Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Магнитное поле действует с силой на проводник с током и на движущуюся заряженную частицу. Направление силы находят по правилу левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца — по току, отставленный на 90° большой палец показывает силу.
Подробное объяснение
Как заметить магнитное поле
Поднесите сильный магнит к лёгкому проводу, по которому идёт ток, — провод дёрнется. Уберите магнит или разомкните цепь — ничего не происходит. Значит, магнитное поле действует на электрический ток. Это главный способ обнаружить поле: оно создаётся током и проявляет себя через действие на ток. Даже стрелка компаса поворачивается потому, что поле действует на крошечные токи внутри её вещества.
Сила действует на проводник, только если он не лежит вдоль линий поля. Если ток идёт параллельно линиям, сила равна нулю. Сила тем больше, чем больше ток, чем сильнее поле и чем длиннее участок проводника в поле.
Правило левой руки
Направления тока, линий поля и силы связаны между собой. Если развернуть ток — сила развернётся. Если поменять местами полюса магнита — тоже развернётся. Если развернуть и то и другое — сила останется прежней.
Правило левой руки для проводника, перпендикулярного линиям поля:
- Расположите левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней.
- Четыре пальца направьте по току.
- Отставленный на 90° большой палец покажет направление силы.
За направление тока принимают направление от положительного полюса источника к отрицательному. В металле движутся электроны, а они идут в обратную сторону. Поэтому для электронов четыре пальца ставят против их движения.
Заряженная частица в поле
Поле действует и на отдельную частицу, если она движется. Для положительной частицы четыре пальца направляют по её скорости, для отрицательной — против скорости. Большой палец снова показывает силу. На покоящуюся частицу и на частицу, летящую вдоль линий поля, магнитное поле не действует.
Как читать рисунки
На плоском рисунке поле часто идёт перпендикулярно листу. Точка (⊙) — линии направлены к нам, как острие стрелы, летящей в лицо. Крестик (⊗) — линии уходят от нас, как оперение улетающей стрелы. Так же обозначают и ток в проводнике, перпендикулярном рисунку. Между полюсами магнита линии идут от северного полюса N к южному S.
Что можно найти по правилу
Правило связывает три направления. Зная два, находим третье:
- по току и полю — силу;
- по силе и полю — направление тока;
- по току и силе — направление линий поля;
- по скорости, полю и силе — знак заряда частицы.
Как решать задачи
- Определите направление линий поля: от N к S, или по точкам и крестикам.
- Определите направление тока (от «+» к «−») или скорости частицы. Для отрицательной частицы возьмите направление против скорости.
- Поверните левую руку: ладонь навстречу линиям поля, четыре пальца — по току.
- Посмотрите, куда указывает большой палец, — это сила.
- Если неизвестен ток или поле, подбирайте положение руки так, чтобы большой палец совпал с известной силой.
- Для расчётов помните: сила пропорциональна току и длине участка в поле. Во сколько раз вырос ток — во столько же раз выросла сила.
Разобранные примеры
Сила на проводник между полюсами
Северный полюс магнита сверху, южный — снизу. Между ними горизонтально лежит проводник, ток в нём идёт вправо. Куда направлена сила?
Линии поля идут от N к S, то есть сверху вниз. Чтобы они входили в ладонь, левую руку кладём ладонью вверх. Четыре пальца направляем вправо, по току. Большой палец показывает от нас, за плоскость рисунка.
Сила на летящий электрон
Электрон движется вверх по рисунку. Линии поля направлены к нам (точки). Куда направлена сила, действующая на электрон?
Ладонь левой руки обращаем к рисунку: линии идут из рисунка к нам и входят в ладонь. Электрон заряжен отрицательно, поэтому четыре пальца направляем против движения — вниз. Большой палец показывает влево.
Какой рельс подключён к плюсу
Два горизонтальных рельса, сверху и снизу рисунка, поперёк них лежит металлический стержень. Поле направлено от нас (крестики). При замыкании цепи стержень покатился вправо. Куда идёт ток в стержне и какой рельс подключён к положительному полюсу источника?
Ладонь левой руки обращаем к себе — линии уходят от нас и входят в ладонь. Большой палец ставим вправо, туда, куда покатился стержень. Четыре пальца при этом смотрят вниз. Значит, ток в стержне идёт сверху вниз: от верхнего рельса к нижнему. Ток выходит из «+», поэтому к положительному полюсу подключён верхний рельс.
Типичные ошибки
Правило буравчика (правой руки) отвечает на другой вопрос — куда направлены линии поля вокруг тока. Правой рукой сила получится ровно противоположной.
Запомните: сила, действующая на ток или частицу в поле, — левая рука. Направление поля, создаваемого током, — правая рука (буравчик).
Правило сформулировано для направления тока, то есть для движения положительных зарядов. Электрон заряжен отрицательно.
Для электрона и других отрицательных частиц четыре пальца ставят против их скорости. Либо найдите силу как для положительной частицы и разверните её.
Если решить, что линии идут от S к N или что крестик означает «к нам», ладонь повернётся не той стороной, и сила получится противоположной.
