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.

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 B⃗ .

Тогда: 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 ,

где - сила тока в проводнике;

Модуль вектора индукции магнитного поля;

Длина проводника, находящегося в магнитном поле;

Угол между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.

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

27) Закон Био-Сава-Лапласа и его применение

Закон Био Савара Лапласа определяет величину модуля вектора магнитной индукции в точке выбранной произвольно находящейся в магнитном поле. Поле при этом создано постоянным током на некотором участке.

Формулировка закона Био Савара Лапласа имеет вид: Определяет в точке А индукцию поля , создаваемую элементом проводника с током на расстоянии от него.

Где – вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; – радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в точку А поля; – модуль радиуса-вектора ; – магнитная постоянная ; – Относительная магнитная проницаемость (среды); - Сила тока (текущего по проводнику), размерность в СИ-А

Направление вектора :

Вектор перпендикулярен и и напревлен по касательной к линии магнитной индукции. Направление определяется по правилу правого винта: направление вращения головки винта дает направление , если поступательное движение винта соотвтествует напрвлению тока в элементе.

Применение закона: магнитное поле прямого тока

тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины. В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы dB от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к вам»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол a (угол между векторами dl и r), выразив через него все остальные величины.

Тема 10. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯДЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

10.1. Закон Ампера.

10.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током. 10.4. Единицы измерения магнитных величин. 10.5. Сила Лоренца.

10.6. Эффект Холла.

10.7. Циркуляция вектора магнитной индукции.

10.8. Магнитное поле соленоида.

10.9. Магнитное поле тороида.

10.10. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

10.1. Закон Ампера.

В 1820 г. А. М. Ампер экспериментально установил, что два проводника с током взаимодействуют друг с другом с силой:

где b – расстояние между проводниками, а k – коэффициент пропорциональности зависящий от системы единиц.

В первоначальное выражение закона Ампера не входила никакая величина характеризующая магнитное поле. Потом разобрались, что взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле и следовательно в закон должна входить характеристика магнитного поля.

В современной записи в системе СИ, закон Ампера выражается формулой:

Если магнитное поле однородно и проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, то

где I = qnυ др S – ток через проводник сечением S.

Направление силы F определяется направлением векторного произведения или правилом левой руки (что одно и тоже). Ориентируем пальцы по направлению первого вектора, второй вектор должен входить в ладонь и большой палец показывает направление векторного произведения.

Закон Ампера – это первое открытие фундаментальных сил зависящих от скоростей. Сила зависящая от движения! Такого еще не было.

10.2. Взаимодействие двух параллельных бесконечных проводников с током.

Пусть b – расстояние между проводниками. Задачу следует решать так: один из проводников I 2 создаёт магнитное поле, второй I 1 находится в этом поле.

Магнитная индукция, создаваемая током I 2 на расстоянии b от него:

B 2 = µ 2 0 π I b 2 (10.2.1)

Если I 1 и I 2 лежат в одной плоскости, то угол между B 2 и I 1 прямой, следовательно

(разумеется, со стороны первого проводника на второй действует точно такая же сила). Результирующая сила равна одной из этих сил! Если эти два проводника будут

воздействовать на третий, тогда их магнитные поля B 1 и B 2 нужно сложить векторно.

10.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током.

Рамка с током I находится в однородном магнитном поле B , α – угол между n и B (направление нормали связано с направлением тока правилом буравчика).

Сила Ампера действующая на сторону рамки длиной l равна:

F1 = IlB (B l ).

На другую сторону длиной l действует такая же сила. Получается «пара сил» или «вращающий момент».

M = F1 h = IlB bsinα,

где плечо h = bsinα . Так как lb = S – площадь рамки, тогда можно записать

M = IBS sinα = Pm sinα.

Вот откуда мы писали с вами выражение для магнитной индукции:

где M – вращающий момент силы, P – магнитный момент.

Физический смысл магнитной индукции B – величина численно равная силе, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины по которому течет

единичный ток. B = I F l ; Размерность индукции [ B ] = А Н м . .

Итак, под действием этого вращательного момента рамка повернётся так, что n r || B . На стороны длиной b тоже действует сила Ампера F 2 – растягивает рамку и так

как силы равны по величине и противоположны по направлению рамка не смещается, в этом случае М = 0, состояние устойчивого равновесия

Когда n и B антипараллельны, M = 0 (так как плечо равно нулю), это состояние, неустойчивого равновесия. Рамка сжимается и, если чуть сместится, сразу возникает

вращающий момент такой что она повернется так, что n r || B (Рис. 10.4).

В неоднородном поле рамка повернется и будет вытягиваться в область более сильного поля.

10.4. Единицы измерения магнитных величин.

Как вы догадываетесь, именно закон Ампера используется для установления единицы силы тока – Ампера.

