2.11. Опыт Ампера. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Сила Ампера

Теоретическая справка

Опыт Ампера по взаимодействию двух параллельных проводников с током: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, которая называется сила Ампера. Этот факт позволяет ввести силовую характеристику магнитного поля – вектор магнитной индукции  по следующим правилам:

1. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению модуля силы $F$, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока $I$ в проводнике и его длине $l$ (сразу заметим, что это отношение для данной конкретной точки поля не будет зависеть ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника, именно поэтому это отношение можно принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника)

$B=\frac{F}{Il}$.  

2. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Единица измерения в СИ – тесла (Тл). Физический смысл: 1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Линия магнитной индукции– это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Важно! Линии магнитного поля это и есть линии магнитной индукции. Зная, картину линий того или иного магнитного поля (по сути картину линий магнитной индукции), можно определить направление вектора магнитной индукции.

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным. В противном случае – неоднородным.

Сила Ампера, действующая на проводник c током силой $I$ длиной $l$, помещенный в магнитное поле с индукцией $B$, находится по формуле 

$F_A=IBl sin \alpha$,

при условии, что проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Важно! Часто возникает путаница между применением правила правой руки и правила левой руки. Правило правой руки используется для определения направлений линий магнитного поля. Правило левой руки используется для определения направлений сил.

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к скорости частицы составляющая вектора магнитной индукции B входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Важно! Если заряд частицы отрицательный, то четыре пальца располагаем против вектора скорости частицы.

Важно! Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно, т.к. сила Лоренца на нее не действует.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает  направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

1) вправо →
2) влево ←
3) вниз ↓
4) вверх ↑

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены «от нас» перпендикулярно плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении Вы долны видеть свою ладонь), а четыре отставленных пальца указывали направление тока (направлены влево), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вниз.

Ответ: 3

[свернуть]

2. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

На каком рисунке верно изображены направление электрического тока и взаимодействие проводников?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ток по проводникам будет течь в одном направлении «от плюса к минусу» (рисунки 1 и 4). Если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются.

Ответ: 1

[свернуть]

3. На длинных проводящих нитях (см. рисунок), подсоединённых к источнику постоянного тока, подвешена упругая медная пружинка длиной l0. Что произойдёт с длиной пружины, если цепь разомкнуть? Изменением размера пружины при нагревании пренебречь. Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: длина увеличится.

Пояснение. По соседним виткам пружины токи текут в одном направлении. Проводники, по которым ток течёт в одном направлении, притягиваются, благодаря магнитному взаимодействию. Поэтому длина пружины при протекании в ней электрического тока уменьшается по сравнению с исходной длиной пружины. После размыкания цепи притяжение исчезнет, и пружина восстановит свою форму.

[свернуть]

4. В вертикальном однородном магнитном поле на горизонтальных проводящих рельсах перпендикулярно им расположен горизонтальный стальной брусок (см. рисунок). Модуль вектора магнитной индукции равен 0,1 Тл. Чтобы брусок сдвинуть с места, по нему необходимо пропустить ток в 40 А. Расстояние между рельсами равно 15 см, коэффициент трения скольжения между бруском и рельсами равен 0,2. Чему равна масса бруска?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Дано: модуль вектора магнитной индукции $B=0,1$ Тл; расстояние между рельсами $l=0,15$ м; сила тока при которой брусок сдвинется — $I=40$ А; коэффициент трения скольжения $\mu =0,2$.

Найти: масса бруска $m$.

Решение. При пропускании электрического тока по стальному бруску, на него со стороны магнитного поля будет действовать сила Ампера. Согласно правилу левой руки, эта сила будет действовать в горизонтальном направлении (вправо или влево, зависит от направления тока). Чтобы сдвинуть брусок, сила Ампера должна преодолеть силу трения покоя, действующую на брусок. Максимальное значение силы трения покоя будем считать равным силе трения скольжения, поэтому должно выполняться равенство

$F_A= \mu N$.

В вертикальном направлении силы тяжести и реакции опоры компенсируют друг друга, поэтому 

$N=mg$.

