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

Направление тока в проводнике связано с направлением магнитных линий поля, которое создает этот проводник. Эта связь отражена в правиле буравчика (рисунок 1, а) и правиле правой руки (рисунок 1, б). С помощью этих правил мы можем определить направление магнитных линий, зная направление тока. И наоборот, при известном направлении магнитных линий с помощью этих правил можно определить направление тока в проводнике.

Изучая связь направления тока с направлением магнитных линий, мы использовали магнитные стрелки. Если стрелка приходит в движение, первоначально это говорит нам о существовании магнитного поля в этой точке. Только потом мы уже можем оценивать ориентацию магнитных стрелок в пространстве и связывать их положение с направлением тока в проводнике.

Получается, что мы использовали крошечные магниты для обнаружения поля. При этом в курсе изучения физики 8 класса мы уже говорили о том, что магнитное поле действует на проводники с током, которые не являются источниками этого поля (рисунок 2). Логично предположить, что можно использовать электрический ток аналогично магнитным стрелкам для того, чтобы убедиться в существовании магнитного поля в какой-то точке пространства.

На данном уроке мы рассмотрим, как показать существование магнитного поля с помощью проводника с током, помещенного в это поле, установим связь между направлением тока, направлением магнитных линий и направлением силы, научимся использовать эту связь в виде правила левой руки.

Действие магнитного поля на проводник с током

Для того, чтобы оценить действие магнитного поля на проводник с током, нам нужно обратиться к опыту.

Для проведения эксперимента нам понадобится определенное оборудование (рисунок 3):

• трехсторонняя рамка ABCD из медной проволоки;
• штатив с различными креплениями;
• регулируемый источник тока;
• дугообразный магнит;
• провода.

Положим магнит на бок на одну из ветвей. Пусть его южный полюс будет внизу, а северный — наверху. Теперь нам нужно закрепить рамку на штативе. Она должна свободно отклоняться от вертикали, как нитяной маятник или качели. Закрепляем ее таким образом, чтобы сторона BC находилась между полюсами дугообразного магнита (рисунок 4). Далее соединяем рамку с источником тока при помощи проводов.

Включаем источник тока. Теперь в цепи протекает электрический ток, направленный от положительного полюса источника к отрицательному. Проходя через рамку, ток течет от точки B к точке C. Мы увидим, что рамка отклонилась от своего положения равновесия. Ее сторона BC будто втягивается в пространство между полюсами магнита (рисунок 5).

А теперь выключим питание источника тока и уберем магнит. Снова включаем источник тока. При этом рамка останется неподвижной — теперь она никуда не отклоняется (рисунок 6).

Таким образом мы показали, что на рамку (проводник с током) действовала некоторая сила именно со стороны магнитного поля. Из-за действия это силы рамка отклонялась от положения равновесия. Получается, что мы подтвердили существование магнитного поля в данной области пространства по его действию на проводник с током.

Зачем же нам было проделывать такой опыт, если можно было просто использовать компас (магнитную стрелку)? Дело в том, что если более подробно рассмотреть действие поля на магнитную стрелку и заглянуть внутрь этого процесса, то окажется, что оно сводится к действию поля на электрический ток. Магнитное поле действует с какой-то силой на элементарные электрические токи, которые циркулируют в молекулах и атомах вещества, из которого сделана стрелка.

Магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по его действию на другой электрический ток.

{"questions":[{"content":"Источником магнитного поля является [[fill_choice_big-18]].","widgets":{"fill_choice_big-18":{"type":"fill_choice_big","options":["электрический ток","колеблющееся тело","другое магнитное поле","диэлектрик"],"answer":0}}}]}

Связь направления силы и направления тока

Продолжим наш опыт с рамкой из медной проволоки и магнитом. Переподключим провода в цепи так, чтобы ток протекал в противоположном направлении при прохождении по рамке — от точки C к точке B. Теперь мы увидим, что рамка отклонилась в другу сторону (рисунок 7). Значит, изменилось направление силы с которой магнитное поле действует на участок проводника BC.

А теперь перевернем наш магнит на другой бок. Так мы поменяем местами его полюсы — изменим направление магнитных линий. И снова мы увидим, что рамка с током поменяла направление движения. Она втягивается в пространство между полюсами магнита (рисунок 8). Это означает, что изменилось и направление силы, действующей со стороны магнитного поля.

Направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.

