§ 134. Действие магнитного поля на виток или соленоид с током.

В предыдущем параграфе мы рассмотрели действие поля на искусственно выделенный прямолинейный участок проводника с током. Но ток, протекающий по проводнику, представляет собой замкнутую цепь, и действие магнитного поля на ток весьма сложным образом зависит от формы проводников и от их расположения в поле. Мы ограничимся рассмотрением сравнительно простых, но важных случаев, когда проводник представляет собой один виток или совокупность последовательно соединенных витков (соленоид). Для изучения действия магнитного поля на такой виток или соленоид удобно придать приборам форму, изображенную на рис. 239, где провода  и , подводящие ток от батареи, сделаны длинными и тонкими, так что они одновременно служат подвесами, дающими возможность витку легко поворачиваться и перемещаться. Помещая такой виток или соленоид в магнитное поле, например в магнитное поле Земли или между полюсами магнита или электромагнита, мы можем изучать действие поля на виток (соленоид). При этом можно пренебречь действием поля на подводящие провода, если они расположены очень тесно друг к другу или, еще лучше, обвивают друг друга. Действительно, по этим проводам текут токи одинаковой силы и противоположного направления и они находятся в одном и том же поле. Следовательно (§ 133), на подводящие провода действуют равные и противоположно направленные силы, так что подвес остается в покое.

Рис. 239. Виток с током (а) и соленоид (б) для проведения исследований в магнитном поле

Мы неоднократно обращали внимание на то, что виток, по которому течет ток, эквивалентен короткому магниту, направление которого перпендикулярно к плоскости витка, причем северный полюс этого магнита расположен на той стороне плоскости витка, с которой ток кажется циркулирующим против часовой стрелки (правило буравчика, § 124; см. также § 119), а южный на противоположной стороне. Соленоид же эквивалентен магниту, лежащему вдоль оси соленоида. Ось этого магнита совпадает с осью соленоида, а расположение северного и южного полюсов определяется правилом буравчика, так же как и в случае витка. Естественно поэтому, что на такой виток или соленоид поле действует, как на магнитную стрелку, а именно: однородное поле создает вращающий момент, стремящийся повернуть виток или соленоид так, чтобы ось его расположилась вдоль поля и направление от южного полюса витка (соленоида) к северному совпало с направлением поля (рис. 240). В неоднородном поле к этому вращающему моменту присоединяется сила, увлекающая повернувшийся виток (соленоид) в том направлении, в каком увеличивается магнитная индукция поля.

Рис. 240. Положение, которое принимают в магнитном поле виток с током (а) и соленоид (б)

Пользуясь сведениями, полученными нами в § 133 относительно действия магнитного поля на прямолинейный проводник с током, мы можем яснее представить себе происхождение вращающего момента и влекущей силы, которые действуют на виток с током в магнитном поле. Пусть виток имеет прямоугольную форму (рис. 241) и расположен в однородном поле так, что две его стороны параллельны направлению поля, а две перпендикулярны к нему. На первые две поле не действует (рис. 234,в), а на две вторые действует с равными и противоположно направленными силами  и , потому что обе эти стороны имеют одинаковую длину  и по ним течет ток  одинаковой силы, но противоположного направления (рис. 241). Таким образом, силы, с которыми однородное поле действует на виток с током, составляют пару сил, которая и обусловливает вращающий момент, поворачивающий виток так, что плоскость его устанавливается перпендикулярно к направлению поля.

