Физика. Электромагнетизм. Лабораторная работа № 2-15 «Измерение силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле»

Москва  2021

С.А. Бондарева

ФИЗИКА

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 2-15  
«Измерение силы Ампера, действующей  
на проводник с током в магнитном поле»

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4324
М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
«МИСиС»

ИНСТИТУТ БАЗОВОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра физики

УДК 53 
 
Б81

Р е ц е н з е н т 
канд. физ.-мат. наук, доцент И.Ф. Уварова

Бондарева С.А.
Б81  
Физика. Электромагнетизм. Лабораторная работа № 
2-15 «Измерение силы Ампера, действующей 
на проводник с током в магнитном поле» : лаб. работа / 
С.А. Бондарева. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2021. – 21 с.

Пособие содержит описание лабораторной работы по разделу 
«Электромагнетизм», поставленной на базе современного оборудования 
фирмы PHYWE. Рассмотрены темы: закон Био – Савара – 
Лапласа, действие магнитного поля на проводник с током. К рабо-
те дано теоретическое введение, описание лабораторной установки 
и методические указания по выполнению. 
Предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате 
и специалитете по направлениям подготовки 13.03.02, 22.03.02, 
15.03.02, 20.03.01, 27.03.01, 22.03.01, 03.03.02, 11.03.04, 28.03.01, 
28.03.03, 01.03.04, 09.03.01, 09.03.02, 09.03.03, 21.05.04, 23.05.01.

УДК 53

 С.А. Бондарева, 2021
 НИТУ «МИСиС», 2021

Содержание

Лабораторная работа № 2-15  
«Измерение силы Ампера, действующей на проводник  
с током в магнитном поле»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1 Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . 10

4 Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5 Обработка результатов эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Библиографический список  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Лабораторная работа № 2-15 
«Измерение силы Ампера,  
действующей на проводник с током 
в магнитном поле» 

1 Цель работы 

Опытная проверка закона Ампера. Экспериментальное 
определение силы Ампера, с которой магнитное поле действу-
ет на проводник с током. Исследование зависимости силы Ам-
пера от силы тока, протекающего через проводник, и значения 
индукции магнитного поля.

2 Теоретическое введение

Магнитное поле возникает вокруг движущихся зарядов 
и действует на движущиеся заряды. 
Закон Био – Савара – Лапласа. Силовой характеристи-
кой магнитного поля является вектор магнитной индукции В


. 
Если источником магнитного поля является элемент dl прово-
дника с током I, то согласно закону Био – Савара – Лапласа 
в некоторой точке А (рисунок 2.1) индукция поля d В


 в систе-
ме СИ записывается в виде 

 

0
3
d ,
d
4

I
l r
B
r



µ


=
π

 


,  
(2.1)

где 
0
µ  – магнитная постоянная;
dl



 – вектор, совпадающий с элементарным участком 
тока и направленный в ту сторону, в которую течет ток;

r  – радиус-вектор, проведенный из элемента dl прово-
дника в точку А поля;
r – модуль радиус-вектора r .

Направление dB


 перпендикулярно направлению dl



и 

r , то есть перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, 

и совпадает с касательной линии магнитной индукции. Это 
направление задается правилом правого винта: направление 
вращения головки винта дает направление линий магнитной 
индукции, если поступательное движение винта соответствует 
направлению тока в элементе. 

Рисунок 2.1 – Иллюстрация к закону  
Био – Савара – Лапласа

Модуль вектора dB


 в системе СИ определяется формулой

 

0
2
d sin
d
4
I l
B
r

µ
α
=
π
,   
(2.2)

где α  – угол между векторами dl
 и r .

Согласно принципу суперпозиции магнитное поле любого 
тока может быть вычислено как векторная сумма полей, 
создаваемых отдельными элементарными участками тока.

Магнитное поле соленоида. Соленоид – равномерно намотанная 
на цилиндрический каркас проволочная спираль, 
по которой течет электрический ток I. Если длина соленоида 
L во много раз больше диаметра его витков, то магнитное поле 
внутри соленоида можно считать однородным (рисунок 2.2).

Магнитная индукция поля внутри соленоида в вакууме 
вычисляется по формуле

 
0NI
B
L

µ
=
,  
(2.3)

где N – число витков соленоида; 
L – длина соленоида.

Рисунок 2.2 – Силовые линии магнитного поля 
соленоида

В данной работе магнитное поле создается катушками 
с током, намотанными на U-образный сердечник с полюсными 
наконечниками. Линии магнитного поля в зазоре между 
наконечниками горизонтальные и почти однородные (рисунок 
2.3).

Магнитная сила Лоренца. На электрический заряд q, 
движущийся в магнитном поле со скоростью υ , со стороны 
магнитного поля действует сила, которая называется силой 
Лоренца. Сила Лоренца выражается формулой

 
F
q
B


=
υ





, 
 (2.4)

где B


 – индукция магнитного поля, в котором движется 
заряд.

