Сила Ампера

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

3. Електромагнітне поле

УРОК 2/29

Тема. Сила Ампера

Мета уроку: розглянути дія магнітного поля на провідник зі струмом.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	4 хв.	1. Магнітне поле. 2. Силова характеристика магнітного поля. 3. Напрямок вектора магнітної індукції. 4. Графічне зображення магнітного поля.
Демонстрації	4 хв.	1. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. 2. Дія магнітного поля на рамку зі струмом.
Вивчення нового матеріалу	27 хв.	1. Як визначають модуль і напрямок сили Ампера. 2. Рамка зі струмом у магнітному полі. 3. Як працює двигун постійного струму?
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Як визначають модуль і напрямок сили Ампера

Розглянемо силу, що діє з боку магнітного поля на провідник зі струмом. Цю силу називають силою Ампера.

З визначення

магнітної індукції випливає, що максимальна сила Ампера дорівнює: FAmax = BIl.

Сила Ампера залежить від орієнтації провідника щодо вектора магнітної індукції: магнітне поле не впливає на провідник зі струмом, вісь якого паралельна до ліній магнітної індукції, і сила Ампера максимальна у випадку, коли вісь провідника перпендикулярна до ліній магнітної індукції.

Модуль сили Ампера залежить тільки від проекції вектора магнітної індукції на вісь, перпендикулярну до осі провідника: B = B sin, де – кут між вектором магнітної індукції й напрямком струму в провіднику.

Таким чином, закон Ампера можна записати у вигляді:

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки:

O якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на провідник з боку магнітного поля.

2. Рамка зі струмом у магнітному полі

Розглянемо дію однорідного магнітного поля з магнітною індукцією B на тверду прямокутну рамку із силою струму в ній I. Будемо вважати лінії магнітного поля горизонтальними.

Розглянемо, які сили діють на протилежні сторони рамки зі струмом у магнітному полі. По них течуть струми, напрямлені в протилежні сторони. Тому сили, що діють із боку магнітного поля на протилежні сторони рамки, будуть протилежно напрямлені. Ці сили будуть повертати рамку. Таким чином, магнітне поле чинить на рамку зі струмом орієнтувальну дію: рамка буде повертатися доти, поки обидві сили Ампера не будуть напрямлені уздовж однієї прямої, тобто поки площина рамки не стане перпендикулярною до магнітних ліній.

Визначимо момент сил, що діють на рамку. Позначимо a і b – довжини відповідно горизонтальної й вертикальної сторін рамки, ? – кут між площиною рамки й лініями магнітного поля. На рисунку показаний вид рамки зверху й сили, що діють на вертикальні сторони рамки.

Модуль кожної із цих сил Fa = BIb, момент пари сил дорівнює M = FAl = Blab – cos? = BIS – cos?, де S – площа рамки.

Положення рамки прийнято визначати за кутом а між лініями магнітного поля й перпендикуляром (вектором нормалі n) до площі рамки. Напрямок нормалі вибирають так, щоб він був пов’язаний із напрямком струму в рамці правилом буравчика. Очевидно, що cos? = sin. Отже, на рамку діє момент сил M = BIS – sin.

Момент сил дорівнює нулю, якщо = 0 (у положенні стійкої рівноваги) або = 180° (у положенні нестійкої рівноваги). У положенні стійкої рівноваги сили Ампера намагаються розтягти рамку, а в положенні нестійкої рівноваги – стиснути.

3. Як працює двигун постійного струму

Обертання рамки зі струмом у магнітному полі використовують в електричних двигунах – пристроях, у яких електрична енергія перетворюється в механічну.

Щоб ротор (рухлива частина електродвигуна) обертався, необхідно розв’язати дві головні проблеми.

1). Провідник не можна припаяти одним кінцем до контакту на роторі, а другим – до контакту на статорі (нерухомої частини електродвигуна): такий провідник швидко обірветься. Щоб підтримувати струм в обмотці ротора, винайшли ковзні контакти, а в більшості електродвигунів змінного струму навчилися взагалі обходитися без контактів, використовуючи явище електромагнітної індукції.

2). Якщо напрямок магнітної індукції й струму в рамці не змінюється, то ротор просто зупиниться в положенні стійкої рівноваги. Щоб забезпечити безперервне обертання ротора, у двигунах постійного струму застосовують колектор. Завдяки використанню колектора напрямок струму в рамці через кожні півоберту змінюється на протилежний. У результаті сили, що діють на рамку, обертають її увесь час у тому самому напрямку (див. рисунок).

Нерухому частину електродвигуна називають статором (у перекладі з латини – “нерухомий”). У статорі невеликого електродвигуна розташований постійний магніт з полюсами спеціальної форми. У статорі потужного електродвигуна розташований електромагніт.

Отже, щоб сконструювати електричний двигун, необхідно мати: 1) постійний магніт; 2) провідний контур; 3) джерело струму; 4) колектор.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Від чого залежить сила, що діє на прямолінійний провідник зі струмом у зовнішньому магнітному полі?

2. Чому магнітне поле не діє на провідник без струму? Адже вільні електрони в провіднику перебувають у постійному тепловому русі.

Другий рівень

1. Чим зумовлена орієнтувальна дія магнітного поля на рамку зі струмом?

2. Як можна довести, що в положенні стійкої рівноваги сили Ампера намагаються розтягти рамку, а в положенні нестійкої рівноваги – стиснути?

3. Прямокутна рамка зі струмом перебуває в однорідному магнітному полі. Як потрібно повернути рамку, щоб на неї діяв найбільший обертальний момент?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Як можна змінити напрямок сили, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі?

2. Поясніть, чому рамка зі струмом не зможе зупинитися в положенні стійкої рівноваги.

3. Як можна змінити напрямок обертання електродвигуна на протилежний?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Через провідник завдовжки 60 см тече струм силою 1,2 А. Визначте найбільше й найменше значення сили Ампера, що діє на провідник, за умови різних його положень в однорідному магнітному полі, індукція якого 1,5 Тл.

2. Визначте: напрямок сили Ампера (рис. 1); полюси магніту (рис. 2); напрямок струму в провіднику (рис. 3).

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Силу, з якої магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера:

– Напрямок сили Ампера визначається за правилом лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні великий палець покаже напрямок сили, що діє на провідник з боку магнітного поля.

– На рамку зі струмом у магнітному полі діє момент сил:

– Поворот рамки зі струмом у магнітному полі використовують в електродвигунах. Для того щоб сили, які діють на рамку зі струмом у магнітному полі, обертали рамку увесь час у тому самому напрямку, використовують колектор.

– За допомогою колектора в електродвигуні постійного струму забезпечують ковзний електричний контакт із обмоткою ротора, а також періодично змінюють напрямок струму, що необхідно для обертання ротора в одному напрямку.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 19; підр-2: § 10 (п. 3).

2. Зб.:

Рів1 № 7.6; 7.10; 7.11; 7.13.

Рів2 № 7.22; 7.23; 7.25; 7.27.

Рів3 № 7.48, 7.49; 7.507; 7.51.