Рис. 241. Рамка с током в однородном поле устанавливается так, чтобы плоскость ее была перпендикулярна к линиям поля: а) вид сбоку; б) вид сверху

Рис. 242. Рамка с током, стоящая перпендикулярно к линиям однородного поля. Действующие на нее силы стремятся деформировать рамку (сжать или растянуть ее), не вызывая ее поступательного движения как целого: а) вид сбоку (магнитное поле направлено к наблюдателю); б) вид сверху

Если поле однородно, то этим поворотом и ограничивается воздействие поля, ибо в этом положении действие поля сводится к четырем направленным в разные стороны силам  и , которые не могут перемещать виток, а только стремятся его деформировать и уравновешиваются упругими силами, возникающими при деформации жесткого витка (рис. 242). Но если поле неоднородно и, следовательно, магнитная индукция поля в разных местах его имеет различное направление (и модуль), то результат будет несколько сложнее (рис. 243). Силы, действующие на разные стороны повернувшегося витка, теперь не равны и направлены не в прямо противоположные стороны, а составляют некоторый угол между собой (рис. 243,а), ибо эти силы перпендикулярны к направлению магнитной индукции поля. Их равнодействующая  направлена в сторону возрастания магнитной индукции (рис. 243,б).

Рис. 243. а) Рамка, находящаяся в неоднородном поле (вид сверху). Действующие на нее силы вызывают движение рамки в область наибольшей магнитной индукции поля. б) Сложение сил  и , действующих на боковые стороны рамки. Равнодействующая сила  стремится втянуть рамку в область наибольшей магнитной индукции поля

Наше рассмотрение касалось прямоугольного витка. Оно сохраняет свою силу и для витка любой формы, только в этом случае расчет более сложен, и мы его не приводим.

В случае соленоида сказанное применимо к каждому витку. Вращающие моменты, действующие на каждый виток жесткого соленоида, складываясь, дают результирующий вращающий момент, поворачивающий весь соленоид. При неоднородном поле силы, влекущие каждый виток в сторону возрастания магнитной индукции поля, окажут такое же действие и на весь соленоид в целом. Это рассмотрение объясняет нам, каким образом действие поля на каждый элементарный амперов ток приводит к повороту всей магнитной стрелки и к ее увлечению вдоль поля, если оно неоднородно.

134.1. В горизонтальной плоскости лежит виток. Однородное магнитное поле направлено вертикально сверху вниз (рис. 244). Как будут направлены силы, действующие на виток: а) если по нему пропустить ток в направлении, указанном стрелкой; б) если ток идет в обратном направлении? Какую форму стремится принять виток, если он сделан из очень гибкой проволоки, в обоих случаях?

Рис. 244. К упражнению 134.1

134.2. Если через проволочную спираль пропускать ток, то витки ее притягиваются друг к другу и спираль стягивается по оси. Объясните это явление.

134.3. Объясните опыт с «танцующей пружиной», изображенной на рис. 245. Ток подводится к пружине через верхний неподвижный конец 1 и через чашечку с ртутью 2, в которую погружен нижний конец пружины. При включении тока пружина начинает периодически сжиматься и растягиваться, причем конец ее то выходит из ртути, то снова входит в нее. Какой из известных нам приборов напоминает это устройство? Для какой цели его можно было бы использовать?

Рис. 245. К упражнению 134.3

134.4. Кусок железа, помещенный перед катушкой, втягивается в нее при включении тока независимо от направления тока. На этом основано устройство амперметров и вольтметров так называемой электромагнитной системы, применяемых для измерения переменного тока и напряжения (на рис. 246 для ясности кусок железа снабжен стрелкой и показана шкала). Объясните этот опыт. Пришло бы железо в движение, если бы мы поместили его внутрь катушки, т. е. в область, где магнитное поле однородно?

Рис. 246. К упражнению 134.4

134.5. На рис. 247 изображена модель «электропушки», представляющая собой горизонтально укрепленный соленоид 1, намотанный на медную или стеклянную трубку. У одного конца его находится железный «снаряд» (гвоздь) 2. Если на короткое время включить достаточно большой ток, то снаряд втянется внутрь соленоида, пролетит сквозь него и вылетит с довольно значительной скоростью. В какой момент нужно выключить ток, чтобы снаряд вылетел из соленоида с наибольшей скоростью? Каково будет движение снаряда, если ток останется включенным все время?

Рис. 247. К упражнению 134.5