Учитывая, что модуль силы Ампера в числе прочего зависит от силы тока в проводнике, найдем такую силу тока, при которой выполнятся условия описанные выше и брусок придет в движение

$IBl=\mu mg$

$m= \frac{IBl}{\mu g} $,

$I= \frac{40 \cdot 0,1 \cdot 0,15}{0,2 \cdot 10}=0,3 $ кг.

Ответ: 0,3 кг.

[свернуть]

5. Параллельно висящему проводнику, по которому течёт электрический ток, расположили другой проводник, соединённый с источником тока. Что произойдёт с проводниками при замыкании цепи, в которую включён второй проводник?

1) состояние проводников не изменится
2) проводники притянутся друг к другу
3) проводники оттолкнутся друг от друга
4) проводники притянутся друг к другу или оттолкнутся друг от друга в зависимости от направлений токов

Нажмите, чтобы увидеть решение

Результат взаимодействия проводников будет зависеть от направления тока в проводниках, если токи будут течь в одном направлении, то проводники притянутся, если токи будут течь в противоположных направлениях, то проводники будут отталкиваться.

Ответ: 4

[свернуть]

6. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

1) вправо →
2) влево ←
3) вниз ↓
4) вверх ↑

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены «к нам» перпендикулярно плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении ладонь обращена к рисунку), а четыре отставленных пальца указывали направление тока (направлены вниз), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. влево.

Ответ: 2

[свернуть]

7. Прямолинейный проводник длиной 10 см расположен между полюсами подковообразного магнита перпендикулярно вектору магнитной индукции. Модуль вектора магнитной индукции равен 0,4 Тл. При пропускании по проводнику электрического тока на проводник подействовала сила Ампера 0,2 Н. Каково сопротивление проводника, если напряжение на его концах 100 В? Вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Дано: напряжение на концах проводника $U=100$ В; длина проводника — $l=0,1$ м, модуль вектора магнитной индукции — $B=0,4$ Тл; модуль сила Ампера — $F_A=0,2$ Н.

Найти: сопротивление проводника — $R$.

Решение. Найдем силу тока в проводнике, зная, что модуль силы Ампера находится как 

$F_A=IBl\Rightarrow I=\frac{F_A}{Bl}$.

Сопротивление проводника найдем из закона Ома для участка цепи

$R=\frac{U}{I}$,

$R=\frac{U}{I}=U:\frac{F_A}{Bl}=\frac{UBl}{F_A}$,

$R=\frac{100 \cdot 0,4 \cdot 0,1}{0,2}=20$ Ом.

Ответ: сопротивление проводника составляет 20 Ом.

[свернуть]

8. В магнитное поле, созданное сильными постоянными магнитами, влетает пучок протонов, скорость которых направлена горизонтально (см. рисунок). Как направлена сила, действующая на протоны?

1) влево
2) вправо
3) за плоскость чертежа (от нас)
4) из-за плоскости чертежа (на нас)

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены вниз от северного полюса к южному в плоскости рисунка. На протон в магнитном поле действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении рука ребром обращена к рисунку ладонью вверх), а четыре отставленных пальца указывали направление скорости движения положительно заряженных частиц (направлены вправо), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, т.е. за плоскость чертежа (от нас).

Ответ: 3

[свернуть]

9. По лёгкой проводящей рамке, расположенной между полюсами дугообразного магнита перпендикулярно магнитным линиям, пропустили электрический ток, направление которого указано на рисунке.

При этом рамка

1) останется на месте
2) повернётся на 180о
3) повернётся на 90о, причём передняя сторона рамки будет двигаться слева направо
4) повернётся на 90о, причём передняя сторона рамки будет двигаться справа налево

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле будет направлено от северного полюса магнита к южному (перпендикулярно сторонам рамки). По правилу левой руки, на противоположные стороны рамки будут действовать силы, равные по величине, но противоположные по направлению, например, на ближайшую к нам сторону рамки сила направлена «от нас», а на удаленную — «на нас». Таким образом, рамка будет оставаться на месте.

