Закон Ампера

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Ампер первым установил, что проводники, по которым течет электрический ток, взаимодействуют механически (притягиваются или отталкиваются).

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера. Ее обозначения: \( \overrightarrow{F} \),\( \overrightarrow{F}_{A} \). Сила (\( \overrightarrow{F} \)), которая действует на прямолинейный проводник с током (I), всегда перпендикулярна проводнику и направлению вектора магнитной индукции (\( \overrightarrow{B} \)). В том случае, если прямолинейный проводник расположен параллельно вдоль направления линий магнитного поля, поле не действует.

Конкретное направление силы Ампера можно найти с помощью правила левой руки. Левую руку надо расположить так, чтобы линии поля входили в ладонь, четыре пальца были направлены по току, тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера.

Еще Ампер установил, что два параллельных проводника с током притягиваются, если токи имеют одинаковые направления и отталкиваются, если токи текут в противоположные стороны. Это просто объяснить, если представить, что один проводник создает магнитное поле, а другой проводник в него помещен и это поле действует на него. Можно использовать правило левой руки и выяснить, как направлена сила.

Закон Ампера

Сила Ампера – сила, действующая на проводник тока, находящийся в магнитном поле и равная произведению силы тока в проводнике, модуля вектора индукции магнитного поля, длины проводника и синуса угла между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.

Для прямолинейного проводника сила Ампера имеет вид:

\[ \large{\overrightarrow{F}_{A}} = I \cdot \overrightarrow{B} \cdot \overrightarrow{l} \cdot sin(α) \]

где: \( I \) -- сила тока, которая течет в проводнике, \( \overrightarrow{B} \) -- вектор индукции магнитного поля, в которое проводник помещен, \( \overrightarrow{l} \) -- длина проводника в поле, направление задано направлением тока, \( \alpha \) -- угол между векторами \( \overrightarrow{l\ }и\ \overrightarrow{B} \).

Этой формулой можно пользоваться:

  • если длина проводника такая, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой;
  • если магнитное поле однородное (тогда длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле).

Если размер проводника произволен, а поле неоднородно, то формула выглядит следующим образом:

\[ \large{d\overrightarrow{F}_{A}} = I \cdot \overrightarrow{B} \cdot d\overrightarrow{l} \cdot sin(α) \]

Значение закона Ампера

На основании закона Ампера устанавливают единицы силы тока в системах СИ и СГСМ. Так как ампер равен силе постоянного тока, который при течении по двум параллельным бесконечно длинным прямолинейным проводникам бесконечно малого кругового сечения, находящихся на расстоянии 1м друг от друга в вакууме вызывает силу взаимодействия этих проводников равную \( 2\cdot {10}^{-7}Н \) на каждый метр длины.

Ток в один ампер – это такой ток, при котором два однородных параллельных проводника, расположенные в вакууме на расстоянии один метр друг от друга взаимодействуют с силой \( 2\cdot {10}^{-7} \) Ньютона.

Закон взаимодействия токов – два находящихся в вакууме параллельных проводника, диаметры которых много меньше расстояний между ними, взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению токов в этих проводниках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Источник

Пример 1

Задача
В магнитном поле, направленном вертикально вниз на двух невесомых нитях горизонтально подвешен проводник с током силы I=2А. Масса проводника \( m=10^{-2} \) кг, длина l=0,4м. Индукция магнитного поля равна 0,25Тл. Определите величину угла, на который отклонятся нити, на которых висит проводник с током. Проводник весь находится в поле.
Решение

Рис. 2

Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка (ток направлен от нас). Запишем условие равновесия для проводника:

\[ \overrightarrow{F_A}+\overrightarrow{mg}+2\overrightarrow{N}=0\ \left(1.1\right), \]

где \( \overrightarrow{F_A} \)- сила Ампера, \( \overrightarrow{mg} \) -- сила тяжести, \( \overrightarrow{N} \) -- сила реакции нити.

