Меню

Сила взаимодействия проводника с током в вакууме

6.5. Взаимодействие двух проводников с током

Применим закон Ампера для вычисления силы взаимодействия двух длинных прямолинейных проводников с токами I1 и I2, находящихся на расстоянии d друг от друга (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Силовое взаимодействие прямолинейных токов:
1 — параллельные токи; 2 — антипараллельные токи

Проводник с током I1 создает кольцевое магнитное поле, величина которого в месте нахождения второго проводника равна

Это поле направлено «от нас» ортогонально плоскости рисунка. Элемент второго проводника испытывает со стороны этого поля действие силы Ампера

Подставляя (6.23) в (6.24), получим

При параллельных токах сила F21 направлена к первому проводнику (притяжение), при антипараллельных — в обратную сторону (отталкивание).

Аналогично на элемент проводника 1 действует магнитное поле, создаваемое проводником с током I2 в точке пространства с элементом с силой F12. Рассуждая таким же образом, находим, что F12 = –F21, то есть в этом случае выполняется третий закон Ньютона.

Итак, сила взаимодействия двух прямолинейных бесконечно длинных параллельных проводников, рассчитанная на элемент длины проводника, пропорциональна произведению сил токов I1 и I2 протекающих в этих проводниках, и обратно пропорциональна расстоянию между ними. В электростатике по аналогичному закону взаимодействуют две длинные заряженные нити.

На рис. 6.27 представлен опыт, демонстрирующий притяжение параллельных токов и отталкивание антипараллельных. Для этого используются две алюминиевые ленты, подвешенные вертикально рядом друг с другом в слабо натянутом состоянии. При пропускании через них параллельных постоянных токов силой около 10 А ленты притягиваются. а при изменении направления одного из токов на противоположное — отталкиваются.

Рис. 6.27. Силовое взаимодействие длинных прямолинейных проводников с током

На основании формулы (6.25) устанавливается единица силы тока — ампер, являющаяся одной из основных единиц в СИ.

Ампер — это сила неизменяюшегося тока, который, протекая по двум длинным параллельным проводникам, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает между ними силу взаимодействия 2×10 –7 Н на каждый метр длины провода.

Пример. По двум тонким проводам, изогнутым в виде одинаковых колец радиусом R = 10 см, текут одинаковые токи I = 10 А в каждом. Плоскости колец параллельны, а центры лежат на ортогональной к ним прямой. Расстояние между центрами равно d = 1 мм. Найти силы взаимодействия колец.

Решение. В этой задаче не должно смущать, что мы знаем лишь закон взаимодействия длинных прямолинейных проводников. Поскольку расстояние между кольцами много меньше их радиуса, взаимодействующие элементы колец «не замечают» их кривизны. Поэтому сила взаимодействия дается выражением (6.25), куда вместо надо подставить длину окружности колец Получаем тогда

Источник

Сила Ампера и закон Ампера

Закон Ампера

Элементарная сила Ампера определена законом (или формулой) Ампера:

где I – сила тока, – малый элемент длины проводника – это вектор, равный по модулю длине проводника, направленный в таком же направлении как вектор плотности тока, – индукция магнитного поля, в которое помещен проводник с током.

Иначе эту формулу для силы Ампера записывают как:

где – вектор плотности тока, dV – элемент объема проводника.

Модуль силы Ампера находят в соответствии с выражением:

где – угол между векторами магнитной индукции и направление течения тока. Из выражения (3) очевидно, что сила Ампера максимальна в случае перпендикулярности линий магнитной индукции поля по отношению к проводнику с током.

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.

ЗаконыФормулы Физика Теория Электричество Закон

Силы, действующие на проводники с током в магнитном поле

Из закона Ампера следует, что на проводник с током, равным I, действует сила равная:

где магнитная индукция, рассматриваемая в пределах малого кусочка проводника dl. Интегрирование в формуле (4) проводят по всей длине проводника (l). Из выражения (4) следует, что на замкнутый контур с током I, в однородном магнитном поле действует сила Ампера равная

Сила Ампера, которая действует на элемент (dl) прямого проводника с током I1, помещённый в магнитное поле, которое создает другой прямой проводник, параллельный первому с током I2, равна по модулю:

где d – расстояние между проводниками, Гн/м(или Н/А2 ) – магнитная постоянная. Проводники с токами одного направления притягиваются. Если направления токов в проводниках различны, то они отталкиваются. Для рассмотренных выше параллельных проводников бесконечной длины сила Амперана единицу длины может быть вычислена по формуле:

Формулу (6) в системе СИ применяют для получения количественного значения магнитной постоянной.

Сила Ампера

Действие магнитного поля на проводник с током исследовал экспериментально Андре Мари Ампер (1820 г.). Меняя форму проводников и их расположение в магнитном поле, Ампер сумел определить силу, действующую на отдельный участок проводника с током (элемент тока). В его честь эту силу назвали силой Ампера.

  • Сила Ампера
    — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.
Читайте также:  Можно ли увеличить ток зарядки

Согласно экспериментальным данным модуль силы F

:
пропорционален длине проводника l
, находящегося в магнитном поле; пропорционален модулю индукции магнитного поля
B
; пропорционален силу тока в проводнике
I
; зависит от ориентации проводника в магнитном поле, т.е. от угла α между направлением тока и вектора индукции магнитного поля \(

модуль силы Ампера равен произведению модуля индукции магнитного поля B

, в котором находится проводник с током, длины этого проводника
l
, силы тока
I
в нем и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля
\(

F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin \alpha\) ,

  • 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).

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки

: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля (\(

\vec B\)) входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока (
I
), тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера (\(

\vec F_A\)) (рис. 1, а, б).

Рис. 1
Поскольку величина B

∙sin α представляет собой модуль компоненты вектора индукции, перпендикулярной проводнику с током, \(

\vec B_<\perp>\) (рис. 2), то ориентацию ладони можно определять именно этой компонентой — перпендикулярная составляющая к поверхности проводника должна входить в открытую ладонь левой руки.
Рис. 2
Из (1) следует, что сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

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.

Определение

Закон Ампера гласит, что сила, которая возникает вокруг проводника, прямо пропорциональна его длине, силе тока и магнитной индукции, а также косинуса угла между проводником и вектором магнитной индукции. Соответственно его формула:

F=BILcosa

Эта F является силой Ампера. Ничего не напоминает? И формула, и сам её физический смысл аналогичен силе Лоренца. Отличием является лишь то, что закон Ампера справедлив для проводника в магнитном поле, а Лоренца действует на заряженные частицы.

Если его представить в векторной форме, то уравнение будет иметь вид:

А в дифференциальной форме:

Есть и другая формулировка: закон Ампера характеризует силу, действующую на проводник в магнитном поле. Он был открыт Андре Мари Ампером в 1820 году.

В чем измеряется сила Ампера? Как и другие силы в физике – в Ньютонах (Н).

Интересно! В отечественной физике в большинстве случаев придерживаются системы единиц измерения СИ. Так вот в этой системе под величиной 1 Ампер понимают такой ток, при протекании которого по двум проводникам расположенным параллельно и в 1 метре друг от друга, возникала бы сила взаимодействия в 2*10^(-7) Н. При этом они имеют бесконечную длину, минимальную площадь поперечного сечения и расположены в вакууме.

Так как этот закон подразумевает возникновение какой-то силы, то нет сомнений что при наличии нескольких таких сил они будут взаимодействовать между собой. Давайте разберёмся как именно.

При взаимодействии параллельных токов, протекающих в одном направлении, два расположенных рядом проводника начнут притягиваться. Если токи будут протекать в разных направлениях — проводники будут отталкиваться. Это и есть самое важное действие в этом законе.

Сила Ампера. Правило левой руки

Магнитное поле действует на проводник с током. Силу, которая возникает при этом, называют силой Ампера.

Сила Ампера действует на про­водник с током в магнитном поле.

Исследуем, от чего зависит модуль и направление данной силы. С этой целью используем установку, в которой прямо­линейный проводник подвешен на тонких проволочках в магнитном поле постоянного магнита (рис. 6.16). Гибкие проволочки, присоединенные к концам проводника, по­зволяют включать его в электрическую цепь, сила тока в которой регулируется с помощью реостата и измеряется ампермет­ром.

Легкая, но жесткая тяга соединяет про­водник с чувствительным измерителем силы.

Замкнув электрическую цепь, в которую входит исследуемый проводник, увидим, что он отклонится от положения равно­весия, а измеритель покажет определенное значение силы. Увеличим силу тока в про­воднике в 2 раза и увидим, что сила, дейст­вующая на проводник, также увеличится в 2 раза. Любые другие изменения силы тока в проводнике вызовут соответствующие изме­нения силы, которая действует на провод­ник. Сопоставление полученных результатов позволяет сделать вывод, что сила F, дейст­вующая в магнитном поле на проводник с током, пропорциональна силе тока I в нем:

Сила Ампера пропорциональна силе тока в проводнике.

Расположим еще один магнит рядом с первым. Длина той части проводника, которая находится в магнитном поле, уве­личится приблизительно в 2 раза. Значение силы, действующей на проводник, также увеличится приблизительно в два раза. Та­ким образом, сила F, действующая на про­водник с током в магнитном поле, про­порциональна длине части проводника Δl, которая находится в магнитном поле:

Сила Ампера пропорциональна длине активной части провод­ника.

Сила увеличится также тогда, когда при­меним другой, более «сильный» магнит с большей магнитной индукцией. Это позво­ляет сделать вывод о зависимости силы F от магнитной индукции поля B:

B. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Максимальной сила будет тогда, когда между магнитной индукцией и проводни­ком угол α = 90°. Если же этот угол равен нулю, то есть магнитная индукция будет па­раллельной проводнику, то сила будет равна нулю. Отсюда нетрудно сделать вывод о за­висимости силы Ампера от угла между маг­нитной индукцией и проводником.

Окончательно формула для расчета силы Ампера будет иметь вид

FА = BIΔl • sin α.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рис. 6.17).

Правило левой руки. Если левую руку разместить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление тока, то отставленный большой палец пока­жет направление силы, действующей на про­водник с током в магнитном поле.

На этой странице материал по темам:

Как определить силу ампера по правилу левой руки

Задачи на левую руку сила ампера по физике

Определение направления силы ампера по правилу левой руки

Формула силы ампера,от чего зависит величина силы ампера

Правило левой руки для силы ампера

Вопросы по этому материалу:

Какое явление описывает сила Ампера?

Какой может быть установка для исследования силы Ампера?

От каких величин зависит сила Ампера?

Как определяется направление силы Ампера?

Сила Ампера, видео

И в завершение небольшой видео урок о силе Ампера.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Как правильно рассчитать амперы по мощности и напряжению

Для того, чтобы правильно произвести вычисления, все используемые величины должны быть одной размерности, то есть, если мощность выражается в ваттах, то напряжение должно быть выражено в вольтах, а ток — в амперах.

Если оперируют мощностью в киловатт, то, соответственно, напряжение должно быть в киловольтах, а ток в килоамперах.

Обратите внимание! Последний случай характерен только для мощной энергетики, а в быту обычно используют ватт, вольт и ампер.

Лучше обновить в памяти правила перевода кратных единиц:

  • Кило — тысяча;
  • Киловатт — тысяча ватт (1кВт = 1000 Вт);
  • Киловольт — тысяча вольт (1кВ = 1000 В);
  • Килоампер — тысяча ампер (1кА = 1000А);
  • Милли — одна тысячная;
  • милливатт — одна тысячная ватта (1мВт = 0.001Вт);
  • милливольт — одна тысячная вольта (1мВ = 0.001В);
  • миллиампер — одна тысячная ампера (1мА = 0.001А).

Вам это будет интересно 1 кв — сколько это ватт

Сейчас большое количество бытовой техники потребляют мощность более киловатта, поэтому для правильных вычислений нужно данную величину перевести в ватт.

Например: На электрочайнике написано, что мощность потребления равна 1.8 кВт. Для того, чтобы рассчитать величину тока при подключении к бытовой сети 220 В, в формулу надо подставлять 1800 Вт. Тогда на выходе получается ток в амперах.

