodniku i długości części aktywnej przewodnika (czyli części, znajdującej się w polu magnetycznym). Siła Ampere’a zwiększa się ze wzmocnieniem pola magnetycznego i zależy od tego, pod jakim kątem jest rozmieszczony przewodnik do linii indukcji magnetycznej.
Wartość siły Ampere’a (FA) wyraża się wzorem:
gdzie B — indukcja magnetyczna pola magnetycznego; I - natężenie prądu w przewodniku; ł - długość aktywnej części przewodnika; a - kąt między kierunkiem wektora indukcji magnetycznej i kierunkiem prądu w przewodnika (rys. 4.2).
Zwróć uwagę! Pole magnetyczne nie działa na przewodnik z prądem (FA=0), jeżeli
przewodnik jest równoległy do linii magnetycznych pola (sina = 0).
Kierunek siły Amperea można określić za pomocą reguły lewej dłoni:
Jeśli lewą dłoń ustawimy tak, aby linie indukcji magnetycznej przebijały dłoń, a cztery wyprostowane palce wskazywały kierunek prądu w przewodniku, to wychylony o 90° kciuk wskaże kierunek siły Ampere'a (rys. 4.3).
Ha rys. 4.4 pokazano wyznaczenie kierunku siły Amperea, która działa na przewodnik, rozmieszczony w pionowym polu magnetycznym. Wyznacz kierunek prądu w przewodniku, kierunek magnetycznej indukcji i kierunek siły Amperea.
Wyprowadzamy wzór wyznaczania indukcji magnetycznej
Jeżeli przewodnik jest prostopadły do linii indukcji magnetycznej (a = 90°, sina = l), to pole działa na przewodnik z maksymalną siłą:
Skąd otrzymujemy wzór wyznaczania wartości bezwzględnej indukcji magnetycznej:
Zwróć uwagę! Wartość indukcji magnetycznej nie zależy od natężenia prądu w przewodniku, długości przewodnika, a zależy tylko od właściwości pola magnetycznego.
Na przykład, jeżeli zmniejszyć natężenie prądu w przewodniku, to zmieni się siła Ampere’a, z którą pole magnetyczne działa na przewodnik, jednak wartość indukcji magnetycznej pozostanie stała.
W Układzie SI jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (T), siły - niuton (N), natężenia prądu -amper (A), długości - metr (m), dlatego:
1 T - to indukcja jednorodnego pola magnetycznego, działającego z maksymalną siłą 1 N na przewodnik o długości 1 m, w którym płynie prąd o natężeniu 1 A.
Uczymy się rozwiązywać zadania
Zadanie 1. Udowodnij, że dwa równoległe przewodniki, w których płynie prąd w tym samym kierunku, przyciągają się.
Analiza problemu fizycznego. Wokół dowolnego przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne, więc każdy przewodnik znajduje się w polu magnetycznym innego przewodnika. Na pierwszy przewodnik działa siła Amperea ze strony pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd w drugim przewodniku, i na odwrót. Gdy zgodnie z regułą lewej dłoni określimy kierunki tych sił, to wyjaśnijmy, jak będą zachowywać się przewodniki.
Rozwiązanie
W rozwiązywaniu zadania pomogą nam rysunki: przedstawimy przewodniki A i B, wskażemy kierunek prądu w nich i in.
Określimy kierunek siły Ampere’a, działającej na przewodnik A, znajdujący się w polu magnetycznym przewodnika B.
1) Stosując regułę korkociągu określimy kierunek linii indukcji magnetycznej pola magnetycznego, wytworzonego przez przewodnik B (rys. 1, a). Okazuje się, że obok przewodnika A linie magnetyczne skierowane są do nas (symbol „·”).
2) Stosując regułę lewej dłoni, określimy kierunek siły Amperea, działającej na przewodnik A ze strony przewodnika B (rys. 1, b).
3) Wnioskujemy: przewodnik A przyciąga się do przewodnika B.
Następnie określimy kierunek siły Ampere’a, działającej na przewodnik B, znajdujący się w polu magnetycznym przewodnika A.
1) Określimy kierunek linii indukcji magnetycznej pola magnetycznego, wytworzonego przez przewodnik A (rys. 2, a). Obok przewodnika B linie magnetyczne skierowane są od nas (symbol „x”).
2) Określimy kierunek siły Amperea, działającej na przewodnik B, znajdujący się w polu magnetycznym przewodnika B (rys. 2, b).
3) Wnioskujemy: przewodnik B przyciąga się do przewodnika A.
Odpowiedź: dwa równoległe przewodniki, w których płynie prąd w jednym kierunku, przyciągają się.