{"questions":[{"content":"Если изменить направление тока в проводнике, который находится в магнитном поле, создаваемым магнитом, то изменится [[fill_choice_big-28]].","widgets":{"fill_choice_big-28":{"type":"fill_choice_big","options":["направление силы, действующей на него со стороны поля","направление магнитных линий поля","положение полюсов источника поля"],"answer":0}},"explanation":"Проводник и то магнитное поле, в которое он помещен, существуют отдельно друг от друга. Следовательно, изменение силы тока в проводнике никак не влияет на магнитное поле, создаваемое магнитом.<br />При этом положение полюсов источника поля (магнита) определяет направление его магнитных линий: они выходят из северного полюса и входят в южный."}]}

Правило левой руки для проводника с током

Установленная нами связь отражается в правиле левой руки. С помощью него мы можем определить направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. При этом мы рассматриваем с вами наиболее простой случай: проводник должен быть расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля.

Правило левой руки для проводника с током:
если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на $90 \degree$ большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

{"questions":[{"content":"Какие три направления связаны между собой для проводника с током, находящгося в магнитном поле?[[choice-22]]","widgets":{"choice-22":{"type":"choice","options":["Направление магнитных линий","Направление силы, действующей со стороны поля на проводник","Направление тока в проводнике","Направление сил притяжения между молекулами проводника"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Применение правила левой руки к проводнику с током

Пусть у нас есть проводник AB, расположенный между полюсами магнита. Ток протекает от A к B (рисунок 9).

Линии магнитного поля перпендикулярны проводнику. Они выходят из северного полюса и входят в южный. Значит, нам нужно расположить левую руку ладонью вверх, чтобы магнитные линии будто входили в ладонь. Четыре пальца совпадают с направлением тока. Теперь по правилу левой руки большой палец указывает нам направление силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник AB (рисунок 10).

Не забывайте, что за направление тока принято направление от положительного полюса источника к отрицательному. При этом истинное направление движения электронов в металлах происходит наоборот — от отрицательного полюса к положительному (рисунок 11). В этом случае четыре пальца левой руки будут направлены противоположно движению электронов в электрической цепи.

Если же рассматривать такие проводящие среды, как растворы электролитов, то ток в них представляет собой движение и положительных, и отрицательных зарядов (рисунок 12). В этом случае направление четырех пальцев будет совпадать с направлением движения положительно заряженных частиц.

Если же нам известны направление магнитных линий и направление силы, действующей на проводник, то с помощью правила левой руки мы можем определить направление тока. При известных направлениях тока и действия силы можно определить полюса источника магнитного поля (таблица 1).

{"questions":[{"content":"Если разместить левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление силы, действующей на проводник с током, то четыре пальца укажут направление [[fill_choice_big-34]].","widgets":{"fill_choice_big-34":{"type":"fill_choice_big","options":["тока в проводнике","движения электронов в проводнике","источника магнитного поля","силы тяжести, действующей на проводник"],"answer":0}}}]}

Правило левой руки для частицы, движущейся перпендикулярно магнитным линиям

Мы можем использовать правило левой руки не только для проводников с током, но и для отдельно взятых движущихся частиц. При этом частицы могут быть как положительно, так и отрицательно заряженные. Мы будем также рассматривать наиболее простой случай, когда частица движется перпендикулярно магнитным линиями поля.

Правило левой руки для заряженной частицы:
если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на $90 \degree$ большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

{"questions":[{"content":"Правило левой руки можно применять [[fill_choice_big-40]].","widgets":{"fill_choice_big-40":{"type":"fill_choice_big","options":["для заряженной частицы, движущейся в магнитном поле","только для отрицательно заряженной частицы, движущейся в магнитном поле","для любой частицы","для неподвижной положительно заряженной частицы в магнитном поле"],"answer":0}}}]}

Применение правила левой руки для заряженной частицы

Пусть в магнитном поле движется отрицательно заряженная частица с какой-то скоростью $\vec \upsilon$ (рисунок 13). Для успешного применения правила располагаем левую руку так, чтобы направление движения частицы было противоположно направлению наших четырех пальцев. При этом линии магнитного поля входят в открытую ладонь. Отставленный большой палец показывает нам направление силы $\vec F$, с которой магнитное поле действует на частицу.

Если же мы рассматриваем движущуюся положительно заряженную частицу, то четыре пальца нужно направить по направлению ее движения (рисунок 14). Магнитные линии обязательно входят в открытую ладонь. Теперь большой палец показывает нам направление действия силы $\vec F$.

Итак, правило левой руки для частиц объединяет в себе:

• знак заряда движущейся частицы;
• направление магнитных линий поля;
• направление силы, действующей на частицу;
• направление движения частицы (или направление ее скорости $\vec \upsilon$).

При известных трех пунктах с помощью правила мы можем определить недостающий четвертый (таблица 2).