Проектируем (1.1) на оси:

\[ X:\ -F_A-2Nsin\alpha =0\ \left(1.2\right). \]

\[ Y:\ -mg+2Ncos\alpha =0\ \left(1.3\right). \]

Разделим (1.2) на (1.3), получим:

\[ \frac{F_A}{mg}=tg\alpha \ \left(1.4\right). \]

Модуль силы Ампера для прямолинейного проводника с током, который подвешен в поле с током, причем \( \overrightarrow{B}\bot \overrightarrow{l}\ \)равен:

\[ F_A=IBl\ \left(1.5\right). \]

Перепишем (1.4) с учетом (1.5), получим:

\[ \frac{IBl}{mg}=tg\alpha \ \left(1.6\right). \]

Подставим исходные данные, проведём вычисления:

\[ tg\alpha =\frac{2\cdot 0,25\cdot 0,4}{10^{-2}\cdot 9,8}\approx 2 \]

Ответ
\( \alpha \approx 64{}^\circ \).

Пример 2

Задача

Один проводник с током имеет форму квадрата, по нему утечет ток I. В одной плоскости с рамкой лежит бесконечно длинный прямой проводник с таким же током. Расположение проводников задано на рис.3. Найдите, какова сила, действующая на рамку, если расстояние между одной из сторон рамки и проводом равно длине стороны квадрата.

Решение

Рис. 3

Решение:

Магнитное поле создается бесконечно длинным проводником с током. Модуль индукции этого поля нам известен его можно записать как:

\[ B\left(r\right)=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\frac{I}{r}\left(2.2\right), \]

где r -- расстояние от блинного проводника до точки поля.

Поле провода имеет цилиндрическую симметрию, для всех точек рамки оно будет направлено перпендикулярно. Если рассмотреть по очереди силы Ампера, которые действуют на каждый из четырех составных частей рамки, то выражение для модуля силы Ампера можно использовать в виде:

\[ F=IBlsin\alpha \ \left(2.3\right), \]

где \( l=а \). Надо отметить, что на стороны, которые перпендикулярны проводнику с током будут действовать силы равные по модулю и противоположные по направлению, так результирующий их вклад равен нулю. \( \overrightarrow{F_{1A}} \)=-\( \overrightarrow{F_{2A}} \).

Силы \( F_{4A}\ и\ F_{3A} \) направлены вдоль одной прямой, но в противоположные стороны. Следовательно, результирующую силу по модулю найдем как:

\[ F=F_{4A}-\ F_{3A}\left(2.4\right). \]

Используя закон Ампера, и помня, что магнитное поле перпендикулярно току в сторонах квадрата, запишем:

\[ F_{4A}=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\frac{I^2}{a},\ F_{3A}=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\frac{I^2}{2a}\left(2.5\right). \]

Подставим (2.5) в (2.4), получим:

\[ F=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\frac{I^2}{a}-\ \frac{{\mu }_0}{2\pi }\frac{I^2}{2a}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{I^2}{a}. \]

Ответ

\( F=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{I^2}{a}. \)

Пример 3

Задача

Однородное магнитное поле величиной двадцать Тесла удерживает от падения помещенный в него (перпендикулярно линиям магнитной индукции) прямолинейный проводник. Масса проводника четыре килограмма, длина пол метра.

Необходимо: определить силу тока в проводнике.

Данные

m=4 кг; l=0,5 м; B=20 Тл; I — ?

Решение

На прямолинейный проводник воздействуют две силы: \( F=m \cdot g \) – сила тяжести и \( F=B \cdot I \cdot l \) – сила Ампера.

Поскольку проводник не падает – эти силы равны \( m \cdot g=B \cdot I \cdot l \).

Из полученного равенства выведем формулу для определения силы тока в проводнике, помещенном в магнитное поле \( I=\dfrac{m\cdot g}{B\cdot l} \)

Подставив численные значения физических величин в формулу, определим силу тока в проводнике

\( I=\dfrac{m\cdot g}{B\cdot l}=\dfrac{4\cdot 9,8}{20\cdot 0,5}=3.92 A \)

Ответ
сила тока в проводнике равна три целых девяносто две сотых Ампера \( 3.92 A \).

