§ 55. Действие магнитного поля на проводник с током. Правило левой руки

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ

Ранее мы выяснили, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое действует на магнитные стрелки. По закону взаимодействия тел должно существовать и обратное явление: постоянный магнит обязан с равной по величине силой действовать на проводник с током.

Чтобы экспериментально обнаружить эту силу, соберём демонстрационную установку:

1. Подвесим лёгкую трёхстороннюю рамку из медного провода ABCD на гибких изолированных проводниках так, чтобы её нижняя горизонтальная перекладина BC свободно висела в зазоре между полюсами сильного дугообразного магнита (рис. 144).
2. При замыкании ключа в рамке возникает электрический ток, и она немедленно отклоняется от вертикали (рис. 144, а), выталкиваясь из межполюсного пространства магнита наружу.
3. Если с помощью переключателя изменить направление тока в проводнике на противоположное, рамка качнётся в другую сторону — втянется внутрь магнита (рис. 144, б).
4. Если же оставить направление тока неизменным, но перевернуть сам магнит (поменять местами его полюсы, изменив тем самым направление магнитных линий, рис. 145), направление движения проводника также изменится на противоположное.

Этот опыт доказывает фундаментальный факт: со стороны магнитного поля на проводник с током действует механическая сила. Направление этой силы строго зависит от взаимной ориентации двух величин — направления электрического тока в проводнике и направления магнитных линий поля. Эту силу в физике называют силой Ампера — в честь французского учёного Андре Мари Ампера, детально исследовавшего её свойства.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ ДЛЯ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ

Для безошибочного определения направления механической силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, существует универсальное мнемоническое правило левой руки (рис. 146):

Если расположить левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей (то есть ладонь была обращена навстречу северному полюсу N), а четыре сомкнутых пальца были направлены по направлению электрического тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на проводник силы.

Это правило позволяет заранее рассчитать, в какую сторону сдвинется токоведущий провод, повернётся катушка электроизмерительного прибора или раскрутится ротор электродвигателя.

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СИЛЫ: ДЕЙСТВИЕ НА ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

В чём заключается глубинная физическая причина возникновения силы Ампера?

Электрический ток в металлическом проводнике — это не сплошная жидкость, а направленный поток огромного числа микроскопических свободных электронов. Когда проводник находится в магнитном поле, само поле не действует на неподвижные нейтральные атомы кристаллической решётки металла. Магнитное поле воздействует непосредственно на каждую отдельную движущуюся заряженную частицу (в старших классах эту силу называют силой Лоренца).

Под действием магнитных сил движущиеся электроны отклоняются к одной из боковых граней провода. Сталкиваясь с ионами кристаллической решётки, электроны передают им полученный импульс, увлекая за собой весь металлический проводник как единое целое. Сила Ампера, действующая на макроскопический проводник, представляет собой просто сумму сил, действующих на все свободные электроны, движущиеся в объёме проводника.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ ДЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ

Поскольку магнитное поле действует на индивидуальные движущиеся заряды, правило левой руки успешно применяется не только к проводам, но и к свободным пучкам заряженных частиц в вакууме или газе (например, к электронам в кинескопе или протонам в ускорителе элементарных частиц, рис. 147).

Здесь необходимо учитывать знак электрического заряда:

• Для положительно заряженной частицы (+q, протон, ион, рис. 147, б):

Левую руку ориентируют так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости частицы (куда она летит). Тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление магнитной силы.

• Для отрицательно заряженной частицы (-q, электрон, рис. 147, а):

Поскольку за направление электрического тока исторически принято считать движение положительных зарядов, а электроны заряжены отрицательно, четыре пальца левой руки следует направить строго ПРОТИВ направления движения электрона. Линии поля по-прежнему входят в ладонь, и отогнутый большой палец покажет правильное направление силы, искривляющей траекторию электрона.

КОГДА МАГНИТНАЯ СИЛА РАВНА НУЛЮ

Эксперименты показывают, что величина магнитной силы существенно зависит от угла между проводником и магнитными линиями:

• Максимальная сила: Сила действия поля на проводник или частицу достигает наибольшего значения, когда проводник расположен перпендикулярно магнитным линиям (угол 90°).
• Сила равна нулю: Если прямолинейный проводник с током расположить вдоль (параллельно) магнитных линий или пустить заряженную частицу точно вдоль линий поля (как по направлению поля, так и навстречу ему, рис. 148), магнитная сила полностью равна нулю!

В этом случае проводник не испытывает никакого механического воздействия и не сдвигается с места, а заряженная частица продолжает двигаться прямолинейно и равномерно по инерции, совершенно не замечая присутствия магнитного поля.