Закон Ампера простыми словами: определение, формула, применение

Определение и формула

Экспериментально Ампер установил, что между двумя параллельными проводниками, соединенными с постоянным током, существует притяжение (однонаправленные токи) или отталкивание (если направления противоположны). Эти силы взаимодействия определяются параметрами токов (прямо пропорциональны) и расстоянием между проводниками (обратно пропорциональны).

Расчет силы тока на единицу длины проводника осуществляется по формуле:

где F — сила, I1, I2 — ток в проводниках, μ — магнитная проницаемость среды, окружающей проводники (см рис. 1).

Природа взаимодействия – магнитное поле, образованное электрическими зарядами, движущимися по проводникам. Под действием магнитного поля на электрические заряды возникает сила магнитной индукции, которую обозначают символом В.

Линии, в каждой точке, где их касательные совпадают с направлением соответствующих векторов магнитной индукции, называются линиями электромагнитной индукции. Используя мнемоническое правило Гимлета, можно определить ориентацию в пространстве линий магнитной индукции. То есть при повороте буравчика в ту сторону, в которую направлен вектор электрического тока, движение концов рукоятки укажет направление векторов индукции.

Из вышеизложенного следует, что в проводниках с одинаково ориентированными токами направления векторов магнитной индукции совпадают, а значит, векторы силы направлены навстречу друг другу, что и вызывает притяжение.

Рис. 1. Взаимодействие между параллельными проводниками

Подобным образом проводники взаимодействуют не только друг с другом, но и с магнитными полями любого вида. Если такой проводник находится в магнитном поле, то на элемент, находящийся в зоне действия магнита, будет действовать сила, называемая Ампер:

Для расчета модуля этой силы используйте формулу: dF = IBlsinα, где α — угол, образованный векторами индукции и текущей ориентацией.

Рассмотренная нами зависимость описывается законом Ампера, формулировка которого ясна из рисунка 2.

Рис. 2. Формулировка закона Ампера

Нетрудно найти, что при α = 900 sinα = 1. В этом случае значение F принимает максимальное значение: F = B*L*I, где L — длина проводника, подвергающегося воздействию магнитное поле.

Таким образом, из закона Ампера следует:

• проводник с током реагирует на магнитные поля.
• действующая сила прямо пропорциональна параметрам тока, величине магнитной индукции и размерам проводника.

Обратите внимание, что на этом рисунке 3 проводник расположен под углом 90º к линиям магнитной индукции, вызывая максимальное действие магнитных сил.

Рис. 3. Проводник в магнитном поле

Проверочные задачи по теме: магнитное взаимодействие токов и сила Ампера

Упражнение 1. Докажите, что два параллельных проводника с током одного направления притягиваются друг к другу.

Анализ задачи:

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, поэтому каждый из двух проводников находится в магнитном поле другого. На первый проводник действует сила Ампера от магнитного поля, создаваемого током во втором проводнике, и наоборот. Определив направление этих сил по правилу левой руки, мы узнаем, как ведут себя проводники.

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

В ходе решения сделаем пояснительные рисунки: изобразим проводники А и В, покажем направление тока в них и т д.

Определим направление силы Ампера, действующей на проводник А, находящийся в магнитном поле проводника В.

1) С помощью правила буравчика определяем направление линий магнитной индукции магнитного поля, создаваемого проводником В (левый рисунок). Получается, что проводник А имеет направленные к нам магнитные линии (отметка «•»).

2) Используя правило левой руки, определяем направление силы Ампера, действующей на проводник А, от магнитного поля проводника В.

3) Приходим к выводу: проводник А притягивается к проводнику Б.

Теперь найдем направление силы Ампера, действующей на проводник В, в магнитном поле проводника А.

1) Определите направление линий магнитной индукции магнитного поля, создаваемого проводником А (рисунок справа). Получается, что проводник В имеет магнитные линии, направленные от нас (отметка «х»).

2) Определить направление силы Ампера, действующей на проводник В.

3) Приходим к выводу: проводник В притягивается к проводнику А.

Ответ: Два параллельных проводника, движущихся в одном направлении, притягиваются друг к другу.

Упражнение 2. Прямой проводник (стержень) длиной 0,1 м и массой 40 г помещен в горизонтальное однородное магнитное поле с индукцией 0,5 Тл. Стержень расположен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля). С какой силой и в каком направлении нужно подавать ток в стержень, чтобы он не давил на опору (плавал в магнитном поле)?

