Номер 3, страница 10 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Как ориентируются в однородном магнитном поле замкнутый контур с током и магнитная стрелка?

Замкнутый контур с током

Замкнутый контур, по которому течет электрический ток, создает вокруг себя собственное магнитное поле и ведет себя подобно постоянному магниту (магнитному диполю). Основной характеристикой такого контура является его магнитный момент $\vec{p}_m$. Это векторная величина, модуль которой равен произведению силы тока $I$ на площадь контура $S$: $p_m = I \cdot S$. Направление вектора магнитного момента перпендикулярно плоскости контура и находится по правилу правой руки: если обхватить контур четырьмя пальцами правой руки по направлению тока, то отогнутый большой палец покажет направление вектора $\vec{p}_m$. Этот вектор также называют вектором нормали к контуру.

Когда такой контур помещают в однородное внешнее магнитное поле с индукцией $\vec{B}$, на него начинает действовать вращающий момент (момент сил) $\vec{M}$. Этот момент стремится повернуть контур и определяется векторным произведением: $\vec{M} = \vec{p}_m \times \vec{B}$. Величина этого момента зависит от угла $\alpha$ между вектором магнитного момента контура $\vec{p}_m$ и вектором индукции поля $\vec{B}$: $M = p_m B \sin \alpha$.

Контур будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий момент не станет равным нулю. Это происходит, когда $\sin \alpha = 0$, то есть при $\alpha = 0^\circ$ или $\alpha = 180^\circ$. Положение устойчивого равновесия соответствует минимальной потенциальной энергии контура в поле ($U = - \vec{p}_m \cdot \vec{B} = -p_m B \cos \alpha$), что достигается при $\alpha = 0^\circ$. В этом положении вектор магнитного момента $\vec{p}_m$ становится сонаправленным с вектором магнитной индукции $\vec{B}$.

Ответ: Замкнутый контур с током в однородном магнитном поле ориентируется таким образом, чтобы его вектор магнитного момента $\vec{p}_m$ (вектор нормали к плоскости контура) был направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля $\vec{B}$. При этом плоскость самого контура располагается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

Магнитная стрелка

Магнитная стрелка (например, стрелка компаса) — это небольшой постоянный магнит, представляющий собой магнитный диполь с двумя полюсами: северным (N) и южным (S). Она также обладает магнитным моментом, вектор которого направлен вдоль оси стрелки от ее южного полюса к северному.

В однородном магнитном поле на полюсы стрелки действуют силы, создающие вращающий момент. Сила, действующая на северный полюс, направлена по вектору индукции поля $\vec{B}$, а на южный — в противоположную сторону. Этот момент поворачивает стрелку до тех пор, пока она не займет положение устойчивого равновесия.

Положение устойчивого равновесия достигается тогда, когда магнитный момент стрелки становится сонаправлен с вектором индукции внешнего магнитного поля $\vec{B}$. Это означает, что стрелка разворачивается вдоль линий магнитной индукции.

Ответ: Магнитная стрелка в однородном магнитном поле ориентируется вдоль линий магнитной индукции, причем ее северный полюс (N) указывает направление вектора индукции магнитного поля $\vec{B}$.