Взаимодействие полей с токами и зарядами

Сила, действующая на проводник

Каждый движущийся носитель в проводнике испытывает магнитное действие, и сумма этих воздействий передаётся всему проводнику. Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Для прямого участка длиной $l$ в однородном поле:

Угол $\alpha$ лежит между направлением тока и $\vec{B}$. Сила максимальна при перпендикулярности и равна нулю при параллельности. Направление находят правилом левой руки или непосредственно из векторного произведения $\vec{F}=I\vec{l}\times \vec{B}$.

Два параллельных тока одного направления притягиваются, противоположного — отталкиваются. Поле каждого проводника действует на ток другого, а силы образуют пару по третьему закону Ньютона.

Оба заряда движутся вправо в поле, направленном от наблюдателя; сила на положительный заряд направлена вверх, на отрицательный вниз.

Сила Лоренца

Магнитная сила Лоренца — сила, действующая со стороны магнитного поля на отдельный движущийся заряд.

Для положительного заряда направление задаёт правило левой руки, для отрицательного оно противоположно. Неподвижный заряд магнитной силы не испытывает. Сила Ампера является макроскопическим результатом сил Лоренца, действующих на носители в проводнике.

Работа магнитной силы

Сила Лоренца всегда перпендикулярна мгновенной скорости, поэтому её работа равна нулю. Магнитное поле не меняет кинетическую энергию и модуль скорости частицы, но поворачивает вектор скорости. Источник, поддерживающий ток в движущемся проводнике, может совершать работу, однако сама магнитная составляющая силы на отдельном заряде остаётся перпендикулярной его скорости.

Это похоже на центростремительное ускорение: изменение направления возможно при постоянном модуле скорости. Если одновременно присутствует электрическое поле, полная сила равна:

Электрическая часть способна изменять энергию, магнитная — направление движения.

Рамка с током

На противоположные стороны рамки в однородном поле действуют силы Ампера, образующие вращающий момент. Для одного витка площади $S$ момент имеет модуль $M=IBS\sin \alpha$, где $\alpha$ — угол между нормалью рамки и $\vec{B}$. Магнитный момент рамки равен ${\vec{p}}_m=IS\vec{n}$.

Рамка стремится повернуться так, чтобы её магнитный момент совпал с полем. Этот принцип лежит в основе электродвигателей и стрелочных измерительных приборов. Постоянное вращение двигателя требует своевременно менять направление тока в рамке.