Номер 1, страница 95 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 3. Магнитное поле. Параграф 15. Действие магнитного поля на рамку с током. Электродвигатель. Вопросы - номер 1, страница 95.

Условие.

1. Какое действие оказывает однородное магнитное поле на рамку с током?

Решение.

1. Однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее, то есть вращательное, действие. Это явление лежит в основе работы электродвигателей. Разберем его подробнее.

На каждый прямолинейный участок проводника (сторону рамки), по которому протекает ток, в магнитном поле действует сила Ампера. Вектор этой силы $\vec{F_A}$ определяется векторным произведением: $\vec{F_A} = I (\vec{l} \times \vec{B})$, где $\text{I}$ - сила тока, $\vec{l}$ - вектор, направленный вдоль участка проводника по направлению тока и равный по модулю его длине, а $\vec{B}$ - вектор магнитной индукции.

Для замкнутого контура (каковым является рамка), помещенного в однородное магнитное поле, векторная сумма всех сил Ампера, действующих на все стороны рамки, всегда равна нулю: $\sum \vec{F_A} = 0$. Это означает, что центр масс рамки не будет двигаться поступательно, то есть поле не будет сдвигать рамку в каком-либо направлении.

Однако, хотя равнодействующая сила равна нулю, силы, приложенные к противоположным сторонам рамки, образуют так называемую пару сил. Эти силы равны по модулю, противоположны по направлению, но их линии действия не совпадают (если плоскость рамки не перпендикулярна полю). Эта пара сил создает вращающий момент $\vec{M}$, который стремится повернуть рамку.

Величина этого вращающего момента вычисляется по формуле:

$M = ISB \sin \alpha$

где:

• $\text{I}$ – сила тока в рамке;
• $\text{S}$ – площадь, охватываемая рамкой;
• $\text{B}$ – модуль вектора магнитной индукции;
• $\alpha$ – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки и вектором магнитной индукции $\vec{B}$.

Действие этого момента заключается в том, чтобы развернуть рамку до положения равновесия. Равновесие наступает, когда вращающий момент становится равным нулю. Это происходит при $\sin \alpha = 0$, то есть когда $\alpha = 0^\circ$ или $\alpha = 180^\circ$. В обоих случаях плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции. Положение при $\alpha = 0^\circ$ является устойчивым равновесием.

Максимальный вращающий момент действует на рамку, когда ее плоскость параллельна линиям магнитной индукции ($\alpha = 90^\circ$).

Ответ: Однородное магнитное поле оказывает на рамку с током вращательное (ориентирующее) действие. Оно создает момент сил, который стремится повернуть рамку так, чтобы ее плоскость установилась перпендикулярно линиям магнитной индукции. При этом равнодействующая всех сил, действующих на рамку, равна нулю, и рамка не движется поступательно.