Итак, Ампер – сила тока неизменного по величине, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным на расстояние один метр, один от другого в вакууме

вызывает между этими проводниками силу в 2 10 − 7 Н м .

Один тесла 1 Тл = 104 Гс.

Гаусс – единица измерения в Гауссовой системе единиц (СГС).

1 Тл (один тесла равен магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором) на плоский контур с током, имеющим магнитный момент 1 А·м2 действует вращающий момент 1 Н·м.

Единица измерения B названа в честь сербского ученого Николы Тесла (1856 – 1943 г.), имевшего огромное количество изобретений.

Другое определение: 1 Тл равен магнитной индукции при которой магнитный поток сквозь площадку 1 м2 , перпендикулярную направлению поля равен 1 Вб.

Единица измерения магнитного потока Вб, получила свое название в честь немецкого физика Вильгельма Вебера (1804 – 1891 г.) – профессора университетов в Галле, Геттингеме, Лейпциге.

Как мы уже говорили, магнитный поток Ф, через поверхность S – одна из характеристик магнитного поля (Рис. 10.5)

Сила Ампера это та сила, с которой магнитное поле действует на проводник, с током помещённый в это поле. Величину этой силы можно определить с помощью закона Ампера. В этом законе определяется бесконечно малая сила для бесконечно малого участка проводника. Что дает возможность применять этот закон для проводников различной формы.

Формула 1 — Закон Ампера

B индукция магнитного поля, в котором находится проводник с током

I сила тока в проводнике

dl бесконечно малый элемент длинны проводника с током

альфа угол между индукцией внешнего магнитного поля и направлением тока в проводнике

Направление силы Ампера находится по правилу левой руки. Формулировка этого правила, звучит так. Когда левая рука расположена таким образом, что лини магнитной индукции внешнего поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывают направление движения тока в проводнике, при этом отогнутый под прямым углом большой палец будет указывать направление силы, которая действует на элемент проводника.

Рисунок 1 — правило левой руки

Некоторые проблемы возникают, при использовании правила левой руки, в случае если угол между индукцией поля и током маленький. Трудно определить, где должна находиться открытая ладонь. Поэтому для простоты применения этого правила, можно ладонь располагать так, чтобы в нее входил не сам вектор магнитной индукции, а его модуль.

Из закона Ампера следует, что сила Ампера будет равна нулю, если угол между линией магнитной индукции поля и током будет равен нулю. То есть проводник будет располагаться вдоль такой линии. И сила Ампера будет иметь максимально возможное значение для этой системы, если угол будут составлять 90 градусов. То есть ток будет перпендикулярен линии магнитной индукции.

С помощью закона Ампера можно найти силу, действующую в системе из двух проводников. Представим себе два бесконечно длинных проводника, которые находятся на расстоянии друг от друга. По этим проводникам протекают токи. Силу, действующую со стороны поля создаваемого проводником с током номер один на проводник номер два можно представить в виде.

Формула 2 — Сила Ампера для двух параллельных проводников.

Сила, действующая со стороны проводника номер один на второй проводник, будет иметь такой же вид. При этом если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводнику будут притягиваться. Если же в противоположных, то они будут отталкиваться. Возникает некоторое замешательство, ведь токи текут в одном направлении, так как же они могут притягиваться. Ведь одноименные полюса и заряды всегда отталкивались. Или Ампер решил, что не стоит подражать остальным и придумал что то новое.

На самом деле Ампер ничего не выдумывал, так как если задуматься то поля, создаваемые параллельными проводниками, направлены встречно друг другу. И почему они притягиваются, вопроса уже не возникает. Чтобы определить, в какую сторону направлено поле создаваемое проводником, можно воспользоваться правилом правого винта.

Рисунок 2 — Параллельные проводники с током

Используя параллельные проводники и выражение силы Ампера для них можно определить единицу в один Ампер. Если по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии в один метр, текут одинаковые токи силой в одни ампер, то силы взаимодействия между ними будет составлять в 2*10-7 Ньютона, на каждый метр длинны. Используя эту зависимость, можно выразить чему будет равен один Ампер.

Данное видео рассказывает о том, как постоянное магнитное поле, созданное подковообразным магнитом, воздействует на проводник с током. Роль проводника с током в данном случае выполняет алюминиевый цилиндр. Этот цилиндр лежит на медных шинах, по которым к нему подводится электрический ток. Сила, воздействующая на проводник с током, находящемся в магнитном поле, называется силой Ампера. Направление действия силы Ампера определяется с помощью правила левой руки.

2. Сформулируйте закон Ампера. Запишите его математическое выражение.

тока и вектором магнитной индукции.

3. Как ориентирована сила Ампера относительно направления тока и вектора магнитной индукции?

4. Как определяется направление силы Ампера? Сформулируйте правило левой руки.

5. Чему равен модуль вектора магнитной индукции? В каких единицах измеряется магнитная индукция?