Контур с током в магнитном поле. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле.
Магнитный момент контура с током - это векторная физическая величина, численно равная произведению силы тока на площадь контура.
.
1 А×м2 - это магнитный момент контура с током силой 1А, площадь которого равна 1м2.
- единичный вектор внешней нормали к поверхности S, ограниченной контуром с током.

Внешней (положительной) называется нормаль, которая связана с направлением тока в контуре правилом правого винта (рис. 3а). Таким образом, направление определяется правилом правого винта: если рукоятку винта вращать по току в контуре, поступательное движение винта совпадет с направлением (рис. 3 а,б).
Поместим в однородное магнитное поле с индукцией рамку с током так, чтобы плоскость рамки была параллельна магнитным силовым линиям (рис. 4). При этом на стороны рамки, перпендикулярные силовым линиям ( и ) будут действовать силы и , создающие вращающий момент сил относительно закрепленной оси вращения 00¢.
где - площадь рамки, pm - магнитный момент рамки с током.
.
Вращающий момент стремится привести контур в положение устойчивого равновесия, при котором векторы и сонаправлены (рис.5), т.е. ориентированы параллельно друг другу. При этом М=0, силы действуют в одной плоскости, они лишь деформируют рамку (растягивают).
Следовательно, действие однородного магнитного поля на рамку (контур) с током сводится к повороту в направлении, параллельном ( сонаправлено ).
Из предыдущей формулы может быть дано определение : модуль вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля равен максимальному вращающему моменту сил, действующих на рамку с током, обладающую единичным магнитным моментом:
.
Если поле неоднородно, под действием силы незакрепленный контур с током втягивается в область более сильного магнитного поля.
На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Если проводник не закреплен (например, одна сторона контура изготовлена в виде подвижной перемычки), то под действием силы Ампера он будет перемещаться в магнитном поле, т.е. сила Ампера совершает работу. Для ее определения рассмотрим проводник длиной с током I, который может свободно перемещаться в однородном магнитном поле с индукцией (рис. 6), .
Под действием этой силы проводник переместится параллельно самому себе на из положения 1 в положение 2 . Работа, совершенная при этом:
,
где - площадь, пересекаемая проводником при его движении;
- магнитный поток, пронизывающий эту площадь.
Полученная формула справедлива и для произвольного направления вектора , т.к. можно разложить на нормальную и тангенциальную (по отношению к плоскости контура) составляющие.
Поскольку в создании силы ампера не участвует, то
.
Если ,
т.е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.
Работа совершается не за счет энергии внешнего магнитного поля, а за счет источника, поддерживающего неизменным ток в контуре, или в перемещаемом проводнике.
Вычислим работу по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле. Для упрощения вычислений рассмотрим контур прямоугольной формы, плоскость которого перпендикулярна и с которым сцеплен магнитный поток (рис. 7). Поскольку магнитное поле в общем случае может быть неоднородным, при перемещении контура 1234 в плоскости чертежа в новое положение 1¢2¢3¢4¢ с ним будет сцеплен магнитный поток . Магнитный поток сквозь площадку 432¢1¢ обозначим .
Полная работа, совершаемая при перемещении контура, равна алгебраической сумме работ, совершаемых при перемещении 4-х сторон:
,
(т.к. и перпендикулярны перемещению).
Т.к. сила составляет с вектором перемещения 1800, <0,
.
Сила сонаправлена с вектором перемещения, >0.
,
, (1)
где - изменение магнитного потока через площадку, ограниченную замкнутым контуром.
Работа, совершаемая силами Ампера при перемещении замкнутого контура с током в магнитном поле, равна произведению силы тока на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.
Соотношение (1), полученное для простейшего случая, справедливо для контура любой конфигурации в произвольном магнитном поле при любых его перемещениях (вращении, сминании и т.п.).
В частности, при повороте контура в однородном магнитном поле (рис. 8) из положения 1, при котором в положение 2, при котором над контуром совершается работа:
.
Если контур неподвижен, а изменяется значение или направление , работа рассчитывается также по формуле (1).
|