Анализ задачи:

Стержень не будет давить на опору, если сила Ампера уравновешивает силу тяжести. Это произойдет при следующих условиях:

1. сила ампера будет действовать в направлении, противоположном силе тяжести (то есть вертикально вверх)
2. значение силы Ампера равно значению силы тяжести FA = Fgr

Направление тока определяется по правилу левой руки.

Решение:

Определим направление потока. Для этого левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а согнутый на 90° большой палец был направлен вертикально вверх. Четыре вытянутых пальца укажут направление от нас. Значит ток в проводнике должен быть направлен от нас.

Учтем, что FA = Ft. FA = BIlsina, где sina = 1; Fгр = мг

Из последнего выражения находим силу тока: I = мг/Бл

Проверим устройство, найдем значение нужной величины.

Ответ: I = 8 А; Сила ушла от нас.

Резюме

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера. Значение силы Ампера рассчитывается по формуле: FA= BIlsinα, где B — индукция магнитного поля; I — сила тока в проводнике; l — длина активной части проводника; α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Для определения направления магнитной силы Ампера используется правило левой руки: если левая рука расположена так, что линии магнитного поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывают направление тока в проводнике, то большой палец, согнутый на 90°, укажет направление силы Ампера.

Правило левой руки

Формулировка правила левой руки для ампер:

Если левую руку расположить так, что четыре пальца направлены в направлении тока в проводнике, а перпендикулярная составляющая индукции $B_{perp}$ входит в ладонь, то отведенный большой палец покажет направление силы Ампера.

Как использовать это правило? Давайте посмотрим на примеры.

• Допустим, проводник расположен горизонтально, и ток по нему идет вперед. Поэтому четыре пальца левой руки необходимо вытянуть вперед в этом направлении.
• Теперь предположим, что линии магнитного поля направлены сверху вниз (верхняя — «север» для подковообразного магнита, нижняя — «юг»). Поэтому левую руку нужно повернуть ладонью вверх так, чтобы линии магнитного поля вошли в ладонь и «прокололи» ее (четыре пальца еще должны быть вытянуты вперед).
• Вытянутый большой палец левой руки будет указывать влево. Это направление силы Ампера для данной ситуации.

Другой пример.

• Оставьте проводник вертикальным. А магнитное поле направлено справа налево (справа «север» магнита, слева — «юг»).
• Положите левую руку четырьмя пальцами вверх. Открытая сторона ладони должна «смотреть вправо», чтобы магнитные линии вошли и «пронзили» ее.
• Вытянутый большой палец будет указывать назад. Именно так будет направлена ​​сила Ампера в данном случае.

Обратите внимание, что сила Ампера создается только перпендикулярной составляющей магнитного поля. Это означает, что руку нужно расположить так, чтобы линии магнитного поля всегда входили в нее под углом, максимально близким к прямой линии.

Частным случаем является ситуация, когда направление тока и магнитной индукции совпадают. При этом руку нельзя ставить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции. Поэтому сила Ампера здесь не возникнет. В самом деле, если линии магнитной индукции параллельны направлению тока, то перпендикулярная составляющая этих линий равна нулю, и значение силы Ампера в приведенной выше формуле также равно нулю.

Рис. 3. Различные применения правила левой руки.

Сила Ампера (при использовании двух параллельных проводников)

Представьте себе два бесконечных проводника, расположенных на некотором расстоянии. По ним течет ток. Если ток течет в одном направлении, проводники притягиваются друг к другу. В противном случае они будут отвергать одного из одного. Поля, которые создают параллельные проводники, направлены противоположно друг другу.

И чтобы понять, почему они так реагируют, нужно просто помнить, что подобные полюса магнитов или подобные заряды всегда отталкиваются друг от друга. Для определения стороны направления поля, создаваемого проводником, следует воспользоваться правилом правого винта.

Перспективы единицы силы тока в будущем

Определив, что такое ампер, можно рассмотреть перспективы этого устройства в будущем. В 2011 году на международной конференции обсуждались условия предстоящего пересмотра обозначений единиц в системе СИ.

