Закон Ампера простыми словами
На основе магнитных явлениях построено действие электротехнических устройств. Все современные электромоторы, генераторы и множество других электромеханических приборов работают по принципу взаимодействия электрического тока с окружающими его магнитными полями. Эти взаимодействия описывает знаменитый закон Ампера, названный так в честь своего первооткрывателя.
Влияние электричества на поведение магнитной стрелки впервые обнаружил Х. К. Эрстед. Он заметил, что вопреки ожиданию, магнитное поле не параллельно вектору тока, а перпендикулярно ему. Развивая выводы Эрстеда, и продолжая исследования в этом направлении, Мари Ампер установил [1], что электричество взаимодействует не только с магнитами, но и между собой. Заслуга Ампера в том, что он теоретически обосновал взаимное влияние токов и предоставил формулу, позволяющую вычислять силы этого взаимодействия.
Определение и формула
Экспериментальным путём Ампер установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение (однонаправленные токи) либо отталкивание (если направления противоположные). Эти силы взаимодействия определяются параметрами токов (прямо пропорциональная зависимость), и расстоянием между проводниками (обратно пропорциональная зависимость).
Расчёт амперовой силы на единицу длины проводника осуществляется по формуле:
где F – сила, I1, I2 – величина тока в проводниках, а μ – магнитная проницаемость среды, окружающей проводники (см. рис. 1).
Природой взаимодействия является магнитное поле, образованное перемещаемыми по проводникам электрическими зарядами. Под влиянием магнитного поля на электрические заряды возникает сила магнитной индукции, которую обозначают символом B.
Линии, в каждой точке которых касательные к ним совпадают с направлением соответствующих векторов магнитной индукции, получили название линий электромагнитной индукции. Применяя мнемоническое правило буравчика, можно определить ориентацию в пространстве линий магнитной индукции. То есть, при ввинчивании буравчика в сторону, куда направлен вектор электрического тока, движение концов его рукоятки укажет направление векторов индукции.
Из сказанного выше следует, что в проводниках, с одинаково ориентированными токами, направления векторов магнитной индукции совпадают, а значит, векторы сил направлены навстречу друг к другу, что и вызывает притяжение.
Рис. 1. Взаимодействие параллельных проводников
Подобным образом проводники взаимодействуют не только между собой, но и с магнитными полями любой природы. Если такой проводник окажется в магнитном поле, то на элемент, расположенный в зоне действия магнита, будет действовать сила, которую именуют Амперовой:
Для вычисления модуля этой силы пользуются формулой: dF = IBlsinα , где α – угол, образованный векторами индукции и ориентацией тока.
Рассмотренную нами зависимость описывает закон Ампера, формулировка которого понятна из рисунка 2.
Рис. 2. Формулировка закона Ампера
Не трудно сообразить, что когда α = 90 0 , то sinα = 1. В этом случае величина F приобретает максимальное значение: F = B*L*I, где L– длина проводника, оказавшегося под действием магнитного поля.
Таким образом, из закона Ампера вытекает:
- проводник с током реагирует на магнитные поля.
- действующая сила находится в прямо пропорциональной зависимости от параметров тока, величины магнитной индукции и размеров проводника.
Обратите внимание, что на данном рисунке 3 проводник расположен под углом 90º к линиям магнитной индукции, что вызывает максимальное действие магнитных сил.
Рис. 3. Проводник в магнитном поле
Направление силы Ампера
Принимая к сведению то, что сила – векторная величина, определим её направление. Рассмотрим случай, когда проводник с током расположен между двумя полюсами магнитов под прямым углом к линиям магнитной индукции.
Выше мы установили, что согласно закону Ампера, действующая на данный проводник сила, равна: F = B*L*I. Направление вектора рассматриваемой силы определяется по результатам векторного произведения:
Если полюса магнита статичны (неподвижны), то векторное произведение будет зависеть только от параметров электричества, в частности, от того, в какую сторону оно течёт.
Направление силы Ампера определяют по известному правилу левой руки: ладонь располагают навстречу магнитным линиям, а пальцы размещают вдоль проводника, в сторону устремления тока. На ориентацию силы Ампера указывает большой палец, образующий прямой угол с ладонью (см. рис. 4).