Рисунок 2.3 – Магнитное поле в U-образном 
соленоиде

Направление силы Лоренца определяется с помощью 
правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, 
чтобы в нее входил вектор B


, а четыре вытянутых пальца направить 
вдоль вектора скорости υ , то отогнутый большой палец 
покажет направление силы, действующей на положительный 
заряд. На рисунке 2.4 показана взаимная ориентация 
векторов υ , B


(поле направлено на нас, на рисунке показано 
точками) и F


для положительного и отрицательного зарядов. 
Направлена магнитная сила перпендикулярно к плоскости, 
в которой лежат векторы υ  и B


, по правилу векторного произведения.

Модуль силы Лоренца: 

 
sin
F
q B
= υ
α ,  
(2.5)

где α  – угол между векторами υ  и B


.

Рисунок 2.4 – Направление силы Лоренца 
на положительный и отрицательный заряды

Магнитное поле не действует на покоящийся электрический 
заряд и на заряд, движущийся вдоль линии магнитного 
поля. Сила Лоренца изменяет только направление скорости 
заряженной частицы и не меняет ее модуля, так как она всегда 
перпендикулярна скорости движения заряженной частицы. 
Поэтому сила Лоренца не совершает работы над движущейся 
в магнитном поле заряженной частицей, а кинетическая энергия 
этой частицы не изменяется.

Закон Ампера. Каждый носитель электрического тока 
испытывает действие магнитной силы, которое передается проводнику, 
по которому движутся заряды. Поэтому магнитное 
поле действует с определенной силой на сам проводник с током.
Сила dF


, с которой магнитное поле действует на элемент 
проводника dl с током, находящемся в магнитном, поле 
равна

 
d
d ,
F
I
l B


=



 

, 
 (2.6)

где dl


 – вектор, по модулю равный dl  и совпадающий 
по направлению с током; 

B


 – вектор магнитной индукции.

Направление вектора dF


может быть найдено из формулы (
2.6) по правилам векторного произведения. Направление 
силы можно определить по правилу левой руки. Если ладонь 
левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор B


, 
а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в про-

воднике, то отогнутый большой палец покажет направление 
силы, действующей на ток (рисунок 2.5).
Силы, действующие на токи в магнитном поле, называют 
силами Ампера, а формула (2.6) выражает закон Ампера. 

Рисунок 2.5 – Правило левой руки  
для силы Ампера

Модуль силы Ампера вычисляется по формуле

 
d
d sin
F
IB l
=
α , 
(2.7)

где α  – угол между векторами dl



и B


.

Интегрируя это выражение по элементам тока, можно 
найти силу Ампера, действующую на линейный участок проводника 
с током, помещенного в магнитное поле перпендикулярно 
линиям магнитной индукции B:

 
F = IlB,  
(2.8)

где I – сила тока в проводнике.

Направление силы Ампера зависит от направления тока 
в проводнике и направления индукции магнитного поля.
В данной работе при внесении рамки с током в магнитное 
поле результирующая сила Ампера равна силе, действую-

щей только на нижнюю горизонтальную сторону рамки (рисунок 
2.6). Силы Ампера, возникающие в вертикальных частях 
рамки с током, направлены в противоположные стороны и 
компенсируют друг друга.

Рисунок 2.6 – Возникновение силы Ампера 
в рамке с током в магнитном поле между зазорами 
U-образного соленоида

3 Описание экспериментальной 
установки

Общий вид экспериментальной установки представлен 
на рисунке 3.1. Электромагнит (1) генерирует однородное магнитное 
поле. Датчик силы (2) служит для измерения силы, 
действующей на рамку с током, помещенную в однородное 
магнитное поле. 
Рамку (3) располагают между двумя полюсами электромагнита (
4). Величина магнитного поля регулируется силой 
тока через катушки электромагнита. Катушки в электромагните 
подсоединены последовательно к выпрямителю (5) по мостовой 
схеме, который, в свою очередь, соединен с универсальным 
источником питания (6). В цепи со стороны катушек 
возле выпрямителя расположены переключатель (7) и датчик 
тока (8) на 6 А. Датчик тока подсоединен к аналоговому входу 
S2 универсальной установки «Cobra 3» (11). Рамка с током 
подвешена к датчику силы. При помощи двух металлических 

лент (9) рамка с током через распределительное приспособление 
подсоединена к выходу источника питания. В цепи рамки 
расположен другой датчик тока (10) на 6 А, который подклю-
чен к аналоговому входу S1. Расстояние между двумя лентами 
должно быть максимальным, они должны слегка провисать, 
поскольку следует учитывать силу притяжения при большой 
силе тока.

Рисунок 3.1 – Общий вид установки

Перед выполнением работы заполните таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Технические данные приборов

№
п/п
Название прибора
Абсолютная приборная  
погрешность
1
Динамометр «Newton»
1 мН

2
Амперметр I1
0,01 А

3
Амперметр I1
0,01 А