Глава 3. Электромагнитные явления. § 55. Действие магнитного поля на проводник с током. Правило левой руки — с. 203
Упражнение 46. Задача 1. В какую сторону покатится лёгкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи (рис. 149)? [на рисунке: подковообразный магнит расположен полюсами сверху (S) и снизу (N); между полюсами лежит алюминиевая трубочка поперёк двух горизонтальных проводников-рельсов; цепь включает источник тока, реостат и ключ; ток в трубочке течёт от ближнего к зрителю рельса к дальнему.]
Определим направление силы Ампера по правилу левой руки.
1) Направление линий магнитной индукции между полюсами: линии выходят из северного полюса N и входят в южный S. Так как N внизу, а S вверху, линии в зазоре направлены вертикально вверх.
2) Направление тока: ток течёт от положительного полюса источника через реостат и ключ к ближнему рельсу, затем по трубочке от ближнего рельса к дальнему (от нас) и возвращается к отрицательному полюсу источника.
3) Левую руку располагаем так, чтобы линии B входили в ладонь (то есть ладонь обращена вниз), четыре пальца направлены по току (от нас). Отогнутый на 90° большой палец показывает направление силы: он смотрит вправо.
Ответ: при замыкании цепи на трубочку действует сила Ампера, направленная вправо, и трубочка покатится вправо по рельсам (по рисунку). Если поменять полюса источника или полюса магнита, трубочка покатится в обратную сторону.
1) Направление линий магнитной индукции между полюсами: линии выходят из северного полюса N и входят в южный S. Так как N внизу, а S вверху, линии в зазоре направлены вертикально вверх.
2) Направление тока: ток течёт от положительного полюса источника через реостат и ключ к ближнему рельсу, затем по трубочке от ближнего рельса к дальнему (от нас) и возвращается к отрицательному полюсу источника.
3) Левую руку располагаем так, чтобы линии B входили в ладонь (то есть ладонь обращена вниз), четыре пальца направлены по току (от нас). Отогнутый на 90° большой палец показывает направление силы: он смотрит вправо.
Ответ: при замыкании цепи на трубочку действует сила Ампера, направленная вправо, и трубочка покатится вправо по рельсам (по рисунку). Если поменять полюса источника или полюса магнита, трубочка покатится в обратную сторону.
Упражнение 46. Задача 2. На рисунке 150 изображены два оголённых проводника, соединённых с источником тока, и лёгкая алюминиевая трубочка AB. Вся установка находится в магнитном поле. Определите направление тока в трубочке AB, если в результате взаимодействия этого тока с магнитным полем трубочка катится по проводникам в направлении, указанном на рисунке. Какой полюс источника тока является положительным, а какой — отрицательным? [на рисунке: два горизонтальных проводника, слева к ним подключён источник U (верхний вывод соединён с верхним проводником, нижний — с нижним); вертикальная трубочка AB (A сверху, B снизу); точки — линии магнитной индукции направлены к нам; стрелка скорости v направлена влево.]
Сила, под действием которой трубочка катится, направлена влево. Линии магнитной индукции (точки) направлены к нам.
Применяем правило левой руки «в обратную сторону»: ладонь повёрнута к плоскости рисунка (тыльной стороной к нам), чтобы линии B, идущие к нам, входили в неё; отогнутый большой палец направляем влево — по силе. Тогда четыре пальца оказываются направлены вниз.
Следовательно, ток в трубочке идёт сверху вниз, от A к B. Проверка: если бы ток шёл от B к A, сила была бы направлена вправо.
Ток во внешней цепи идёт от положительного полюса источника к отрицательному. Он приходит к трубочке по верхнему проводнику (к точке A), проходит по трубочке от A к B и возвращается по нижнему проводнику. Значит, верхний вывод источника (соединённый с верхним проводником) положительный, нижний — отрицательный.
Ответ: ток в трубочке направлен от A к B; верхний полюс источника положительный, нижний отрицательный.
Применяем правило левой руки «в обратную сторону»: ладонь повёрнута к плоскости рисунка (тыльной стороной к нам), чтобы линии B, идущие к нам, входили в неё; отогнутый большой палец направляем влево — по силе. Тогда четыре пальца оказываются направлены вниз.
Следовательно, ток в трубочке идёт сверху вниз, от A к B. Проверка: если бы ток шёл от B к A, сила была бы направлена вправо.
Ток во внешней цепи идёт от положительного полюса источника к отрицательному. Он приходит к трубочке по верхнему проводнику (к точке A), проходит по трубочке от A к B и возвращается по нижнему проводнику. Значит, верхний вывод источника (соединённый с верхним проводником) положительный, нижний — отрицательный.
