Магнетизм — Задание 21 ЕГЭ по физике №00043142

Сначала разберёмся с рисунком. Слева полосовой магнит: южный полюс $S$ дальше, а северный (закрашенный) — справа, прямо у рамки. Рамка лежит горизонтально, рисунок дан в перспективе: её стороны, идущие наискосок, уходят вглубь рисунка, а ось $MO$ проходит через середину рамки параллельно этим сторонам. Выводы рамки — на ближней к нам стороне: «+» левее оси, «−» правее. Рамку отпускают, и нужно понять, как она будет двигаться.

Шаг 1 — поле магнита у рамки. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса. Северный полюс смотрит на рамку, поэтому у рамки вектор $\vec B$ направлен горизонтально вправо — от магнита, вдоль сторон рамки, идущих слева направо. Рамка небольшая, так что поле в её пределах можно считать почти одинаковым по направлению.

Шаг 2 — путь тока. Ток входит в рамку через «+», поэтому на ближней стороне он сначала идёт влево, затем по левой стороне (ближней к магниту) уходит вглубь рисунка, по дальней стороне идёт вправо, по правой стороне возвращается к нам и по ближней стороне выходит к «−».

Шаг 3 — на каких сторонах есть сила Ампера. Сила Ампера $F=BIl\sin\alpha$ зависит от угла $\alpha$ между током и полем. На ближней и дальней сторонах ток идёт вдоль линий поля ($\alpha=0°$ или $180°$), и сила на них равна нулю. Работают только левая и правая стороны — на них ток перпендикулярен полю.

Шаг 4 — направления сил. Правило левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца — по току, отогнутый большой палец показывает силу. Для левой стороны ток уходит вглубь рисунка, поле вправо — большой палец смотрит вниз: левая сторона тянется вниз. Для правой стороны ток идёт к нам — сила направлена вверх. Обе силы перпендикулярны плоскости рамки и создают относительно оси $MO$ моменты одного направления: рамка начинает поворачиваться — ближняя к магниту сторона опускается, дальняя поднимается.

Шаг 5 — где поворот закончится. По мере поворота плечи сил Ампера относительно оси уменьшаются. Когда рамка повернётся на $90°$ и встанет вертикально, её плоскость окажется перпендикулярна линиям поля: силы Ампера на левой и правой сторонах будут направлены вдоль одной прямой в разные стороны, и их момент станет равен нулю. Это устойчивое положение: магнитное поле тока внутри рамки направлено так же, как поле магнита. Небольшое сопротивление воздуха гасит движение, и рамка останавливается в этом положении.

Проверим себя другим способом. Рамка с током похожа на маленький магнит: если смотреть сверху, ток в ней идёт по часовой стрелке, значит, её «северная» сторона смотрит вниз. В поле магнита такая «стрелка» разворачивается вдоль линий поля, то есть её северная сторона должна повернуться вправо, от магнита. Для этого левая (ближняя к магниту) сторона рамки должна уйти вниз, а правая — вверх. Ответ совпал.