Ампер күші: магнит өрісіндегі тогы бар өткізгіш

Мыс өзек электромагнит полюстерінің арасында екі жіңішке сымға ілінген. Тізбекті тұйықта — магнит өрісі тогы бар өткізгішті итереді, және ол әткеншек сияқты ауытқиды. Ток күшін, индукцияны, өткізгіш ұзындығын және оның өріс сызықтарымен арасындағы бұрышты өзгерт, магнитті аудар және күш бағытын сол қол ережесімен тексер.

→I— ток бағыты →B— магнит индукциясының сызықтары (N-нен S-ке) →F_A— Ампер күші ↓mg— ауырлық күші ↗T— ілгіштердің керілуі

F, mg және T бағдаршаларының ұзындығы бір масштабта: тепе-теңдікте олар тұйық үшбұрыш құрайды. Жарқыраған нүктелер тізбек бойымен ток бағытында жүгіреді.

Ампер күшінің токқа тәуелділігі: F(I)

Ілгіштердің ауытқу бұрышы φ(t)

I ток күші 5.0 А

B өріс индукциясы 0.20 Тл

L өткізгіш ұзындығы 20 см

m өткізгіш массасы 50 г

α ток пен B сызықтарының арасындағы бұрыш 90°

Сол қол ережесі

mg және T күштері

Өріс сызықтары

Өзіңді тексер

Полюстер арасындағы өріс бүкіл тербеліс аймағында біртекті деп есептеледі. Ток ілгіштер арқылы беріледі; тік сымдарға әсер ететін күштер тең және қарама-қарсы, бірін-бірі теңгереді. Ілгіштердің ұзындығы 25 см, тербелістер біртіндеп өшеді.

F_A = IBL·sin α

tg φ₀ = F_A / mg

φ₀

тепе-теңдік бұрышы

ағымдағы бұрыш

T = √((mg)² + F²)

екі ілгіштің керілуі

sin α

F_max = IBL

α = 90° кезінде

Ампер күші токқа да, өріс сызықтарына да перпендикуляр, ал оның модулі F = IBL·sin α: өткізгіш B сызықтарына перпендикуляр болғанда ол ең үлкен, ал оларға параллель болғанда жоғалады. Бағыты сол қол ережесімен табылады: B сызықтары алақанға кіреді, төрт саусақ — ток бойымен, бас бармақ күшті көрсетеді. Ток бағытын немесе магнит полюстерін өзгерту күшті керісінше бұрады, ал екеуін бірдей өзгерту оны бұрынғыдай қалдырады.

НЕГІЗГІ ФОРМУЛАЛАР

Магнит өрісі тогы бар өткізгішке Ампер күші деп аталатын күшпен әсер етеді. Оның модулі F = I·B·L·sin α, мұндағы I — ток күші, B — магнит өрісінің индукциясы, L — өрістегі өткізгіштің ұзындығы, ал α — ток бағыты мен магнит индукциясы сызықтарының арасындағы бұрыш. Өткізгіш өріс сызықтарына перпендикуляр болғанда күш ең үлкен (sin 90° = 1), ал оларға параллель болғанда нөлге тең. Күш өткізгішке де, B векторына да перпендикуляр бағытталған.

Бағыты сол қол ережесімен анықталады: сол қолды магнит индукциясы сызықтары алақанға кіретіндей, ал созылған төрт саусақ ток бағытын көрсететіндей етіп орналастыр — сонда 90°-қа бүгілген бас бармақ Ампер күшінің бағытын көрсетеді. Симуляторда мөлдір сол қол өзектің жанында тұрып, өріс пен токпен бірге бұрылады. «Ток бағытын өзгерту» немесе «Магнитті аудару» батырмасын бас — күш бағыты керісінше өзгеріп, өзек басқа жаққа ауытқиды. Екеуін бірдей өзгертсең, күштің бағыты өзгермейді.

Бұл — классикалық мектеп тәжірибесі. Массасы m өзек өзіне ток жеткізетін екі жеңіл сымға ілінген. Оған ауырлық күші mg, ілгіштердің керілу күші T және көлденең Ампер күші F әсер етеді. Өзек тербеліп, tg φ = F/(mg) = I·B·L/(m·g) болатын тепе-теңдік күйінде тоқтайды. Күштерді көрсетуді қос — mg, T және F бағдаршалары тұйық үшбұрыш құрайды. Өлшеулер панелі F-ті, ауытқу бұрышын, оның тангенсін және керілу күшін көрсетеді; F(I) графигі — түзу сызық, ал φ(t) графигі тепе-теңдік күйі маңындағы өшетін тербелістерді көрсетеді.

Бұл күш неліктен пайда болады? Ток — зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы, және олардың әрқайсысына магнит өрісінде Лоренц күші әсер етеді. Қосылып, бұл күштер Ампер күшін береді: F = N·q·v·B = I·B·L. Ампер күшімен электрқозғалтқыштар, дыбыс зорайтқыштар, тілсызықты өлшеу құралдары және электромагниттік рельстік зеңбіректер жұмыс істейді. Магнитті өріс сызықтары өткізгіш бойымен өтетіндей бұр — өзек тік салбырап қалады, себебі α = 0 кезінде күш жоғалады. «Өзіңді тексер» белгісі алдымен өткізгіштің қай жаққа ауытқитынын болжауды, содан кейін жауапты модельде тексеруді ұсынады.