Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера.

Рамка зі струмом у магнітному полі повертається внаслідок дії поля спочатку на кожну ділянку рамки зі струмом. До такого висновку вперше дійшов 1820 року французький фізик Ампер. Провівши багато дослідів, він встановив закон, названий його іменем,

F _A = BIlsina.

Сила Ампера F_A дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на силу струму I, довжину ділянки провідника l і на синус кута a між вектором і напрямом струму.

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки (рис. 4.4.5). Якщо ліву руку розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнутих пальці були напрямлені так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника.

Закон Ампера використовують для розрахунку сил, що діють на провідники зі струмом, у багатьох технічних пристроях, зокрема в електродвигунах.

Робота при переміщенні провідників у магнітному полі.

Розглянь контур, що містить ЭДС, що володіє такий особливістю: провідник АВ може вільно переміщатися. Контур поміщений в однорідне магнітне поле, спрямоване за малюнок перпендикулярно площі контуру. На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила Ампера

 

Під дією цієї сили провідник АВ переміщається на Δх. Тоді робота сили Ампера по переміщенню провідника на Δх буде рівна

Робота, чинена при переміщенні провідника зі струмом у магнітному полі, визначається добутком сили струму, що тече по провідникові, на зміну магнітного потоку. Причому зміна магнітного потоку визначається добутком величини магнітної індукції на площу, пересічну при переміщенні провідника. Робота з переміщення провідника зі струмом відбувається джерелом струму. Магнітне поле роботу не робить. Індукція магнітного поля в цьому процесі не змінюється.

Сила Лоренца

Дія магнітного поля на провідник зі струмом є результатом дії поля на рухомі заряджені частинки всередині провідника.

Силу, яка діє на кожен рухомий заряд з боку магнітного поля, називають силою Лоренца. Її можна знайти за допомогою сили Ампера:

,

де N - кількість вільних носіїв заряду в провіднику.

Розглянемо ділянку провідника зі струмом (рис.4.4.6). Нехай його довжина Dl і площа поперечного перерізу S настільки малі, що індукцію магнітного поля можна вважати незмінною в межах провідника. Сила струму в провіднику згідно з формулою

 

З урахуванням рівняння ,сила Ампера:

, де nSDl = N - кількість вільних носіїв заряду.

Підставивши вираз для сили Ампера у формулу , знаходимо вираз для сили Лоренца:

; ,

де α - кут між векторами швидкості вільних носіїв заряду і магнітної індукції.

Напрям сили Лоренца, як і напрям сили Ампера визначається за допомогою правила лівої руки (рис.4.4.7). Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції , перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90? великий палець покаже напрям сили Лоренца F_л, що діє на заряд.

Оскільки сила Лоренца перпендикулярна до швидкості частинки, то вона не виконує роботу. Згідно з теоремою про кінетичну енергію це означає, що вона не змінює кінетичної енергії частинки і, отже, модуля її швидкості. Під дією сили Лоренца змінюється лише напрям швидкості частинки. Якщо частинка влітає перпендикулярно до вектора магнітної індукції, то в магнітному полі вона буде рухатися по колу (рис.4.4.8). Якщо частинка влітає під кутом , то вона далі в магнітному полі буде рухатися по спіралі (рис.4.4.9).

 

Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці. У кінескопах телевізорів електрони, що летять до екрана, відхиляються магнітним полем. Дію сили Лоренца застосовують у мас-спектрографах - приладах, що дозволяють визначати маси частинок за знайденими значеннями їх питомих зарядів.