Номер 4, страница 130, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

4. Как ведет себя рамка, по которой течет ток в магнитном поле?

4. Как ведет себя рамка, по которой течет ток в магнитном поле?

Рамка с током, помещенная в магнитное поле, ведет себя как магнитный диполь. На каждую сторону рамки, по которой течет ток, со стороны магнитного поля действует сила Ампера.

Рассмотрим прямоугольную рамку с током $\text{I}$ в однородном магнитном поле с индукцией $\vec{B}$. На проводник длиной $\text{l}$ с током $\text{I}$, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера $\vec{F_A}$, которая в векторной форме определяется как $\vec{F_A} = I[\vec{l} \times \vec{B}]$, где $\vec{l}$ — вектор, по модулю равный длине проводника и направленный по току. Модуль этой силы равен $F_A = IBl\sin\alpha$, где $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Силы, действующие на противоположные стороны рамки, равны по модулю и противоположны по направлению. Если плоскость рамки не перпендикулярна линиям магнитной индукции, то пара сил, действующих на две стороны рамки, создает вращающий момент $\vec{M}$. Этот момент стремится повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярной вектору магнитной индукции $\vec{B}$.

Поведение рамки удобно описывать с помощью вектора магнитного момента $\vec{p}_m$. Его модуль равен произведению силы тока $\text{I}$ на площадь рамки $\text{S}$: $p_m = IS$. Направление вектора $\vec{p}_m$ перпендикулярно плоскости рамки и определяется по правилу правого винта (если вращать винт в направлении тока, то его поступательное движение укажет направление $\vec{p}_m$).

Вращающий момент, действующий на рамку, определяется векторным произведением: $\vec{M} = [\vec{p}_m \times \vec{B}]$. Его модуль равен $M = p_m B \sin\theta$, где $\theta$ — угол между векторами $\vec{p}_m$ и $\vec{B}$.

Под действием этого момента рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее магнитный момент $\vec{p}_m$ не станет сонаправлен с вектором магнитной индукции $\vec{B}$ (т.е. $\theta = 0$). В этом положении вращающий момент становится равным нулю, и рамка приходит в состояние устойчивого равновесия. Это означает, что плоскость рамки устанавливается перпендикулярно линиям магнитного поля.

Это явление лежит в основе работы электродвигателей, гальванометров и других электроизмерительных приборов.

Ответ: На рамку с током в магнитном поле действует вращающий момент, который поворачивает ее до тех пор, пока плоскость рамки не установится перпендикулярно линиям магнитной индукции, а ее собственный магнитный момент не сориентируется по направлению внешнего поля.