как определяется направление электромагнитной силы действующей на проводник с током в магнитном поле
Сила Ампера. Сила Лоренца.
Сила Ампера.
Действие магнитного поля на проводник с током
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.
Сила действия однородного магнитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником:
F=B . I . ℓ . sin α — закон Ампера.
Направление силы Ампера (правило левой руки) Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током.
Действие магнитного поля на движущийся заряд.
Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца: 
Правило левой руки сформулировано для положительной частицы. Сила, действующая на отрицательный заряд будет направлена в противоположную сторону по сравнению сположительным.
Если вектор v частицы перпендикулярен вектору В , то частица описывает траекторию в виде окружности: 
Роль центростремительной силы играет сила Лоренца: 
При этом радиус окружности: 
,
а период обращения 
не зависит от радиуса окружности!
Если вектор скорости и частицы не перпендикулярен В, то частица описывает траекторию в виде винтовой линии (спирали).
Действие магнитного поля на рамку с током
На рамку действует пара сил, в результате чего она поворачивается.
Устройство электроизмерительных приборов
1.Магнитоэлектрическая система:
5 — подшипники и ось; 6 — стрелка; 7 — шкала (равномерная)
Принцип действия: взаимодействие рамки с током и поля магнита.
Угол поворота рамки и стрелки
2. Электромагнитная система:
Принцип действия: взаимодействие магнитного поля катушки со стальным сердечником, где Fмаг
Использование силы Лоренца
В циклотроне магнитное поле управляет движением заряженной частицы. Период обращения частицы в циклотроне: 
.
Т не зависит от R и υ!
Электрическое поле между дуантами разгоняет частицы, а магнитное поворачивает поток частиц. В момент попадания частиц в ускоряющий промежуток направление электрического поля меняется так, чтобы оно всегда увеличивало скорость частиц.
Схема действия масс-спектрографа Для выделения частиц с одинаковой скоростью используют взаимно перпендикулярные магнитные ( B1 ) и электрические ( E ) поля. Тогда 
.
Т.к. , то удельный заряд 
, следовательно 
можно определить удельный заряд частицы, заряд. массу.
§20. Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем
Проводник с током в магнитном поле. Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами. Электромагнитная сила, возникающая при движении электрического заряда в магнитном поле, действует на него в направлении, перпендикулярном движению и направлению силовых линий, и стремится вытолкнуть заряд за пределы поля (см. рис. 34).
Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образуют результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля (рис. 48). Электромагнитная сила определяется законом Ампера. Он формулируется следующим образом. Электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника l:
F = IBl (48)
F = BIlsin? (48′)
Чтобы получить F в ньютонах, надо В брать в теслах, I — в амперax и l — в метрах.
Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее и четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока, тогда расположенный под прямым углом большой палец укажет направление действия электромагнитной силы. Сила F возникает только в том случае, если проводник расположен перпендикулярно или под некоторым углом к магнитным силовым линиям поля. Если же проводник расположен вдоль силовых линий поля, то электромагнитная сила будет равна нулю.
Для того чтобы изменить направление электромагнитной силы, как следует из правила левой руки, необходимо изменить направление тока в проводнике или же направление магнитного поля.
Возникновение электромагнитной силы F при взаимодействии проводника с током и магнитного поля можно наглядно представить как результат взаимодействия двух магнитных полей.
Как известно, вокруг проводника с током возникает свое собственное круговое магнитное поле (рис. 49), которое будет складываться с внешним магнитным полем (например, постоянного магнита), в которое помещен проводник с током. При этом справа от проводника, где силовые линии поля проводника совпадают с линиями внешнего поля, происходит сгущение силовых линий; слева от проводника, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям внешнего поля, происходит разрежение силовых линий. Магнитные силовые линии обладают свойством упругости, напоминающим свойство резиновых нитей. Стремясь сократиться по длине, они будут выталкивать проводник из области сгущения силовых линий в сторону их разрежения, т. е. справа налево. В результате возникает электромагнитная сила F.
Рис. 48. Электромагнитная сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Рис. 49. Сгущение и разрежение магнитных силовых линий при наличии в магнитном поле проводника с током.
Рис. 50.Электромагнитные силы,действующие в магнитном поле на виток или катушку с током.
Виток с током в магнитном поле. Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) с током и расположить его вертикально (рис. 50, а), то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы F, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М, который вызовет поворот витка, в данном случае по часовой стрелке. Этот момент
M = FD (49)
где D — расстояние между сторонами витка.
Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (рис. 50, б). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил возможно больший магнитный поток. Свойство витка и катушки с током поворачиваться в магнитном поле широко используется в электротехнике; электрические двигатели и ряд электроизмерительных приборов работают по этому принципу.
Для увеличения вращающего момента в электрических двигателях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединенные соответствующим образом, образуют обмотку якоря электродвигателя.
electro.rcl-radio.ru
Основы электроники и радиотехники
Электромагнитная сила
Прямолинейный провод в магнитном поле
Силовое воздействие магнитного поля на проводники с током широко используется в электродвигателях и некоторых электромагнитных механизмах.
Электромагнитная сила действующая на проводник с током расположенный в магнитном поле перпендикулярно его направлению, определяется по формуле:
Направление электромагнитной силы определяется по правилу левой руки (рис. 1): если ладонь левой руки расположена так, что вектор магнитной индукции входит в нее, вытянутые четыре пальца совпадают с направлением тока, то отогнутый под прямым углом большой палец левой руки указывает направление электромагнитной силы.
Прямолинейный провод длиной ⌊ с током I расположен в однородном магнитном поле в плоскости, перпендикулярно полю (рис. 2). Если этот провод под действием электромагнитной силы переместится параллельно самому себе в указанной плоскости на расстояние b, то он пересечет магнитный поток:
При этом электромагнитной силой будет совершена механическая работа:
Таким образом, механическая работа, совершенная за счет энергии источника питания силами взаимодействия поля и тока при перемещении провода, равна произведению тока и магнитного потока, пересеченного проводом.
Рассмотрим пример — провод с активной длиной 20 см и током 300А расположен в однородном магнитном поле с индукцией 1,2 Т.
Определим электромагнитную силу, которая действует на провод, если он расположен в плоскости, перпендикулярно полю:
Второй пример — определим работу при перемещении провода длиной 30 см на расстояние 20 см в плоскости, перпендикулярно полю, если поле однородно с индукцией 1,5 Т, а ток в проводе 200 А.
Находим магнитный поток:
Работа совершенная при перемещении провода:
Контур в магнитном поле
Стороны прямоугольной катушки — рамки с током (рис. 3), расположенные перпендикулярно плоскости рисунка, находятся в однородном поле. Электромагнитные силы F создают вращающийся момент. Под действием этого момента рамка стремится занять положение, при котором эти силы взаимно уравновесятся (рис. 4), при этом рамка будет пронизываться наибольшим магнитным потоком. Из этого следует, что контур с током, расположенный в магнитном поле, под действием электромагнитных сил стремится занять положение в котором магнитный поток, пронизывающий контур, будет наибольшим.
Источник — Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. (1972)
Электромагнитная сила
Прямолинейный провод в магнитном поле
Сила, с которой магнитное поле действует на провод с током, расположенный в этом поле, называется электромагнитной силой.
В соответствии со сказанным в предыдущем параграфе электромагнитная сила зависит от тока I, магнитной индукции В и активной длины провода l т. е. той его части, которая расположена в магнитном поле. Если провод и вектор магнитной индукции взаимно перпендикулярны, то сила имеет наибольшее значение и определяется по формуле (3-1).
Рис. 3-4. Правило левой руки
Направление электромагнитной силы определяется по правилу левой руки: расположим ладонь левой руки так, Чтобы вектор магнитной индукции входил в нее, четыре вытянутые
пальца совпадали с направлением тока, тогда отогнутый под прямым углом большой палец левой руки укажет направление электромагнитной силы (рис. 3-4). Если угол а между проводом и направлением вектора В не равен 90°, то электромагнитная сила будет пропорциональна sin а, т. е. в этом случае
Пример 3 -1. В однородном магнитном поле с индукцией 1,2 тл расположен провод с активной длиной 30 см. Ток в проводе 500 а. Определ ить электромагнитную силу, действующую на провод, если провод перпендикулярен вектору магнитной индукции
F = BIl= 1,2 • 500 • 0,3 = 180 н
или, так как 1 н = 0,102 кГ,
Если прямолинейный провод с током (рис. 3-5) под действием электромагнитной силы переместится на расстояние 6, параллельно самому себе, в однородном магнитном поле, перпендикулярно магнитным линиям, то электромагнитной силой будет совершена механическая работа
где S = lb — площадь описанная проводом.