Рис. 4. Интерпретация правила
Измените мысленно направление электрического тока, и вы увидите, что направление вектора Амперовой силы изменится на противоположное. Модуль вектора имеет прямо пропорциональную зависимость от всех сомножителей, но на практике эту величину удобно регулировать путём изменения параметров в электрической цепи (например, для регулировки мощности электродвигателя).
Применение
Закон Ампера, а точнее следствия, вытекающие из него, используются в каждом электромеханическом устройстве, где необходимо вызвать движение рабочих элементов. Самым распространённым механизмом, работа которого базируется на законе Ампера, является электродвигатель.
Применение электромоторов настолько широкое, что его можно увидеть практически во всех сферах человеческой деятельности:
- на производстве, в качестве приводов станков и различного оборудования;
- в бытовой сфере (бытовая электротехника);
- в электроинструментах;
- на транспорте;
- в устройствах автоматики, в офисной технике и во многих других сферах.
Из закона Ампера вытекает возможность получения электротока путём перемещения проводников, находящихся в магнитном поле. На данном принципе построены все генераторы электрического тока. Благодаря этой уникальной возможности, у нас появился доступ к использованию электроэнергии для различных потребностей.
Мы буквально окружены проявлением закона Ампера. Например, просмотр телепередачи сопровождается звуком, который транслируется через динамики. Но диффузор динамика приводит в движение сила Ампера. Мы разговариваем по телефону – там тоже есть динамик и микрофон. Принцип действия современных микрофонов также основан на законе Ампера.
Вход в помещение через автоматическую раздвижную дверь, поднятие на лифте, поездка в троллейбусе, трамвае, запуск двигателя автомобиля – всё это было бы невозможным, если бы не существовало взаимодействия электрического тока с силами магнитной индукции.
Ампер открыл перед человечеством такие возможности, без которых развитие научно-технического прогресса было бы невозможным. Влияние этого закона в электротехнике сравнимо с законами Ньютона, которые в своё время совершили революцию в механике. В этом огромная заслуга учёного-физика Мари Ампера, труды которого увенчались открытием в 1820 г. знаменитого закона.
Т. Проводник в м. поле
Опыты Ампера, как мы видели (см. Взаимодействие проводников с токами), показали, что два проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Это взаимодействие объясняется тем, что сила, которую испытывает каждый из проводников, обусловлена магнитным полем, создаваемым током другого проводника.
Вообще, магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.
Действительно, расположим проводник с током (см. рис. 1) так, чтобы только один прямолинейный участок его аb оказался в сильном магнитном поле (между полюсами подковообразного магнита), а остальные части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его действием на эти части цепи можно пренебречь.
Опыт показывает, что в зависимости от направления тока и от расположения полюсов магнита проводник аb движется вправо или влево, вверх или вниз. На проводники, расположенные вдоль направления магнитного поля, силы не действуют.
Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера. Направление силы Ампера можно определить, пользуясь правилом левой руки: руку располагают так, чтобы нормальная к проводнику составляющая магнитной индукции входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току: тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на проводник силы Ампера (рис. 1).
Ампер установил экспериментально, что модуль этой силы тем больше, чем сильнее магнитное поле \(
(F_A \sim B)\), чем больше сила тока \(
(F_A \sim I)\) в проводнике, чем больше длина проводника \(
(F_A \sim l)\) и зависит от ориентации проводника в магнитном поле:
F_A = BI\Delta l \sin \alpha\)
где α — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции.
Эта формула является математическим выражением закона Ампера. Ею можно пользоваться только тогда, когда длина проводника такова, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой, но если магнитное поле однородное, то длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле. Интерес представляет вращение прямоугольной рамки с током в однородном магнитном поле.
Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и генераторы, устройства для записи звука в магнитофонах, телефоны и микрофоны — во всех этих и во множестве других приборов и устройств используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.д.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C.321- 322.
Закон Ампера
Движение электрических зарядов приводит к возникновению магнитных полей.
