Опыты показывают, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, со стороны этого поля действует сила, называемая силой Ампера (по имени физика, открывшего ее). Поговорим о направлении силы Ампера.
Наиболее глубокое исследование силы взаимодействия магнитного поля с электрическим током провел А. Ампер.
Он установил закон, впоследствии названный его именем:
$$F= I |overrightarrow B| Δl sin alpha,$$
где:
- $F$ — модуль силы, действующей на проводник;
- $Δl$ — длина проводника;
- $I$ — величина тока в проводнике;
- $overrightarrow B$ — вектор магнитной индукции;
- $alpha$ — угол между линиями магнитного поля и направлением тока в проводнике.
Сила, определяемая законом Ампера, также носит имя этого исследователя.
В дальнейшем оказалось, что в основе силы Ампера лежит действие магнитного поля на движущиеся заряды. Если носитель заряда двигается в магнитном поле, то со стороны этого поля на него начинает действовать сила Лоренца. В проводнике множество носителей заряда, и силы Лоренца, действующие на каждый из них, складываются в силу Ампера.
Правило левой руки
В отличие от кулоновских сил, которые направлены вдоль силовых линий поля, сила Ампера направлена иначе. Исследования показывают, что ее направление не совпадает ни с направлением линий магнитной индукции, ни с направлением тока в проводнике. Сила Ампера оказывается перпендикулярна обоим этим направлениям.
То есть, если ток в проводнике течет вперед, а магнитное поле направлено справа налево, то сила Ампера будет направлена вертикально вверх, перпендикулярно обоим направлениям. Если направить вектор магнитной индукции вверх (не меняя направление тока вперед), направление силы Ампера также изменится: она будет направлена слева направо. Наконец, если повернуть проводник так, чтобы ток двигался слева направо (вектор магнитной индукции оставить направленным вверх), то сила Ампера всё равно будет направлена перпендикулярно обоим направлениям, спереди назад.
Для определения направления силы Ампера вывели мнемоническое правило левой руки: если четыре вытянутых пальца левой руки указывают направление тока, а вектор магнитной индукции прокалывает ладонь (входит в ладонь), то отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Действительно, отставленный большой палец всегда перпендикулярен как остальным четырем пальцам руки, так и направлению «прокола ладони».
При изменении направления движения тока на обратное сила Ампера также поменяет свое направление на обратное. Этим объясняется ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током. В двух сторонах рамки ток течет вдоль одной прямой, но в разных направлениях. В результате сила Ампера, порожденная одним и тем же полем, будет также направлена вдоль одной прямой, но в разных направлениях. Следовательно, на рамку начнет действовать вращающий момент, и его действие прекратится лишь тогда, когда прямая действия силы Ампера не окажется в плоскости рамки.
Что мы узнали?
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. Ее величина зависит от силы тока, вектора индукции и определяется законом Ампера. Ее направление перпендикулярно и направлению тока в проводнике, и направлению вектора магнитной индукции. Оно определяется специальным мнемоническим правилом левой руки.
