Номер 3.1, страница 51 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Магнитное поле тока. Магнитная индукция - номер 3.1, страница 51.

Условие.

3.1. Какое действие оказывает магнитное поле: а) на магнитную стрелку; б) на маленькую рамку с током?

Решение.

а) Магнитное поле оказывает на магнитную стрелку, которая является маленьким постоянным магнитом (магнитным диполем), ориентирующее действие. На стрелку действует вращающий момент (момент сил), который стремится повернуть ее так, чтобы ее ось совпала с направлением силовых линий внешнего магнитного поля. Северный полюс стрелки устанавливается по направлению вектора магнитной индукции $ \vec{B} $.
Этот вращающий момент $ \vec{M} $ определяется векторным произведением магнитного момента стрелки $ \vec{p}_m $ и вектора магнитной индукции поля $ \vec{B} $:
$ \vec{M} = \vec{p}_m \times \vec{B} $
В однородном магнитном поле равнодействующая сил, действующих на стрелку, равна нулю, поэтому стрелка только поворачивается. В неоднородном магнитном поле, помимо вращающего момента, на стрелку также действует сила, которая стремится переместить ее в область более сильного или слабого поля, в зависимости от ее ориентации.
Ответ: Магнитное поле оказывает на магнитную стрелку ориентирующее действие, заставляя ее поворачиваться и устанавливаться вдоль линий магнитной индукции.

б) Маленькая рамка с током во внешнем магнитном поле ведет себя аналогично магнитной стрелке, так как сама является магнитным диполем. Она создает собственное магнитное поле и обладает магнитным моментом $ \vec{p}_m $. Величина этого момента равна произведению силы тока $ I $ в рамке на ее площадь $ S $, а его направление (вектор $ \vec{S} $) перпендикулярно плоскости рамки и определяется по правилу правого винта (или правилу правой руки):
$ \vec{p}_m = I \vec{S} $
Во внешнем магнитном поле на рамку с током действует момент сил (вращающий момент), который стремится повернуть ее так, чтобы ее магнитный момент $ \vec{p}_m $ сориентировался по направлению вектора магнитной индукции $ \vec{B} $. В этом устойчивом положении равновесия плоскость рамки оказывается перпендикулярна силовым линиям поля.
Вращающий момент $ \vec{M} $ вычисляется по формуле:
$ \vec{M} = \vec{p}_m \times \vec{B} = I \vec{S} \times \vec{B} $
В однородном поле результирующая сила, действующая на рамку, равна нулю. В неоднородном поле на рамку также будет действовать сила, втягивающая или выталкивающая ее из поля.
Ответ: Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, создавая вращающий момент, который поворачивает рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярна линиям магнитной индукции.