Линии между полюсами идут от N к S. Точка — поле к нам, крестик — от нас. Ладонь всегда подставляют навстречу линиям.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Что показывает отставленный большой палец левой руки?
Показать ответ
Ответ: В) Направление силы, действующей на проводник
Линии поля входят в ладонь, четыре пальца — по току, а большой палец показывает силу.
-
В каких случаях магнитное поле НЕ действует силой?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Проводник с током расположен вдоль линий поля; Б) По проводнику не течёт ток; Г) Заряженная частица покоится
Сила возникает только на движущиеся заряды, и она равна нулю, если ток или скорость частицы параллельны линиям поля.
-
Протон и электрон влетают в одно магнитное поле с одинаковой скоростью. Как направлены силы, действующие на них?
Показать ответ
Ответ: Б) Противоположно
У электрона пальцы левой руки ставят против движения, поэтому сила на него противоположна силе на протон.
-
При токе 1,5 А поле действует на проводник с силой 0,03 Н. Какой станет сила в ньютонах при токе 4,5 А?
Показать ответ
Ответ: 0,09
Ток вырос в 3 раза, сила тоже выросла в 3 раза — \(0{,}03 \cdot 3 = 0{,}09\) Н.
-
Что принимают за направление тока в правиле левой руки?
Показать ответ
Ответ: В) От положительного полюса источника к отрицательному
Ток условно течёт от «+» к «−», то есть против движения электронов в металле.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Горизонтальный проводник лежит между полюсами магнита. Северный полюс слева, южный справа. Ток в проводнике направлен к нам (из рисунка). Куда направлена сила, действующая на проводник?
Подсказка
Поле идёт от N к S. Поверните ладонь левой руки навстречу линиям поля.
Решение
Поле направлено слева направо, поэтому ладонь левой руки обращаем влево. Четыре пальца — к себе, по току. Большой палец показывает вверх.
Ответ
При токе 2 А магнитное поле действует на проводник с силой 0,04 Н. С какой силой оно будет действовать на тот же проводник при токе 6 А?
Подсказка
Сила пропорциональна силе тока.
Решение
Ток вырос в \(\dfrac{6}{2} = 3\) раза, значит, и сила выросла в 3 раза. \(F_2 = 0{,}04 \cdot 3 = 0{,}12\) Н.
Ответ
Электрон летит вправо в магнитном поле, линии которого направлены к нам (из рисунка). Куда направлена сила, действующая на электрон?
Подсказка
Заряд электрона отрицательный — четыре пальца направляйте против его движения.
Решение
Ладонь левой руки обращаем к рисунку, чтобы в неё входили линии поля. Четыре пальца — против движения электрона, то есть влево. Большой палец показывает вверх.
Ответ
На участок проводника длиной 20 см, находящийся в магнитном поле, при токе 3 А действует сила 0,09 Н. Проводник сдвинули так, что в поле оказалось 30 см, а ток увеличили до 5 А. Какой стала сила?
Подсказка
Сила пропорциональна и длине участка в поле, и силе тока.
Решение
Длина выросла в \(\dfrac{30}{20} = 1{,}5\) раза, ток — в \(\dfrac{5}{3}\) раза. \(F_2 = 0{,}09 \cdot 1{,}5 \cdot \dfrac{5}{3} = 0{,}225\) Н.
Ответ
Вертикальный проводник, ток в нём идёт вверх. Магнитное поле действует на проводник с силой, направленной к нам (из рисунка). Как направлены линии магнитного поля? Поле перпендикулярно проводнику.
Подсказка
Поставьте четыре пальца вверх, большой палец — на себя, и посмотрите, куда обращена ладонь.
Решение
Четыре пальца левой руки — вверх, большой палец — к себе. Ладонь при этом обращена вправо. Линии поля входят в ладонь, значит, они идут справа налево.
Ответ
На сторону рамки длиной 10 см, расположенную поперёк линий поля, при токе 1,5 А действует сила 0,02 Н. Какой ток нужно пропустить по рамке, чтобы в том же поле на сторону длиной 25 см действовала сила 0,1 Н?
Подсказка
Сначала найдите, какая сила приходится на 1 А и 1 см проводника.
Решение
На 1 А и 1 см приходится \(\dfrac{0{,}02}{1{,}5 \cdot 10}\) Н. Нужный ток: \(I = \dfrac{0{,}1 \cdot 1{,}5 \cdot 10}{0{,}02 \cdot 25} = 3\) А.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Нарисуйте на листе крестики — «поле уходит в стол». Попросите ребёнка положить левую руку ладонью вверх над листом так, чтобы «линии входили в ладонь», направить пальцы по нарисованной стрелке тока и отставить большой палец. Затем разверните стрелку тока и спросите, что стало с силой. Если есть динамик от старых наушников, покажите: он звучит именно потому, что магнит толкает катушку с током.
Вопросы для проверки понимания: 1. Как по правилу левой руки найти силу, если известны ток и поле? 2. Что изменится, если поменять местами полюса магнита? 3. Почему для электрона пальцы ставят против его движения?
На что обратить внимание. Ребёнок не должен путать правило левой руки с правилом буравчика. Проверьте, что он верно читает точки и крестики на рисунках и помнит, что за направление тока берут движение от «+» к «−».