Номер 3, страница 167 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

3. Каков физический смысл вектора магнитной индукции?

2. Как находят направление силы Ампера?

Направление силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле, определяется с помощью правила левой руки.

Формулировка правила: Если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции (вектор $\vec{B}$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока ($I$) в проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера ($\vec{F}_A$), действующей на проводник.

В векторной форме сила Ампера выражается через векторное произведение:

$\vec{F}_A = I (\vec{l} \times \vec{B})$

где $I$ – сила тока в проводнике, $\vec{l}$ – вектор, по модулю равный длине участка проводника и направленный вдоль тока, $\vec{B}$ – вектор магнитной индукции. Направление результирующего вектора $\vec{F}_A$ перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы $\vec{l}$ и $\vec{B}$, и определяется по правилу векторного произведения (которое соответствует правилу левой руки).

Ответ: Направление силы Ампера находят по правилу левой руки.

3. Каков физический смысл вектора магнитной индукции?

Вектор магнитной индукции ($\vec{B}$) является силовой характеристикой магнитного поля. Его физический смысл заключается в следующем:

Модуль вектора магнитной индукции численно равен максимальной силе, с которой магнитное поле действует на единичный элемент тока, то есть на проводник длиной 1 метр с током силой 1 ампер, расположенный перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Это следует из формулы силы Ампера: $F_A = I B l \sin\alpha$. Максимальная сила $F_{max}$ достигается при $\alpha = 90^\circ$ ($\sin\alpha = 1$), когда проводник перпендикулярен полю. Тогда $F_{max} = I B l$. Отсюда можно выразить модуль вектора магнитной индукции:

$B = \frac{F_{max}}{I l}$

Таким образом, магнитная индукция показывает, какая сила действует на проводник с током со стороны магнитного поля. Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — Тесла (Тл). 1 Тл — это индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1 Н на каждый метр длины прямого проводника с током 1 А, расположенного перпендикулярно вектору индукции.

Направление вектора магнитной индукции $\vec{B}$ в данной точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс свободной магнитной стрелки (компаса), помещенной в эту точку поля.

Ответ: Модуль вектора магнитной индукции $B$ численно равен максимальной силе, действующей на участок проводника единичной длины с единичным током, а его направление совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.

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

На рамку с током, помещенную в магнитное поле, со стороны поля действуют силы Ампера. Эти силы создают вращающий момент, который стремится повернуть рамку.

Рассмотрим прямоугольную рамку с током $I$ в однородном магнитном поле с индукцией $\vec{B}$. На противоположные стороны рамки, по которым ток течет в разных направлениях, действуют равные по модулю и противоположно направленные силы Ампера. Если эти силы не лежат на одной прямой, они образуют пару сил, которая создает вращающий момент $M$.

Величина этого момента зависит от силы тока $I$, площади рамки $S$, модуля магнитной индукции $B$ и ориентации рамки в поле:

$M = I S B \sin\alpha$

где $\alpha$ — угол между вектором нормали (перпендикуляра) к плоскости рамки и вектором магнитной индукции $\vec{B}$.

Под действием этого момента рамка будет поворачиваться. Вращение будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент не станет равным нулю. Это произойдет, когда $\sin\alpha = 0$, то есть при $\alpha = 0^\circ$ или $\alpha = 180^\circ$. Положение при $\alpha = 0^\circ$ является положением устойчивого равновесия. В этом положении плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции, а собственный магнитный поток рамки, создаваемый текущим в ней током, максимален и сонаправлен с внешним полем. Положение при $\alpha = 180^\circ$ является положением неустойчивого равновесия.

Таким образом, рамка с током в магнитном поле стремится занять положение, при котором ее плоскость будет перпендикулярна вектору магнитной индукции. Это явление лежит в основе работы электродвигателей и измерительных приборов (гальванометров).

Ответ: Рамка с током в магнитном поле поворачивается под действием вращающего момента до тех пор, пока ее плоскость не установится перпендикулярно линиям магнитной индукции.