Ответ: 1

[свернуть]

10. Какова длина горизонтального проводника с электрическим сопротивлением 2,6 Ом, подвешенного на двух тонких вертикально изолирующих нитях в горизонтальном однородном магнитном поле индукцией 0,02 Тл перпендикулярно линиям магнитной индукции, если при подключении проводника к напряжению 5,2 В общее натяжение нитей уменьшилось на 20 мН?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Дано: сопротивление проводника — $R=2,6$ Ом; индукция магнитного поля — $B=0,02$ Тл; напряжение на концах проводника — $U=5,2$ В; изменение натяжения нитей — $\Delta F=0,02$ Н.

Найти: длина проводника — $l-?$

Решение. Натяжение нитей уменьшается в следствии действия силы Ампера со стороны магнитного поля при пропускании тока через проводник. Сила Ампера «приподнимает» проводник, уменьшая натяжение нитей. Значит модуль силы Ампера и равен изменению натяжения нитей $F_A=\Delta F$.

Распишем формулу нахождения модуля силы Ампера и выразим из нее длину проводника

$F_A=IBl=\Delta F$,

$l=\frac{\Delta F}{IB}$.

Силу тока найдем по закону Ома

$I=\frac{U}{R}$,

$I=\frac{5,2}{2,6}=2$ А.

$l=\frac{0,02}{2 \cdot 0,02}=0,5$ м.

Ответ: длина проводника 0,5 м.

[свернуть]

11. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами полосовых магнитов (см. рисунок), направлена

1) вправо →
2) влево ←
3) вниз ↓
4) вверх ↑

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены вправо от северного полюса к южному в плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении рука расположена относительно рисунка перпендикулярно, ладонью влево), а четыре отставленных пальца указывали направление тока в проводнике (направлены к наблюдателю), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вверх.

Ответ: 4

[свернуть]

12. Учитель на уроке, используя два параллельных провода, ключ, источник тока, соединительные провода, собрал две электрические схемы для исследования взаимодействия двух проводников с электрическим током (см. рисунок).

Условия проведения опытов и наблюдаемое взаимодействие проводников представлены в таблице.

Опыт 1.

Взаимодействие проводников при пропускании через них электрического тока Iв одном направлении

Опыт 2.

Взаимодействие проводников при пропускании через них электрического тока Iв противоположных направлениях

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Параллельные проводники с электрическим током притягиваются, если токи протекают в одном направлении.
2) Параллельные проводники с электрическим током отталкиваются, если токи протекают в противоположном направлении.
3) При увеличении расстояния между проводниками взаимодействие проводников ослабевает.
4) При увеличении силы тока взаимодействие проводников усиливается.
5) Вокруг каждого из проводников с током возникает магнитное поле.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. По результатам опыта 1.

Утверждение 2 — верно. По результатам опыта 2.

Утверждение 3 — неверно. Расстояние между проводниками не изменялось.

Утверждение 4 — неверно. Про силу тока в опытах ничего не говорится.

Утверждение 5 — неверно. Возможно взаимодействие проводников обусловлено другими причинами. Если бы наблюдали взаимодействие проводника с током, например, с постоянным магнитом, то тогда можно было бы сделать такой однозначный вывод.

Ответ: 12

[свернуть]

13. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки А к точке В.
2) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
3) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт неоднородное магнитное поле.
4) При замкнутом ключе проводник будет втягиваться в область магнита влево.
5) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, уменьшится.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — неверно. Ток течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. В проводнике АВ он будет направлена от В к А.

Утверждение 2 — верно. Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены от северного полюса к южному полюсу магнита, т.е. вертикально вниз.

Утверждение 3 — верно. Магнитное поле проводника с током неоднородно.

Утверждение 4 — неверно. По правилу левой руки, на проводник будет действовать сила Ампера, направленная вправо, туда же будет двигаться проводник.

Утверждение 5 — неверно. При перемещении ползунка реостата влево, его сопротивление уменьшается, поэтому сила тока в цепи увеличится. При увеличении силы тока, модуль силы Ампера увеличится.

