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

фундаментальное физическое явление, заключающееся в возникновении механической выталкивающей силы, действующей со стороны внешнего магнитного поля на помещенный в него проводник с электрическим током:

• 1. Микроскопическая природа — электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц; магнитное поле действует на каждую движущуюся частицу внутри проводника (сила Лоренца), а их суммарное силовое воздействие через соударения передается кристаллической решетке проводника.
• 2. Факторы направления — направление силы зависит от направления электрического тока в проводнике и направления магнитных линий внешнего поля. При изменении направления тока или при смене полюсов магнита направление силы меняется на противоположное.

мнемоническое правило для определения направления силы, действующей со стороны магнитного поля на прямолинейный проводник с электрическим током:

• 1. Каноническая формулировка — если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей (ладонь обращена к северному полюсу $N$), а четыре сомкнутых пальца были направлены по току, то отставленный на $90^\circ$ большой палец покажет направление силы, действующей на проводник.
• 2. Условие максимального действия — электромагнитная сила достигает наибольшего значения, когда проводник ориентирован строго перпендикулярно линиям магнитного поля.

мнемоническое правило для нахождения направления силы Лоренца, действующей со стороны магнитного поля на свободную заряженную частицу:

• 1. Положительный заряд — если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца указывали направление вектора скорости частицы $\vec{v}$, то отогнутый на $90^\circ$ большой палец укажет направление действующей силы.
• 2. Отрицательный заряд (электрон) — четыре вытянутых пальца направляют строго против направления движения отрицательно заряженной частицы; большой палец при этом указывает направление силы.
• 3. Влияние на траекторию — поскольку сила направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, она сообщает ей центростремительное ускорение и искривляет траекторию (заставляет частицу двигаться по окружности или спирали), не изменяя величины ее скорости и кинетической энергии.

физическая закономерность, определяющая ориентации, при которых механическая сила со стороны магнитного поля не возникает:

• 1. Параллельное движение — если направление электрического тока в прямолинейном проводнике или вектор скорости заряженной частицы совпадает с направлением линий магнитного поля либо параллельно им ($\alpha = 0^\circ$ или $\alpha = 180^\circ$), то сила действия поля строго равна нулю.
• 2. Покоящийся заряд — на неподвижную заряженную частицу ($v = 0$) постоянное магнитное поле не оказывает никакого силового воздействия.

общепринятая система проекционного изображения пространственных векторов:

• 1. Крестик ($\otimes$) — вектор направлен перпендикулярно плоскости чертежа от наблюдателя вглубь страницы (по аналогии с оперением улетающей стрелы).
• 2. Точка ($\odot$) — вектор направлен перпендикулярно плоскости чертежа к наблюдателю из страницы наружу (по аналогии с острием летящей навстречу стрелы).

Наличие силы наглядно обнаруживается с помощью опыта с подвижной рамкой в зазоре постоянного магнита (рис. 144 учебника):

• Трёхсторонняя рамка $ABCD$, изготовленная из легкой медной проволоки, подвешивается на гибких подводящих проводах к изолирующей штанге так, чтобы ее горизонтальная сторона $BC$ свободно находилась между полюсами дугообразного магнита.
• При разомкнутом ключе рамка висит строго вертикально под действием силы тяжести.
• В момент замыкания ключа по рамке начинает течь электрический ток, и сторона $BC$ мгновенно отклоняется от вертикали (втягивается вглубь магнита или выталкивается наружу).
• Отклонение рамки от положения равновесия прямо доказывает, что со стороны магнитного поля на проводник с током действует механическая выталкивающая сила (сила Ампера).

Направление силы, действующей на проводник с током, зависит от двух факторов:

• От направления электрического тока в проводнике: если изменить полярность подключения источника тока (пустить ток в обратную сторону), то проводник отклонится в противоположном направлении (рис. 144, б).
• От направления линий магнитного поля: если, сохранив прежнее направление тока, перевернуть дугообразный магнит (поменять местами северный и южный полюсы), проводник также отклонится в противоположную сторону (рис. 145).
• Вывод: направление электромагнитной силы взаимно связано с направлением электрического тока в проводнике и направлением линий магнитного поля.

1. Для проводника с током (рис. 146):

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на $90^\circ$ большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

2. Для движущейся заряженной частицы (рис. 147):

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный на $90^\circ$ большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Сила действия магнитного поля равна нулю в случаях, когда:

• Направление тока в прямолинейном проводнике совпадает с линией магнитного поля или параллельно ей (проводник ориентирован строго вдоль линий поля, как показано на рис. 148, а);
• Вектор скорости заряженной частицы направлен вдоль линий магнитного поля (частица влетает в поле строго параллельно магнитным линиям «по полю» или «против поля», рис. 148, б);
• Заряженная частица покоится относительно магнитного поля ($v = 0$) — неподвижные электрические заряды магнитным полем не отклоняются.