Рис. 3-5. Перемещение проводника в магнитном поле на расстояние b
Таким образом, механическая работа, совершенная электро магнитной силой при перемещении провода с током в магнитном поле, равна произведению тока на пересеченный проводом магнитный поток.
Пример 3-2. Определить работу, совершенную при перемещении провода длиной 40 см с током 200 а в однородном поле с магнитной индукцией 1,5 тл. Провод переместился в плоскости, перпендикулярной к магнитным линиям, на 25 см.
Магнитный поток, пересеченный проводом:
Ф = BS = 1,5 • 0,4 • 0,25 = 0,15 вб.
Работа, совершенная при перемещении провода:
Контур в магнитном поле
На рис. 3-6 показана прямоугольная катушка (рамка) с током. Стороны рамки, расположенные перпендикулярно плоскости рисунка, находятся в однородном магнитном поле. Вследствие этого на эти стороны действуют электромагнитные силы F, создающие вращающий момент. Под действием этого вращающего момента рамка с током стремится занять положение, при котором эти силы взаимно уравновесятся (рис. 3-7), при этом поверхность, ограниченную рамкой, пронизывает наибольший магнитный поток. Отсюда следует правило: контур с током, рас по-
Рис. 3-6. Вращающий момент; действующий на контур с током в магнитном поле.
Рис. 3-7. Электромагнитные силы, действующие на контур с током, стремятся раздвинуть стороны рамки.
ложен н ы й в магнитном поле, под действием электромагнитных сил стремится занять положение, при,котором магнитный поток, пронизывающий контур, будет наибольшим.
Движущийся электрон в магнитном поле
Ток в проводе представляет собой направленное движение свободных электронов. Электромагнитная сила, действующая на провод длиной l
Если число свободных электронов в объеме провода длиной l обозначим через N, то электромагнитная сила, действующая на отдельный электрон:
Обозначив заряд электронов Q = Nq и среднюю скорость движения электронов υ — l/t, напишем выражение электромагнитной силы, действующей на электрон, дви жущийся перпендикулярно магнитным линиям поля:
Направление этой силы определяется по правилу левой руки, но четыре вытянутые пальца руки должны быть направлены в сторону, противоположную направлению движению электрона.
Статья на тему Электромагнитная сила
Физика. 11 класс
Конспект урока
Урок 3. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на проводник и движущуюся заряжённую частицу
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
2) вектор магнитной индукции, линии магнитной индукции;
3) сила Ампера, сила Лоренца;
4) правило буравчика, правило левой руки.
Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая величину и направление магнитного поля.
Сила Ампера – сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током.
Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущую частицу с зарядом.
Правило левой руки – правило для определения направления силы Ампера и силы Лоренца.
Соленоид – проволочная катушка.
Рамка с током – небольшой длины катушка с двумя выводами из скрученного гибкого проводника с током, способная поворачиваться вокруг оси, проходящей через диаметр катушки.
Основная и дополнительная литература по теме урока
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. – С. 3 – 20
Основное содержание урока
Магнитное поле – особый вид материи, которая создаётся электрическим током или постоянными магнитами. Для демонстрации действия и доказательства существования магнитного поля служат магнитная стрелка, способная вращаться на оси, или небольшая рамка (или катушка) с током, подвешенная на тонких скрученных гибких проводах.
Рамка с током и магнитная стрелка под действием магнитного поля поворачиваются так, что северный полюс (синяя часть) стрелки и положительная нормаль рамки указывают направление магнитного поля.
Магнитное поле, созданное постоянным магнитом или проводником с током, занимает всё пространство в окрестности этих тел. Магнитное поле принято (удобно) изображать в виде линий, которые называются линиями магнитного поля. Магнитные линии имеют вихревой характер, т.е. линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. замкнуты. Направление касательной в каждой точке линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Поля с замкнутыми линиями называются вихревыми.
Магнитное поле характеризуется векторной величиной, называемой магнитной индукцией. Магнитная индукция характеризует «силу» и направление магнитного поля – это количественная характеристика магнитного поля.
Она обозначается символом 
За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно установившейся в магнитном поле.
Направление магнитного поля устанавливают с помощью вектора магнитной индукции.
Направление вектора магнитной индукции прямого провода с током определяют по правилу буравчика (или правого винта).
Правило буравчика звучит следующим образом:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Направление магнитного поля внутри соленоида определяют по правилу правой руки.
Определим модуль вектора магнитной индукции.
Наблюдения показывают, что максимальное значение силы, действующей на проводник, прямо пропорционально силе тока, длине проводника, находящегося в магнитном поле.