Ответ: 23

[свернуть]

14. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

1) вправо →
2) влево ←
3) вниз ↓
4) вверх ↑

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены вправо в плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении рука расположена относительно рисунка перпендикулярно, ладонью влево), а четыре отставленных пальца указывали направление тока в проводнике (направлены к наблюдателю), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вниз.

Ответ: 3

[свернуть]

15. В горизонтальном однородном магнитном поле на горизонтальных проводящих рельсах перпендикулярно линиям магнитной индукции расположен горизонтальный проводник массой 4 г (см. рис.). Расстояние между рельсами 20 см. Модуль вектора магнитной индукции равен 0,02 Тл. Через проводник пропускают электрический ток. При каком значении силы тока вес проводника станет равным нулю?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Дано:  расстояние между рельсами — $l=0,2$ м; масса бруска — $m=0,004$ кг; модуль вектора магнитной индукции $B=0,02$ Тл.

Найти: силу электрического тока в проводнике — $I$.

Решение. При пропускании электрического тока по проводнику, на него со стороны магнитного поля будет действовать сила Ампера. Согласно правилу левой руки, эта сила будет действовать в вертикальном направлении (вверх или вниз, зависит от направления тока). Чтобы брусок находился в невесомости необходимо, чтобы сила Ампера была равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести, действующую на брусок 

$F_A= mg$.

$IBl= mg$

$I= \frac{mg}{Bl} $,

$I= \frac{0,004 \cdot 10}{0,02 \cdot 0,2}=10$ А.

Ответ: 10 А.

[свернуть]

16. В однородном магнитном поле, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно рисунку от наблюдателя, находится электрическая цепь, состоящая из прямолинейных проводников. В какую сторону направлена сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник 1–2?

1) вертикально вверх ↑
2) вертикально вниз ↓
3) горизонтально влево ←
4) горизонтально вправо →

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости рисунка от наблюдателя. Ток течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. В проводнике 12 он будет направлена вниз. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении рука расположена относительно рисунка ладонью к наблюдателю), а четыре отставленных пальца указывали направление тока в проводнике (направлены вниз), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вправо.

Ответ: 4

[свернуть]

17. Какое(-ие) из утверждений является(-ются) верным(-и)?

Магнитное поле можно обнаружить по действию

А. на магнитную стрелку.
Б. на проводник с током.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле проявляется около постоянных магнитов и проводников, по которым идет электрический ток. Широко распространенным индикатором магнитного поля является магнитная стрелка (компас). Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что магнитное поле постоянного магнита действует на проводник с током.

Ответ: 3

[свернуть]
 

18. Между полюсами постоянного магнита помещен проводник с током, направление которого показано на рисунке. По какой из стрелок: 1, 2, 3 или 4 — направлена сила, действующая на проводник с током?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены вправо от северного полюса к южному в плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении рука расположена относительно рисунка ладонью к нему), а четыре отставленных пальца указывали направление тока в проводнике (направлены вниз), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вдоль стрелки 4.

Ответ: 4

[свернуть]

19. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия.

К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго и запишите выбранные цифры в таблицу под соответствующими буквами.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
А) Ванна для электролиза

Б) Двигатель постоянного тока

В) Лампа накаливания

1) Взаимодействие постоянных магнитов
2) Действие магнитного поля на проводник с током
3) Явление электромагнитной индукции
4) Тепловое действие тока
5) Химическое действие тока

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) Ванна для электролиза — химическое действие тока;

Б) Двигатель постоянного тока — действие магнитного поля на проводник с током;

В) Лампа накаливания — тепловое действие тока.

Ответ: 524

[свернуть]

20. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка на читателя. Какому из векторов (1-4) сонаправлена сила Ампера, действующая на проводник с током?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Линии магнитного поля направлены «к нам» перпендикулярно плоскости рисунка. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: нужно расположить руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь (при правильном расположении ладонь обращена к рисунку), а четыре отставленных пальца указывали направление тока (направлены вправо), тогда отставленный большой палец укажет направление силы Ампера, т.е. вниз.

Ответ: 4

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Опыт Ампера. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Сила Ампера (1463 Загрузки )