Zadanie 2. Prostoliniowy przewodnik (pręt) o długości 0, 1 m i masie 40 g znajduje się w poziomym jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 0, 5 T. Pręt jest prostopadły do linii magnetycznych pola (rys. 3). Prąd o jakim natężeniu i w jakim kierunku należy przepuszczać przez pręt, aby on nie działał na podłoże (pozostawał zawieszony w polu)?
Analiza problemu fizycznego. Pręt nie działa na podłoże wtedy, gdy siła Ampere’a jest zrównoważona siłą ciężkości. Jest tak wtedy, gdy: 1) siła Amperea jest skierowana w kierunku przeciwnym do siły ciężkości (czyli pionowo do góry); 2) wartość siły Amperea równa się wartości siły ciężkości: FA = Fdąź. Określamy kierunek prądu za pomocą regułę lewej dłoni.
Poszukiwanie modelu matematycznego, rozwiązanie
1. Określamy kierunek prądu. Lewą dłoń ustawiamy tak, aby linie pola magnetycznego przebijały dłoń, odchylony o 90° kciuk był skierowany pionowo do góry. Cztery wyprostowane palce wskażą kierunek od nas. Więc, prąd w przewodniku należy skierować od nas.
Z ostatniego wzoru wyznaczamy natężenie prądu:
Sprawdzamy jednostkę, wyznaczamy wartość szukanej wielkości.
Podsumowanie
Siłę, z którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem, nazywamy siłą Ampere’a. Wartość siły Ampere’a wyznacza się ze wzoru: FA = Bil sin a, gdzie B - indukcja pola magnetycznego; I - natężenie prądu w przewodniku; / -długość aktywnej części przewodnika; a — kąt między kierunkiem wektora indukcji magnetycznej i kierunkiem prądu w przewodniku.
Kierunek siły Ampere’a określamy za pomocą reguły lewej dłoni: jeżeli lewą dłoń ustawić tak, aby linie pola magnetycznego „przebijały” wewnętrzną stronę dłoni, a cztery wyprostowane palce wskazywały kierunek prądu w przewodniku, to wychylony o 90° kciuk wskaże kierunek siły Ampere’a.
Pytania kontrolne
1. Opisz doświadczenie, które potwierdza działanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem, znajdujący się w tym polu. 2. Podaj definicję siły Ampere’a. 3. Od czego zależy siła Ampere’a? Podaj wzór na obliczanie siły Ampere a. 4. Opisz sposób ustawiania przewodnika w przypadku największej siły Amperea. W jakim przypadku pole magnetyczne nie działa na przewodnik? 5. Podaj regułę określenia kierunku siły Ampere’a. 6. Podaj wzór wyznaczenia wartości bezwzględnej indukcji magnetycznej. 7. Podaj definicję jednostki indukcji magnetycznej.
Ćwiczenie nr 4
1. Określ kierunek siły Amperea dla każdego z wypadków a-d, przedstawionych na rys. 1.
2. W przewodniku prostoliniowym o długości 60 cm płynie prąd o natężeniu 1,2 A. Wyznacz największą i najmniejszą wartość siły Amperea, która działa na przewodnik, przy różnych jego położeniach w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 1, 5 T.
3. Na rys. 2 i rys. 3 przedstawiono przewodnik z prądem, który wychyla się w polu magnetycznym. Określ: a) bieguny magnesu (rys. 2); b) bieguny źródła prądu (rys. 3).
Na prostoliniowy przewodnik z prądem 2, 5 A, umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 40 mT, działa siła Amperea 60 mN. Wyznacz:
a) długość przewodnika, jeżeli znajduje się on pod kątem 30° do linii indukcji magnetycznej; b) pracę, wykonywaną przez pole magnetyczne, jeżeli pod działaniem siły Ampere’a przewodnik przesuwa się o 0, 5 m w kierunku działania siły.
5. Uzasadnij, że dwa przewodniki, w których płynie prąd w kierunkach przeciwnych odpychają się.
6. Poziomy przewodnik o masie 5 g i długości 10 cm leży na rdzeniach w pionowym polu magnetycznym o indukcji 25 mT (rys. 4). Określ: a) w jakim kierunku będzie poruszać się przewodnik, jeżeli zamknąć obwód elektryczny;
b) współczynnik tarcia, jeżeli przy natężeniu prądu w przewodniku 5 A, przewodnik porusza się prostoliniowo jednostajnie.
7. Ułóż zadanie, odwrotne do zadania 2 w § 4.
Doświadczenie
„Słony silnik”. Na miękką metalową sprężynę zawieś żelazny gwóźdź; ostrze gwoździa umieść w roztworze soli kuchennej tak, aby tylko dotykało do cieczy (patrz rys. 5). Zmontuj obwód elektryczny, jak na rys. 5. Zamknij obwód — gwóźdź zacznie drgać, rozerwij obwód — drgania ustaną. Wyjaśnij obserwowane zjawisko.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar