Закон Ампера и его применение

Знаете ли вы, что свободно висящий проводник при замыкании цепи в зависимости от направления тока или втягивается в область между полюсами магнита, или выталкивается из неё? А почему?
Ганс Христиан Эрстед зимой 1820 года установил: магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, при пропускании тока поворачивается на некоторый угол. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение. Опыт Эрстеда позволил сделать вывод о существовании магнитного поля в пространстве, окружающем проводник с электротоком. Ампер предположил, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел.

В 1820 году Ампером был установлен закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника. Так как создать обособленный элемент тока нельзя, то Ампер проводил опыты с замкнутыми проводниками. Меняя форму проводников и их расположение, он сумел установить выражение для силы, действующей на отдельный элемент тока.
Ампер Андре Мари – великий французский физик и математик, один из основоположников электродинамики. Ампер ввел в физику понятие «электрический ток» и построил первую теорию магнетизма, основанную на гипотезе молекулярных токов, открыл механическое взаимодействие электрических токов и установил количественные соотношения для силы этого взаимодействия. Ампер работал также в области механики, теории вероятностей и математического анализа.
Модуль силы Ампера.

Пусть вектор магнитной индукции (бэ) составляет угол (альфа) с направлением отрезка проводника с элементом тока. За направление элемента тока принимают направление, в котором по проводнику течет ток. Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает никакого действия на ток. Поэтому модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора магнитной индукции (бэ) , перпендикулярной проводнику.
Сформулируем закон Ампера.

Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и вектором магнитной индукции.
Рассмотрим применение данного закона при решении задач.

Задача.
Найдите силу, действующую на каждый отрезок проводника с током, находящегося в однородном магнитном поле с индукцией 15 сотых тесла, если сила тока в цепи составляет 6 ампер, длина первого отрезка -10 см, второго - 25 см, третьего – 15 см и четвертого – 20 см.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, которую находят как произведение магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника. Произведя вычисления, получаем следующий результат.
На первом и четвертом участке сила магнитного поля равна нулю, на втором-75 тысячных ньютонов и на третьем – 118 тысячных ньютонов.

 

Задача 2
Если увеличить силу тока в проводнике в 2 раза, то магнитная индукция поля тока в окружающем пространстве…
Здесь имеется в виду, что сила Ампера, действующая на этот проводник постоянная, значит, магнитная индукция должна уменьшится в два раза, если ток увеличился в два раза.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции (бэ) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на отрезок проводника.
Теперь можно объяснить, почему параллельные проводники при пропускании одностороннего тока притягиваются, а при пропускании тока в противоположных направлениях отталкиваются. Сначала с помощью правила буравчика определим линии магнитной индукции вокруг проводников, после по правилу левой руки определяем направление силы Ампера. Можно увидеть, что при сонаправленном токе в параллельных проводниках вектора сил Ампера направлены друг к другу, а при противоположных токах и силы Ампера направлены противоположно.
Проведем опыт. Подключим к источнику тока проволочную рамку прямоугольной формы. Поместив слева и справа от нее магниты, замкнем цепь. Мы увидим, что рамка повернется. Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие.

Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на нее сил Ампера. Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях. Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы – амперметрах и вольтметрах.     Сила, действующая на катушку, прямо пропорциональна силе тока в ней. При большой силе тока катушка поворачивается на больший угол, а вместе с ней и стрелка. Остается проградуировать прибор, то есть установить каким углам поворота соответствуют известные значения силы тока.
 

Задача.
Как будет двигаться проводник, изображенный на рисунке? Направление тока показано стрелками.
Вектор магнитной индукции направлен от северного полюса внешнего магнитного поля к южному. Расположим левую руку так, чтобы эти вектора входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока в проводнике. Отогнутый большой палец показывает, что сила Ампера действует на проводник так, что он входит в плоскость магнита.
Повторим алгоритм решения задач на применение правила левой руки:
1) Определить направление вектора магнитной индукции.

2) Определить плоскость расположения ладони левой руки по направлению вектора магнитной индукции.

3) В установленной плоскости расположить четыре пальца левой руки по направлению тока в проводнике.

4) По расположению большого пальца левой руки установить направление силы, действующей на проводник с током – силы Ампера.

Задача.
По проводам троллейбусной линии токи текут в противоположных направлениях. Как взаимодействуют между собой провода? Ранее мы доказали, что противоположно направленные токи отталкиваются. Ответ: провода будут отталкиваться.
Следует также отметить, что если по двум параллельным проводникам длиной 1 м, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга течет ток по 1 амперу, то они взаимодействуют с силой 2 десятые микроньютонов.

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов, значит, магнитное поле действует на заряды не только в проводнике (в металле), но и в других средах. Например, в кинескопах магнитное поле направляет пучок электронов.
Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на проводники с током, во многих технических устройствах, в частности в электродвигателях и громкоговорителях.
Громкоговоритель служит для возбуждения звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой частотой. Устройство громкоговорителя: звуковая катушка располагается в зазоре кольцевого магнита. С катушкой жестко связан бумажный конус – диафрагма. Диафрагма укреплена на упругих подвесах, позволяющих совершать вынужденные колебания вместе с подвижной катушкой. По катушке протекает переменный электрический ток с частотой, равной звуковой частоте от микрофона или с выхода радиоприемника, проигрывателя, магнитофона. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль оси громкоговорителя в такт с колебаниями тока. Эти колебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны.
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, то есть сами создают магнитное поле. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена также Андре Ампером: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри его. Вследствие движения электронов в атомах, внутри атомов и молекул циркулируют элементарные электрические токи. Если плоскости, в которых циркулирую эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, то их действия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются.
Наиболее сильные магнитные поля создают ферромагне́тики вследствие собственного вращения электрона вокруг своей оси. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называют спином. Для каждого ферромагнетика существует своя температура Кюри, при которой его ферромагнитные свойства исчезают.  Сердечники трансформаторов, генераторов и электродвигателей изготовляют из ферромагнетиков. Они во много раз усиливают магнитное поле в катушке, не увеличивая силу тока. Это экономит электроэнергию.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, то есть создает магнитное поле в окружающем пространстве. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Они находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах.
Из ферромагнетиков изготовляют магнитные ленты и тонкие магнитные пленки, которые представляют собой гибкую основу из полихлорвинила или других веществ. На нее наносится рабочий слой в виде магнитного лака, состоящего из очень мелких игольчатых частиц железа или другого ферромагнетика и связующих веществ. Запись звука производят на ленту с помощью электромагнита, магнитное поле которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями. При движении ленты вблизи магнитной головки различные участки пленки намагничиваются. При воспроизведении звука наблюдается обратный процесс: намагниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают на динамик магнитофона.