Тогда, зависимость силы от этих двух величин выглядит следующим образом
Отношение 
зависит только от магнитного поля и может быть принята за характеристику магнитного поля в данной точке.
Величина, численно равная отношению максимальной силы, действующей на проводник с током, на произведение силы тока и длины проводника, называется модулем вектора магнитной индукции:
Единицей измерения магнитной индукции является 1 тесла (Тл).
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению модуля магнитной индукции, силы тока, длины проводника и синуса угла между вектором магнитной индукции и направлением тока:
где α – угол между вектором B и направлением тока.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:
Если ладонь левой руки развернуть так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 0 большой палец покажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Её численное значение равно произведению заряда частицы на модули скорости и магнитной индукции и синус угла меду векторами скорости и магнитной индукции:
– заряд частицы;
– скорость частицы;
B – модуль магнитной индукции;
– угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.
Направление силы Лоренца также определяют по правилу левой руки:
Если четыре вытянутых пальца левой руки направлены вдоль вектора скорости заряженной частицы, а вектор магнитной индукции направлен в ладонь, то отведённый на 90 0 большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет заряд отрицательного знака, то направление силы Лоренца противоположно тому направлению, которое имела бы положительная частица.
Получим формулы для радиуса окружности и периода вращения частицы, которая влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, применяя формулы второго закона Ньютона и центростремительного ускорения.
Согласно 2-му закону Ньютона
Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:
Многим юным бывает досадно, что они не родились в старые времена, когда делались открытия. Им кажется, что теперь всё известно и никаких открытий на их долю не осталось.
Одной из нераскрытых тайн является механизм земного магнитного поля. Как же и чем вызывается магнитное поле Земли? Подумайте и может быть…
Одна из возможных гипотез.
Как известно, ядро Земли имеет высокую температуру
и высокую плотность. Судя по исследованиям, в самом центре содержится твёрдое ядро. При вращении Земли вокруг своей оси центр тяжести не совпадает с геометрическим центром из-за притяжения Солнца. В результате сместившееся из центра ядро вращаясь относительно оболочки Земли вызывает такое же движение жидкой расплавленной массы мантии, как чайная ложка, перемешивающая воду в стакане. Получается не что иное, как направленное движение зарядов. Есть электрический ток, а он, в свою очередь, создаёт магнитное поле.
Разбор тренировочных заданий
1. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
– точка означает, что магнитная индукция направлена на нас из глубины плоскости рисунка.
Используя правило левой руки, определяем направление силы Ампера:
Левую руку располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, 4 пальца направим вниз по направлению тока, тогда отогнутый на 90 0 большой палец покажет направление силы Ампера, т. е. она направлена влево.
2. По проводнику длиной 40 см протекает ток силой 10 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещён проводник, если на проводник действует сила 8 мН?
(Ответ выразите в мТл).
3. Определите модуль силы, действующей на проводник длиной 50 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. (Ответ выразите в мН).
4. Протон в магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость протона. (Ответ выразите в км/с, округлив до десятков)
6. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 3,14мТл. Чему равен период обращения электрона? (Ответ выразите в наносекундах, округлив до целых)
Запишем формулу модуля магнитной индукции:
B = 0,008 Н / ( 0,4м·10 A) = 0,002 Tл = 2 мTл.
Запишем формулу силы Ампера:
F = 0,l5 Tл· 10 A· 0,5 м = 0,75 Н = 750 мН
Заряд протона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,
масса протона: m = l,67·l0⁻²⁷ кг.
Согласно 2-му закону Ньютона:
v = ( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·0,l м·0,0l Tл) / l,67·l0⁻²⁷ кг ≈ 0,00096·l0⁸ м/с ≈ l00 км/с.
Найти: 
Заряд электрона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл.
Используем формулу силы Лоренца:
.
Выразим из формулы силы скорость, учитывая, что sin90°=l,
v = 3,6·l0⁻¹² Н / (l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл· l,8 Tл) = l,25·l0⁷м/с = l2500 км/с.
Ответ: v = l2500 км/с.
B = 3,l4 мТл = 3,l4·l0⁻³ Tл,
Масса электрона равна: m = 9,l·l0⁻³¹ кг.
Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:
T = 2·3,l4·9,l·l0⁻³¹ кг/( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·3,l4·l0⁻³ Tл) = ll,375·l0⁻⁹ с ≈ ll нс.