Экспериментальные задания, страница 164 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Поместим между полюсами дугообразного магнита проводник с током в виде рамки (рис. 34.4).

Применив в правой и левой части рамки правило левой руки, найдем направление сил Ампера, действующих на них (рис. 34.4, а). Возникнет момент сил, поворачивающий рамку против часовой стрелки, и рамка установится перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 34.4, б).

Этот опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током.

Рис. 34.4

На изображении представлен физический опыт, демонстрирующий ориентирующее действие магнитного поля на рамку с электрическим током. Дадим развернутое объяснение этого явления.

Анализ сил, действующих на рамку с током в магнитном поле

1. Исходные условия (Рис. 34.4, а):
Прямоугольная рамка, по которой протекает электрический ток $I$, помещена в однородное магнитное поле, созданное между полюсами магнита. Силовые линии магнитного поля (вектор магнитной индукции $\vec{B}$) направлены от северного полюса (N) к южному (S), то есть горизонтально слева направо. В начальный момент плоскость рамки расположена под некоторым углом к силовым линиям поля.

2. Применение правила левой руки:
На каждый участок проводника с током, находящийся в магнитном поле, действует сила Ампера. Ее направление определяется по правилу левой руки. Величина этой силы рассчитывается по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $l$ — длина участка проводника, а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции $\vec{B}$.
• Левая вертикальная сторона рамки: Ток $I$ направлен вверх. Располагаем левую руку так, чтобы вектор $\vec{B}$ входил в ладонь (ладонью к северному полюсу), а четыре вытянутых пальца были направлены по току (вверх). Тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера $\vec{F_A}$ — на нас (из плоскости рисунка).
• Правая вертикальная сторона рамки: Ток $I$ направлен вниз. Располагаем левую руку так, чтобы вектор $\vec{B}$ снова входил в ладонь, а четыре пальца были направлены по току (вниз). Большой палец укажет направление силы Ампера $\vec{F_A}$ — от нас (в плоскость рисунка).
• Горизонтальные стороны рамки (верхняя и нижняя): Силы Ампера, действующие на эти стороны, либо равны нулю (если ток параллелен полю), либо направлены вдоль оси вращения (вверх и вниз) и компенсируют друг друга. Они стремятся растянуть или сжать рамку, но не создают вращающего момента относительно вертикальной оси.

3. Возникновение вращающего момента:
Две силы, действующие на вертикальные стороны рамки, равны по модулю ($F_A = I \cdot B \cdot l$, так как $\alpha=90^\circ$), параллельны друг другу, но направлены в противоположные стороны и приложены к разным сторонам рамки. Такая пара сил создает вращающий момент (момент сил) $M$. Этот момент сил стремится повернуть рамку против часовой стрелки (если смотреть сверху) вокруг ее вертикальной оси.

4. Положение равновесия (Рис. 34.4, б):
Под действием вращающего момента рамка поворачивается до тех пор, пока не займет положение устойчивого равновесия. Это происходит, когда плоскость рамки становится перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. В этом положении:
• Силы Ампера на вертикальных сторонах по-прежнему направлены на нас и от нас, но теперь они действуют вдоль одной прямой — оси вращения.
• Плечо этих сил относительно оси вращения становится равным нулю.
• Следовательно, вращающий момент $M$ становится равным нулю, и вращение прекращается.

Вывод:
Опыт наглядно демонстрирует, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на замкнутый контур с током. Рамка стремится расположиться так, чтобы плоскость рамки была перпендикулярна вектору магнитной индукции. Это эквивалентно тому, что рамка стремится занять положение, в котором магнитный поток, пронизывающий ее, будет максимальным. Этот принцип лежит в основе работы электродвигателей.

Ответ: Магнитное поле действует с силами Ампера на стороны рамки с током. На вертикальные стороны действуют две равные по модулю и противоположные по направлению силы, которые образуют пару сил. Эта пара сил создает вращающий момент, который поворачивает рамку до тех пор, пока ее плоскость не станет перпендикулярна линиям магнитного поля. В этом положении вращающий момент становится равным нулю, и рамка достигает состояния устойчивого равновесия, демонстрируя ориентирующее действие магнитного поля.