{"questions":[{"content":"С помощью правила левой руки можно определить [[fill_choice_big-45]] движущейся частицы.","widgets":{"fill_choice_big-45":{"type":"fill_choice_big","options":["знак заряда","массу","время существования","тип"],"answer":0}}}]}

Отсутствие действия магнитного поля на электрический ток

Обратите внимание, что мы рассматривали ситуации, в которых проводник с током или скорость заряженной частицы перпендикулярны линиям магнитного поля. Существует условие, при котором поле не будет действовать на электрический ток.

Если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с магнитными линиями или параллельны им, то сила действия магнитного поля равна нулю.

Получается, что магнитное поле не действует на проводник с током, если направление тока в нем совпадает с магнитными линиями поля. При этом направление тока может как совпадать с направлением магнитных линий, так и быть противоположным ему (рисунок 15).

Вектор скорости заряженной частицы может быть сонаправлен магнитным линиям, а может быть направлен противоположно им. Знак заряда частицы может быть как положительным, так и отрицательным. Магнитное поле в таких случаях на частицу действовать не будет (рисунок 16).

{"questions":[{"content":"Действие магнитного поля на проводник с током равно нулю, если направление тока  [[fill_choice_big-50]].","widgets":{"fill_choice_big-50":{"type":"fill_choice_big","options":["совпадает с магнитными линиями или параллельно им","перпендикулярно магнитным линиям","образует с магнитными линиями угол, равный $45 \\degree$"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

В какую сторону покатится легкая алюминиевая трубка в электрической цепи (рисунок 17)?

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Для ответа на поставленный вопрос нам нужно определить в какую сторону будет направлена сила, действующая на алюминиевую трубку как на проводник с током.

Используем правило левой руки. Магнитные линии выходят из северного полюса магнита. Они же должны входить в ладонь левой руки. Поэтому нам нужно расположить руку ладонью вниз (рисунок 18). Проходя по цепи ток протекает по трубке от A к B. Значит, наши четыре пальца должны быть тоже направлены от A к B. Большой палец теперь указывает в сторону от магнита — в этом направлении действует сила $\vec F$.

Значит, трубка покатится вправо, от полюсов магнита.

Упражнение № 2

На рисунке 19 изображены два оголенных проводника, соединенных с источником тока, и легкая алюминиевая трубка АВ.
Вся установка находится в магнитном поле. Определите направление тока в трубке АВ, если в результате взаимодействия этого тока с магнитным полем трубка катится по проводникам в направлении, указанном на рисунке. Какой полюс источника тока является положительным, а какой — отрицательным?

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

В данном упражнении нам известны направления движения трубки (а значит и направление действия силы) и направление магнитных линий. Поэтому мы можем применить правило левой руки и определить направление тока в этой цепи.

Магнитные линии входят в ладонь, а отставленный большой палец сонаправлен движению трубки (со скоростью $\vec \upsilon$). Четыре пальца укажут нам направление электрического тока — от A к B (рисунок 20).

Так как ток протекает от положительного полюса источника к отрицательному, мы можем определить и полюса источника. Верхний полюс — положительный, а нижний — отрицательный.

Упражнение № 3

Между полюсами магнитов (рисунок 21) расположены четыре проводника с током. Определите, в какую сторону движется каждый из них.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Для каждого проводника применяем правило левой руки. Магнитные линии, выходящие из северных полюсов магнитов входят в южные полюса. Они должны входить в ладонь. Четыре пальца мы должны направить по направлению тока, обозначенному на проводниках точкой или крестиком. Отставленный большой палец покажет нам направление силы, с которой магнитное поле действует на тот или иной проводник. Эта сила придает проводнику определенную скорость, с которой он придет в движение. Направление движения — это и есть направление силы $\vec F$.

Так, проводник 1 будет двигаться вверх, а проводник 2 — вниз (рисунок 22). Проводник 3 будет двигаться вниз, а проводник 4 — вверх.

Упражнение № 4

Отрицательно заряженная частица движется со скоростью $\vec \upsilon$ в магнитном поле (рисунок 23). Укажите направление силы, с которой поле действует на частицу.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

При применении правила левой руки для движущейся отрицательно заряженной частицы мы направляем наши четыре пальца противоположно движению частицы. Магнитные линии входят в ладонь. Направление силы, с которой поле действует на частицу, показано на рисунке 24.

Упражнение № 5

Магнитное поле действует с силой $\vec F$ на частицу, движущуюся со скоростью $\vec \upsilon$ (рисунок 25). Определите знак заряда частицы.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Используем правило левой руки для движущейся заряженной частицы. Магнитные линии входят в ладонь, большой палец указывает направление силы. В этом случае наши четыре пальца направлены противоположно скорости частицы (рисунок 26). Значит, частица обладает отрицательным зарядом.

Часто задаваемые вопросы