Пример 4

Задача
Прямой проводник длиной \(l = 20\) см и массой \(m = 105\) г подвешен горизонтально на двух легких нитях в однородном вертикальном магнитном поле. Модуль индукции магнитного поля \(В = 0,20\) Тл. Если по проводнику пропустить ток \(I = 5,0\) А, то нити, поддерживающие проводник, отклонятся от вертикали на угол \( \alpha \). Сколько градусов будет составлять угол \( \alpha \).
Решение

На проводник действуют силы натяжения со стороны каждой нити \( Т_1 = Т_2 \), сила Ампера \( F_A \) и сила тяжести \( mg \). Проводник находится в равновесии, поэтому:

\( 2\cdot \vec{T}+m\cdot \vec{g}+{{\vec{F}}_{A}}=0 \)

В проекциях на оси координат:

\( 0_x: F_A = 2\cdot T\cdot sin(\alpha) ; 0_y: m\cdot g = 2\cdot T\cdot cos(\alpha ) \)

Решим совместно уравнения

\( \dfrac{{{F}_{A}}}{m\cdot g}=\dfrac{2\cdot T\cdot \sin \alpha }{2\cdot T\cdot \cos \alpha };\,\,\,\,\,\,\dfrac{I\cdot B\cdot l}{m\cdot g}=tg\alpha  \)

Ответ
11°

Пример 5

Задача

Прямолинейный горизонтально расположенный проводник находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого \( В = 0,10 \) Тл.

По проводнику протекает ток \( I = 1,8 \) А, причем сила тяжести полностью уравновешивается силой, действующей на проводник со стороны поля.

Если плотность материала проводника \( ρ = 8900 \) кг/м3, то какова площадь его поперечного сечения, мм2?

Решение

Согласно условию задачи сила тяжести полностью уравновешивается силой Ампера.

Тогда

\( m\cdot g=I\cdot B\cdot l \)

\( m\cdot g=I\cdot B\cdot \dfrac{V}{S} \)

\( m\cdot g=I\cdot B\cdot \dfrac{m}{\rho \cdot S} \)

\( S=\dfrac{I\cdot B}{\rho \cdot g} = \dfrac{1.8 \cdot 0.10}{ 8900 \cdot 9.81} = 2 \cdot 10^{-6} \)м2

Ответ
2,0 мм2

Интересные факты

  • Интересный фактИменно Амперу пришла идея о том, что комбинацией проводников и магнитных стрелок можно создать устройство, которое предаёт информацию на расстояние. Идея телеграфа возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма. Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрёл после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется "Азбука Морзе"
  • Интересный фактПосле открытия действия магнитного поля на проводник с током, Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель, созданный в 1834 г. русским электротехником Б. С. Якоби.
  • Интересный фактВ 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер Мари Кур написал труд под названием "Письмо о магните". Основной целью Пьера Мари Кура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки не известно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось её разогнать до скорости 4,5 км/ч. Необходимо упомянуть ещё об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведёт себя подобно постоянному магниту, а это значит – можно сконструировать электромагнит – устройство, мощность которого можно регулировать.
  • Интересный фактМатематик Гаусс, когда познакомился с исследованиями Ампера, предложил создать оригинальную пушку, работающую на принципе действия магнитного поля на железный шарик – снаряд. Необходимо обратить внимание на то, в какую историческую эпоху были сделаны эти открытия. В первой половине XIX века Европа семимильными шагами шла по пути промышленной революции – это благодатное время для научно-исследовательских открытий и быстрого внедрения их в практику. Ампер, несомненно, внёс весомый вклад в этот процесс, дав цивилизации электромагниты, электродвигатели и телеграф, которые до сих пор находят широкое применение.

Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме:

  • Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
  • Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации.
  • Парциальное давление каждого газа, входящего в состав смеси, это давление, которое создавалось бы той же массой данного газа, если он будет занимать весь объем смеси при той же температуре.
  • Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.
  • Между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки

Интересные статьи: