Действие магнитного поля и двигатель

Провод с током между полюсами магнита отклоняется. Как сила на прямом проводе может превратиться в вращение рамки, даже если сумма действующих на неё сил равна нулю?

Включим ток в проводе, расположенном поперёк поля магнита. Движущиеся заряды испытывают магнитное действие и через взаимодействие с веществом передают его проводу. Возникает сила, направленная поперёк тока и поля. Отключим ток — это действие исчезнет, хотя магнит останется. Важно отличать такую силу на ток от притяжения железа магнитом: для опыта провод не обязан быть железным.

Направление силы проверяют правилом левой руки. Расположи ладонь так, чтобы линии B входили в неё, а четыре пальца показывали условный ток. Большой палец, отогнутый на 90°, укажет силу. Обрати только ток — сила обратится; обрати только поле — тоже обратится; обрати оба — направление силы сохранится. В правиле используется условный ток, поэтому подставлять вместо него противоположное движение электронов нельзя.

От чего зависит величина отклонения? При поперечном расположении сильнее поле — сильнее действие; больше ток — большее действие на провод; длиннее находящийся в поле участок — больше суммарная сила. Поле характеризует магнитная индукция B в теслах, Тл. Активная длина l в метрах — только часть провода внутри рассматриваемого поля, а F измеряют в Н. Длина подводящих проводов вне поля в этот расчёт не входит.

Для прямого участка, перпендикулярного однородному полю, зависимости объединяются: F = BIl. Удвоение B, I или активной длины по отдельности удваивает F; при нулевом токе она равна нулю. При B в Тл, I в А и l в м получаем Н. Но поворот провода меняет результат: при расположении вдоль линий поля эта сила исчезает. Значит, нельзя подставлять в F = BIl произвольный наклонный участок и забывать условие перпендикулярности.

Согнём провод в рамку. На противоположных сторонах ток идёт в разные стороны, поэтому силы поля тоже противоположны. Можно решить, что они полностью «уничтожили» друг друга. Но силы приложены в разных местах и способны создать вращающий момент, как при повороте руля двумя руками. Их сумма может быть нулевой, а поворот — оставаться. Величина вращающего действия зависит от положения рамки и плеч сил.

Если оставить направление тока неизменным, рамка будет стремиться к определённому положению, а не бесконечно вращаться в одну сторону. В простом коллекторном двигателе ток переключают каждые пол-оборота, чтобы после прохождения этого положения силы снова поддерживали вращение. Переход помогают пройти инерция и устройство двигателя. Электрическая энергия превращается в механическую работу; часть энергии уходит на нагрев и другие потери.

Почему компас работает вдали от лабораторного магнита? Его стрелку ориентирует магнитное поле Земли. Северный конец обычно указывает примерно к географическому северу. Там внешние линии земного поля входят в Землю, то есть область по действию соответствует магнитной южной полярности и притягивает северный конец стрелки. Магнитные и географические полюса не совпадают, поэтому компас не является безошибочным указателем географического севера.

Поднесём к компасу магнит или провод с током: стрелка может заметно отклониться от привычного направления. Она откликается на местное суммарное поле, а не выбирает специально только Землю. Железные предметы тоже способны изменить это поле. Поэтому опыт с компасом проверяют вдали от посторонних магнитных влияний. Если стрелка неожиданно повернулась, сначала ищи изменение поля рядом, а не изменение положения географического полюса.

В однородном поле B = 0,2 Тл перпендикулярно линиям расположен участок 0,1 м с током 3 А. Найдите модуль силы.

Нужен модуль силы на активном участке длиной 0,1 м. Поле однородно, провод перпендикулярен линиям, поэтому подходит F = BIl.

F = 0,2·3·0,1 = 0,06 Н. Удвоение активной длины при том же токе и поле дало бы вдвое большую силу.

Направление силы этим произведением не определяется. Для правила левой руки нужны направления поля и тока; условие задачи требует только модуль.

Модуль силы 0,06 Н. Это действие поля на указанный участок провода, а не на всю длину цепи.

F = BIl описывает прямой участок поперёк однородного поля, а направление задаётся током и полем.

Разнесённые противоположные силы могут вращать рамку даже при нулевой сумме сил.

Двигатель поддерживает вращение переключением тока; компас ориентируется по местному суммарному полю.

Теперь поменяем причину и результат: движение магнита сможет породить электрическое напряжение.