Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. Силовая характеристика магнитного поля.

Поместим подвижный проводник с током Iмежду полюсами подковообразного магнита, как показано на рис. 22.13. Под действием магнитной силы FA (ее называют силой Ампера) этот проводник втягивается в промежуток между полюсами. При перемене направления тока I проводник движется в обратную сторону.

подковообразный магнит

Направление силы FA, действующей на прямолинейный проводник с током в магнитном поле, определяется правилом левой руки (рис. 22.14): если расположить левую руку вдоль проводника так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в нем, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой палец будет указывать направление силы, действующей на проводник с током (силы Ампера).

Ампер показал, что сила FA прямо пропорциональна. длине проводника l и силе тока в нем I. Она зависит еще от угла α между направлением тока и направлением линий индукции в том месте, где находится проводник (рис. 22.15). Оказалось, что сила FA пропорциональна sinα и имеет максимальное значение FAмакс, когда проводник перпендикулярен к линиям индукции поля.

Таким образом, сила Ампера выражается формулами:

FA = BIlsinα, (22.6)

FAмакс = ВIl. (22.6а)

Множитель В в формулах (22.6) и (22.6а) выражает зависимость силы Ампера от магнитного поля, в которое помещен проводник с током. Перемещение проводника с током под действием силы Ампера замечательно тем, что при этом происходит превращение электрической энергии в механическую. Это явление лежит в основе принципа действия электродвигателей.

правило левой руки

Выясним физический смысл множителя В в формуле (22.6а). Помещая один и тот же проводник с током I в различные магнитные поля, легко установить, что сила FAмакс изменяется по величине и по направлению. Поскольку I и l при этом постоянны, то, значит, изменяется В. Из (22.6а) видно, что большее значение FAмакс будет в том поле, для которого окажется больше В. То же самое можно обнаружить при перемещении проводника в различные области одного и того же поля. Поскольку с увеличением В растет и FAмакс, множитель В удобно принять за силовую характеристику поля, так как только он изменяется при изменении поля в той области, где находится проводник с током. Из (22.6а) получаем:

В = FAмакс /Il. (22.66)

Эта формула Берна, если поле вдоль проводника не изменяется.

Однако и в общем случае неоднородного поля можно взять проводник, длина которого Δl так мала, что поле вдоль него заметно не изменяется. Тогда величина В будет характеризовать поле в определенной его точке:

В = FAмакс /IΔl. (22.6в)

Величину В, являющуюся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке, называют магнитной индукцией. Магнитная индукция в какой-либо точке поля измеряется силой, действующей на единицу длины проводника, расположенного в этой точке перпендикулярно линиям индукции, при силе тока в нем, равной единице.

угол между токов и индукцией

Здесь следует иметь в виду, что магнитная индукция В является вектором, направление которого определяется по положению магнитной стрелки (формула (22.66) дает только числовое значение магнитной индукции). Вектор В в любой точке магнитного поля направлен по касательной к линии магнитной индукции в этой точке и в ту сторону, в которую указывает северный полюс магнитной стрелки.

Выведем из (22.66) единицу магнитной индукции В:

В=1 Н/(1 А * 1 м)=1 Н/(А * м)=1 кг/(с2 * А)=1 Тл.

В СИ за единицу магнитной индукции принимается тесла (Тл) — магнитная индукция такого однородного поля, в котором на проводник с током в 1 А, помещенный перпендикулярно к линиям индукции, действует сила в 1 Н на каждый метр длины.

Условились проводить через единицу площади поверхности, помещенной перпендикулярно линиям индукции, такое их число, которое пропорционально значению В в том месте, где находится поверхность. Это означает, что на чертежах линии индукции располагают чаще там, где действуют большие магнитные силы.