Модуль силы Ампера

Пусть вектор магнитной индукции составляет угол α (рис. 1.18) с направлением отрезка проводника с током (элементом тока). (За направление элемента тока принимают направление, в котором по проводнику идет ток.) Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает никакого действия на ток. Модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора , перпендикулярной проводнику, т. е. от В⊥ = В sin α, и не зависит от составляющей В, направленной вдоль проводника.

Максимальная сила Ампера согласно формуле (1.1) равна:

ей соответствует угол

При произвольном значении угла α сила пропорциональна не В, а составляющей В⊥ = В sin α. Поэтому выражение для силы F, действующей на малый отрезок проводника Δl, при силе тока в нем I, со стороны магнитного поля с индукцией , составляющей с элементом тока угол α, имеет вид

    F = I | | Δl sin α. (1.2)

Это выражение называют законом Ампера.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и элемента тока.

Зачем нужно рассчитывать ток

На большинстве электроприборов указывается мощность потребления. Это необходимо для того, чтобы правильно вести учет потребления электроэнергии. Но для всего остального значение мощности несет мало информации. Параметры автоматов защиты и плавких вставок, сечение электропроводки, требуют знать протекающий ток или, как говорят электрики, ампераж нагрузки.

Вам это будет интересно Все о селективности

Простой пример: какой паяльник сильнее перегружает электропроводку, 42-х вольтовый на 80 Вт или 220-и вольтовый на 100 Вт? Логичный ответ, что более мощный, является неправильным. Ведь на самом деле, при включении второго паяльника в сети протекает ток около 0.5 А, а при включении первого — почти 2 А. Соответственно, для таких устройств требуется различная электропроводка и номинал защитных устройств. При одинаковой толщине проводов питания нагрев будет сильнее, при работе с низковольтным инструментом.

По этой же причине в линиях электропередач стремятся по максимуму повысить передаваемое напряжение. Поскольку мощность нагрузки остается одинаковой, при более высоком напряжении по проводам протекает меньший ток и поэтому:

  • Снижаются потери;
  • Уменьшается нагрев;
  • Снижается сечение проводов и, как следствие, их масса и нагрузка на опоры линий электропередач.


Высоковольтная опора ЛЭП

Источник

Закон Ампера

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

Читайте также:  Бесколлекторный двигатель постоянного тока датчик холла

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

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:

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

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:

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



Сила Ампера. Силы взаимодействия двух бесконечно длинных прямых токов. Сила Лоренца. Эффект Холла.

date image2015-07-14
views image7718

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

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.

F=I * B * L * sin a

Здесь F – сила Ампера, I – сила тока в проводнике, L – модуль вектора индукции магнитного поля, – длина участка проводника, на который воздействует магнитное поле, a – угол между вектором индукции магнитного поля и направления тока.

Единица измерения силы – Н (ньютон).

Сила Ампера — векторная величина. Сила Ампера принимает своё наибольшее значение когда векторы индукции и направления тока перпендикулярны (a=90*).

Направление силы ампера определяют по правилу левой руки:

Если вектор магнитной индукции входит в ладонь левой руки и четыре пальца вытянуты в сторону направления вектора движения тока, тогда отогнутый в сторону большой палец показывает направление силы Ампера.

Исторически электрическим током принято считать движение положительного заряда, то есть направление сила тока – от плюса к минусу.

Два параллельных проводника

Два бесконечных параллельных проводника в вакууме

Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи и . Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.

В соответствии с законом Био — Савара — Лапласа бесконечный проводник с током в точке на расстоянии создаёт магнитное поле с индукцией

где — магнитная постоянная.

Теперь по закону Ампера найдём силу, с которой первый проводник действует на второй:

По правилу буравчика, направлена в сторону первого проводника (аналогично и для , а значит, проводники притягиваются).

Модуль данной силы ( — расстояние между проводниками):

Интегрируем, учитывая только проводник единичной длины (пределы от 0 до 1):

Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной . Действительно, ампер, являющийся одной из основных единиц СИ, определяется в ней как «сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютона» [1] .

Сила Лоренцасила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся со скоростью положительный заряд (здесь – скорость упорядоченного движения носителей положительного заряда). Модуль лоренцевой силы:

,

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. ОткрытЭдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Источник