Ответ: ток в трубочке направлен от A к B; верхний полюс источника положительный, нижний отрицательный.
Упражнение 46. Задача 3. Между полюсами магнитов (рис. 151) расположены четыре проводника с током. Определите направление силы, действующей на каждый из них. [на рисунке: верхний ряд — магнит N слева и магнит S справа, между ними два проводника: слева ток к нам (точка), справа ток от нас (крестик); нижний ряд — S слева, N справа, между ними такие же два проводника: точка и крестик.]
Линии магнитной индукции направлены от полюса N к полюсу S. Применяем правило левой руки: линии B входят в ладонь, четыре пальца — по току, отогнутый большой палец — по силе.
Верхний ряд (N слева, S справа): линии B направлены вправо.
1) Проводник с током к нам (точка): сила направлена вверх.
2) Проводник с током от нас (крестик): сила направлена вниз.
Нижний ряд (S слева, N справа): линии B направлены влево.
3) Проводник с током к нам (точка): сила направлена вниз.
4) Проводник с током от нас (крестик): сила направлена вверх.
Вывод: при изменении направления тока или направления линий B сила меняется на противоположную; при изменении обоих направлений сразу — не меняется.
Верхний ряд (N слева, S справа): линии B направлены вправо.
1) Проводник с током к нам (точка): сила направлена вверх.
2) Проводник с током от нас (крестик): сила направлена вниз.
Нижний ряд (S слева, N справа): линии B направлены влево.
3) Проводник с током к нам (точка): сила направлена вниз.
4) Проводник с током от нас (крестик): сила направлена вверх.
Вывод: при изменении направления тока или направления линий B сила меняется на противоположную; при изменении обоих направлений сразу — не меняется.
Упражнение 46. Задача 4. Отрицательно заряженная частица движется со скоростью v в магнитном поле (рис. 152). Укажите направление силы, с которой поле действует на частицу. [на рисунке: линии магнитной индукции направлены к нам (точки); частица со знаком «−» движется вниз и влево (стрелка v).]
Движущаяся заряженная частица — это электрический ток, поэтому направление силы определяем по правилу левой руки, но с учётом знака заряда: четыре пальца направляют по движению положительного заряда, а для отрицательного — против его скорости.
1) Линии B направлены к нам, поэтому ладонь поворачиваем к плоскости рисунка (тыльной стороной к нам): тогда линии входят в ладонь.
2) Частица отрицательна и движется вниз и влево, значит, четыре пальца направляем вверх и вправо (противоположно v).
3) Отогнутый большой палец показывает вниз и вправо.
Ответ: сила, действующая на частицу, перпендикулярна скорости v и направлена вниз и вправо (под прямым углом к стрелке v). Эта сила не совершает работы, она лишь искривляет траекторию частицы.
1) Линии B направлены к нам, поэтому ладонь поворачиваем к плоскости рисунка (тыльной стороной к нам): тогда линии входят в ладонь.
2) Частица отрицательна и движется вниз и влево, значит, четыре пальца направляем вверх и вправо (противоположно v).
3) Отогнутый большой палец показывает вниз и вправо.
Ответ: сила, действующая на частицу, перпендикулярна скорости v и направлена вниз и вправо (под прямым углом к стрелке v). Эта сила не совершает работы, она лишь искривляет траекторию частицы.
Упражнение 46. Задача 5. Магнитное поле действует с силой F на частицу, движущуюся со скоростью v (рис. 153). Определите знак заряда частицы. [на рисунке: линии магнитной индукции направлены от нас (крестики); частица движется вниз (стрелка v), сила F направлена влево.]
Линии B направлены от нас, поэтому ладонь левой руки поворачиваем так, чтобы они в неё входили (ладонь обращена к нам).
Если бы частица была положительной, четыре пальца направляли бы по скорости, то есть вниз. Тогда отогнутый большой палец показал бы вправо: сила на положительный заряд направлена вправо.
По рисунку сила F направлена влево, то есть противоположно полученному направлению. Это значит, что частица — отрицательная: для неё пальцы нужно направлять против скорости (вверх), и тогда большой палец показывает влево.
Ответ: частица заряжена отрицательно.
Если бы частица была положительной, четыре пальца направляли бы по скорости, то есть вниз. Тогда отогнутый большой палец показал бы вправо: сила на положительный заряд направлена вправо.
По рисунку сила F направлена влево, то есть противоположно полученному направлению. Это значит, что частица — отрицательная: для неё пальцы нужно направлять против скорости (вверх), и тогда большой палец показывает влево.
Ответ: частица заряжена отрицательно.