Электродинамика
⚡ Физика · 11 класс
Магнитное поле и его действие
Магнитное поле — особый вид материи, который создаётся движущимися зарядами (током) и действует на другие движущиеся заряды и проводники с током. Его силовая характеристика — вектор магнитной индукции B, измеряемый в теслах (Тл). Линии магнитного поля всегда замкнуты — магнитных зарядов в природе не существует.
Сила Ампера
На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера:
F = B · I · L · sin α
где I — сила тока, L — длина проводника, α — угол между током и вектором B. Направление силы определяют по правилу левой руки. На этом эффекте работают электродвигатели.
Сила Лоренца
На отдельный движущийся заряд магнитное поле действует с силой Лоренца:
F = q · v · B · sin α
Эта сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она не совершает работы и не меняет модуль скорости, а лишь искривляет траекторию. В однородном поле заряд движется по окружности.
| Сила | Формула | На что действует | Правило |
|---|---|---|---|
| Ампера | F = BIL sin α | проводник с током | левой руки |
| Лоренца | F = qvB sin α | движущийся заряд | левой руки |
Электромагнитная индукция
При изменении магнитного потока через контур в нём возникает ЭДС индукции. Магнитный поток: Ф = B · S · cos α. Закон электромагнитной индукции Фарадея:
ε = − ΔФ / Δt
Знак минус выражает правило Ленца: индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать причине, его вызвавшей. На индукции основана работа генераторов и трансформаторов — практически вся электроэнергия в мире вырабатывается именно так. Поток можно менять тремя способами: изменяя индукцию B, площадь контура S или угол α между ними. Вращение рамки в магнитном поле меняет угол и потому даёт переменную ЭДС — это и есть принцип генератора переменного тока.
Разбор задачи
Проводник длиной 0,5 м с током 4 А находится в поле индукцией 0,2 Тл перпендикулярно линиям поля. Найдите силу Ампера.
F = B · I · L · sin 90°
F = 0,2 · 4 · 0,5 · 1
F = 0,4 Н
На проводник действует сила Ампера 0,4 Н. Если бы проводник развернули вдоль линий поля (α = 0°), синус обратился бы в ноль и сила исчезла — направление тока относительно поля решает всё.
Частые ошибки. 1) Забывают про синус угла: при движении заряда вдоль поля (α = 0) сила равна нулю. 2) Считают, что сила Лоренца разгоняет заряд — нет, она лишь поворачивает скорость. 3) Путают магнитный поток Ф (в веберах) и индукцию B (в теслах).
Кратко о главном
- Магнитное поле создаётся током и действует на токи и заряды.
- Сила Ампера: F = BIL sin α — действует на проводник.
- Сила Лоренца: F = qvB sin α — поворачивает заряд, не меняя его скорости.
- При изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции (закон Фарадея).
- Правило Ленца: индукционный ток противодействует изменению потока.