Поведение контура с током в магнитном поле

Замкнутый контур (круглый или прямоугольный) из металлического проводника, через который идёт электрический ток, при помещении его в магнитное поле (МП) получает вращающий, механический момент. Впервые подобные эксперименты были проведены выдающимся английским физиком М. Фарадеем (1791–1867), открывшим явление электромагнитной индукции. Поведение контура с током в магнитном поле позволило понять природу электромагнетизма.

Поведение рамки в МП

Опыты Фарадея

До экспериментов, выполненных М. Фарадеем, европейские учёные исследовали загадочные эффекты и явления, связанные с токами:

• В 1819 г. датский исследователь Х. К. Эрстед обнаружил, что электрический ток инициирует МП в окружающем его пространстве. Стрелка компаса, расположенного рядом с проводом, отклонялась в момент включения тока.
• В 1820 г. французские физики Био и Савар на основании серии опытов предложили формулу, позволяющую рассчитать значение МП вблизи проводника (закон Био-Савара).
• В 1820 г. французский учёный А. Ампер продемонстрировал эксперименты, в которых два параллельных провода с током имели между собой силовое взаимодействие, зависящее от направления токов.

Эксперименты Ампера

Знания, полученные предшественниками, вдохновили М. Фарадея на дальнейшие исследования связи между магнетизмом и электричеством. Тот факт, что электрический ток порождал магнитное поле, натолкнул М. Фарадея на мысль, что возможно природой предусмотрен и обратный процесс — возбуждение тока с помощью МП.

Результатом опытов великого физика явилось открытие  электромагнитной индукции. Роль контуров с токов выполняли витки провода, навитые на общий сердечник.

Суть экспериментов Фарадея

В каждом из опытов возникновение тока в цепи регистрировалось гальванометром, если был активным магнитный источник, действующий на контур с током:

• Первый случай (левая картинка) — перемещение постоянного магнита через серию замкнутых контуров, образующих катушку.
• Второй случай (правая картинка) — импульс тока в первой спирали активирует МП (эффект, открытый Х.К. Эрстедом), которое индуцирует ток во второй спирали, о чём свидетельствует отклонение стрелки гальванометра.

Рождение электродвигателя

Ещё один эксперимент М. Фарадея, доказывавший, что магнитное и электрическое поле контура с током неразрывно связаны, показан на картинке ниже.

Вращение контура в МП

Замкнутый контур с током в магнитном поле поворачивается под действием момента сил. Рамка будет вращаться до тех пор, пока ее плоскость не зафиксируется перпендикулярно к линии (нормали), соединяющей магнитные полюса. То есть МП оказывает на рамку ориентирующее воздействие.

Магнитный момент

На рисунке ниже показаны силы, действующие на контур с током в однородном магнитном поле.  Формулы для сил F₁, F₂, F₃, F₄ были получены А. Ампером. Результирующий момент сил, действующих на контур с током в однородном магнитном поле, равен моменту пары сил F₂ и F₄.

Силы действующие на проводящий контур

Таким образом, М. Фарадей фактически одновременно с открытием электромагнитной индукции изобрел электродвигатель, позволяющий преобразовывать электрическую энергию в механическую.

Механизм возникновения электромагнитной индукции используется для обратного преобразования. Такие устройства называются генераторами. На картинке ниже показано как принудительное, механическое вращение контура с током в однородном магнитном поле приводит к появлению ЭДС.

Преобразование механической энергии в электрическую

Неоднородное поле

Рамка в однородном и неоднородном поле ведет себя по-разному. Связано это с тем, что на контур с током в неоднородном магнитном поле кроме вращающего момента действует еще сила, обусловленная присутствием градиента МП, являющегося характеристикой неоднородности. В зависимости от ориентации векторов p и B контур будет либо втягиваться в область сильных полей, либо выталкиваться в противоположную сторону.

Контур с током в неоднородном МП

Заключение

Поведение контура (рамки) с током позволяет получить наглядную информацию о взаимодействии электрического тока с магнитным полем. Присутствие однородного МП приводит к вращению рамки, что позволило разработать электродвигатели различного назначения и мощности. Механическое вращение рамки с током в МП приводит к появлению ЭДС, что дало возможность человечеству создать промышленную электроэнергетику.

Видео по теме