Одним из главных направлений развития естественной науки в начале XIX века стало растущее осознание взаимосвязей между, казалось бы, совершенно не связанными между собой феноменами электричества и магнетизма. Ханс Кристиан Эрстед (см. Открытие Эрстеда) экспериментально установил, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Андре-Мари Ампер так заинтересовался этим явлением, что принялся за углубленное экспериментальное и математическое исследование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В результате и был сформулирован закон, носящий теперь его имя.
Ключевой эксперимент, проведенный Ампером, достаточно прост. Он положил два прямых провода бок о бок и пропускал по ним электрический ток. Выяснилось, что между проводами действует сила притяжения или отталкивания (в зависимости от направления тока. — Прим. переводчика). Конечно, не надо быть семи пядей во лбу, чтобы прийти к такому выводу. Ведь при достаточно сильном токе провода действительно притягиваются или отталкиваются так, что это видно невооруженным глазом. Но Ампер путем тщательных измерений сумел определить, что сила механического взаимодействия пропорциональна силам токов и падает по мере увеличения расстояния между ними. Исходя из этого Ампер решил, что наблюдаемая сила объясняется возникновением магнитного поля.
Рассуждал Ампер примерно так. Электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Второй провод попадает в область воздействия этого магнитного поля, и в нем возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера демонстрирует нам два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле; во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Первое из этих утверждений сегодня и называют законом Ампера, и закон этот тесно связан с законом Био—Савара. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля (см. Уравнения Максвелла).
Если же трактовать закон Ампера чуть шире, то мы поймем, что находящийся в пространстве замкнутый электрический контур формирует вокруг себя магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна силе протекающего через контур электрического тока и площади внутри контура. То есть, например, если вокруг отдельного прямолинейного проводника с током формируется магнитное поле, индукция которого равна B на расстоянии r от проводника, то при замыкании такого проводника в круговой контур, путём сложения этих полей внутри контура, образованного замкнутым проводником с током, то есть, выражаясь научным языком, путём интегрирования, мы получим значение интенсивности магнитного поля внутри контура 2рrB, где 2рr — площадь кругового контура. По закону Ампера эта величина и будет пропорциональна силе тока в контуре.
На самом деле вы не раз сталкивались с упоминанием имени Андре-Мари Ампера, возможно сами того не сознавая. Взгляните на любой электроприбор у вас дома — и вы на нем обнаружите его электротехнические характеристики, например: «
220V 50Hz 3,2А». Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера. Единица силы тока ампер (сокращенно — А) как раз и названа в честь ученого.
Официальное определение единицы выводится из исходного эксперимента, проделанного Ампером. Это сила тока, протекающего в каждом из двух параллельных прямолинейных проводников, помещенных в вакууме на расстояние одного метра друг от друга, вызывающая между двумя проводниками силу взаимодействия, равную 2×10 –7 ньютона на метр длины. (Все научные определения единиц измерения даются в такой строгой формулировке. Причем речь здесь идет о так называемых «идеальных проводниках» бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения.) Кстати, при силе тока в 1 ампер в любой точке проводника каждую секунду протекает около 6×10 23 электронов.
11 класс
Магнитные явления были известны ещё в Древнем мире. Впервые способность притягивать к себе металлические предметы была обнаружена у некоторых кусков железной руды. Впоследствии их назвали естественными магнитами (от греч. Maqnetise hos — камень из Магнесии — древнего города в Малой Азии). Позже люди начали создавать тела со свойствами, присущими естественным магнитам. Но только в XIX в. была обнаружена связь между электрическими и магнитными явлениями. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесённые в него проводники с токами или постоянные магниты. Магнитные взаимодействия обусловлены не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов — электрическим током.
В этой главе мы познакомимся с магнитными свойствами токов и магнитными свойствами веществ. Значительное внимание уделим описанию технических устройств, в основе действия которых лежат магнитные явления.
§ 15. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов
Магнитные взаимодействия.
Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоянии наэлектризованных тел. Недаром на протяжении многих веков эти явления часто путали. Лишь в конце XVI в. английский учёный и врач королевы Елизаветы Уильям Гильберт (1544—1603) доказал, что это не одно и то же. В 1600 г. он издал сочинение «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле», в котором описал результаты своих исследований магнитных и электрических явлений. Укажем некоторые свойства магнитов, которые были установлены Гильбертом:
• любой магнит имеет два полюса; в разных частях любого магнита сила притяжения, действующая на другой магнит, различна, наибольшей она оказывается на полюсах магнита;
• намагничивание железа и стали происходит и на расстоянии от магнита;
• разноимённые полюсы двух магнитов притягиваются, одноимённые — отталкиваются;
• железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства;
• в отсутствие других магнитов любой магнит на Земле ориентируется так, что один его полюс будет указывать на Северный полюс Земли, а другой — на Южный.
Кроме того, Гильберт первым догадался, что земной шар является огромным магнитом. Он сумел подтвердить свою догадку экспериментально, намагнитив большой железный шар (он назвал его «терелла» — маленькая Земля) и наблюдая его действие на стрелку компаса.
Исследования физических явлений опытным путём
Связь между электрическими и магнитными явлениями была установлена в 1820 г. Эрстедом. Он экспериментально обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около неё (рис. 3.1, а). Если разомкнуть цепь и расположить проводник вдоль стрелки под ней, то при замыкании цепи магнитная стрелка снова поворачивается на угол 90° (рис. 3.1, б). Однако положение её концов по сравнению с предыдущим опытом изменилось.
Отметим, что электрический ток действует не только на магнитную стрелку, но и на любые магниты. Результаты опытов показывают, что проводник с током и магнит взаимодействуют между собой. Идею о взаимосвязи электрических и магнитных явлений развил Ампер, рассмотрев взаимодействие двух проводников с токами.
Исследования физических явлений опытным путём
Для того чтобы наблюдать магнитное взаимодействие токов, необходимо использовать два гибких параллельных проводника, укрепить их вертикально и присоединить к источнику тока (рис. 3.2, а). При этом заметного притяжения или отталкивания не обнаружится. Но если другие концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться (рис. 3.2, б).
В случае токов одного направления между проводниками возникают силы притяжения (рис. 3.2, в). При изменении направления тока в одном из проводников притяжение между ними сменяется отталкиванием, и наоборот. Опыт показывает, что если ток протекает только по одному проводнику, то силы взаимодействия между проводниками отсутствуют (рис. 3.3).
Точно так же не обнаружится взаимодействия, если один из проводов свит из двух проводов, по которым одинаковые токи текут в противоположных направлениях (рис. 3.4).
Такой провод не оказывает влияния на магнитную стрелку, расположенную вблизи него.
Таким образом, из опытов Ампера можно сделать вывод, что между проводниками с токами действуют силы, подобные силам взаимодействия магнитов.
Гипотеза Ампера.
Анализируя результаты опытов, Ампер выдвинул гипотезу: действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри его. Иначе говоря, внутри молекул вещества циркулируют элементарные электрические токи.
Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу (рис. 3.5, а), то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определённым образом (рис. 3.5, б), так что их действия складываются. Отсюда следует, что магнитные взаимодействия обусловлены движением электрических зарядов — током.
Магнитное поле.
Согласно теории близкодействия, токи не могут непосредственно действовать друг на друга. Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Каждый элемент тока в одном из проводников создаёт вокруг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.
Что же такое магнитное поле?
Во-первых, поле материально: оно существует независимо от нас, от наших знаний о нём.
Во-вторых, поле обладает определёнными свойствами, которые могут быть установлены экспериментально.
Сформулируем основные свойства магнитного поля: магнитное поле порождается током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).
Вопросы:
1. Какие свойства магнитов были установлены Гильбертом?
2. Как Гильберту удалось подтвердить догадку о том, что Земля является огромным магнитом?
3. Какой вывод можно сделать на основе результатов опыта:
4. В чём состоит гипотеза Ампера?
5. Сформулируйте основные свойства магнитного поля.
Вопросы для обсуждения:
1. Почему магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении «север — юг»?
2. Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен. Как узнать, какой из стержней намагничен, не используя ничего, кроме самих стержней?