Предлагаемые новые стандарты должны повысить точность различных измерений по всем временным, метрическим и географическим векторам без потери точности. Особых изменений ампер не потерпит, разве что значение будет указано в зависимости от заданного числа.

Сегодня ампер является результатом воображаемого процесса, в котором представлено возникновение силы между двумя проводниками безразмерной длины. На практике это воспроизвести невозможно, потому что нет таких длинных и тонких проводов. На конференции решили использовать новую идею. Он будет основан на физических константах или атомных свойствах. Одной из таких физических констант был бы заряд электрона.

Обратите внимание на следующее! Современное определение: 1 ампер — это движение электронов, соответствующее току 1/1,6*10-19 элементарных зарядов в 1 секунду.

Удобным инструментом является одноэлектронный насос, который позволяет перемещать фиксированное количество электронов в течение одного из циклов.

В дальнейшем ампер – мера силы тока, определение которой перестало описываться выдуманной виртуальной установкой, приобрело прочную, фундаментальную основу.

Закон Ома

Один из законов электротехники, который выводится путем экспериментальных исследований, является эмпирическим. С его помощью устанавливали связь между сопротивлением проводника, напряжением на концах и силой тока, проходящего по проводнику. Ом Георг, немецкий физик, провел в 1826 г серию опытов и вывел зависимость между этими величинами, которую можно выявить следующим образом: сила тока находится в прямой зависимости от разности потенциалов на концах проводника и, наоборот, на сопротивление. Формула закона Ома:

Сила тока: формула

Я = У/Р,

куда:

• I — сила тока, А;
• U – напряжение (разность потенциалов), В;
• R — сопротивление проводника, Ом.

Ампер — это единица количества электричества в цепи, полученная путем деления напряжения 1 вольт на сопротивление 1 ом.

Обратите внимание на следующее! Из этого выражения следует, например, что если напряжение увеличить вдвое при том же сопротивлении, то и ток увеличится вдвое. Если сопротивление увеличить вдвое при постоянном значении напряжения, оно уменьшится вдвое.

Мнемоническое правило для запоминания формулы закона Ома

Формула применяется к части цепи, по которой движение электронов происходит в одном направлении. В случае переменного электричества с одной фазой формула меняет вид:

I = U/Z, где:

• I — сила тока, А;
• U — разность потенциалов, В;
• Z — полное (комплексное) сопротивление цепи, Ом.

Если в цепь наряду с активными элементами входят и реактивные, направление движения электрона имеет гармонические колебания, то этот закон описывает зависимость комплексных величин.

История открытия

Впервые он был сформулирован Андре Ампером, который применил закон к постоянному току. Он был открыт в 1820 году. Этот закон имел далеко идущие последствия в будущем, ведь без него просто невозможно представить работу ряда электроприборов.

Использование бесконечно малых величин

В приведенных выше формулах используются бесконечно малые величины (dF, dl). Его использование расширяет возможности расчета параметров. Обычно сравнительно простые ситуации изучаются экспериментально, но в этом случае возникает необходимость получения формул универсального характера.

В реальной жизни возможны ситуации, например, когда напряженность магнитного поля изменяется по сложному закону или рассматриваются контуры проводников произвольной конфигурации.

Использование бесконечно малых величин позволяет обобщать результаты фундаментальных экспериментов на самые разные ситуации. Для этого могут быть использованы методы дифференциального и интегрального исчисления.

Когда мы рассматриваем бесконечно малую часть нити, мы говорим о величине, достаточно малой, чтобы считать ее прямой линией. В этом случае можно использовать уже существующие закономерности. С помощью методов интегрирования можно перейти к проводам, имеющим контур разной степени сложности, или рассмотреть магнитное поле со сложной конфигурацией.

Электрический ток

Электричество — это форма энергии, основанная на наличии электрических зарядов в материи. Вся материя состоит из атомов, а атомы содержат заряженные частицы. Каждый протон в атомном ядре содержит одну единицу положительного электрического заряда, а каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, имеет одну единицу отрицательного заряда. Электрические явления происходят, когда электроны покидают атомы: потеря одного или нескольких из них превращает атом в положительно заряженный ион. Все явления, происходящие с зарядами, можно разделить на две основные категории:

• статическое электричество;
• электричество.

Первый член описывает поведение зарядов в состоянии покоя. Подобные явления хорошо иллюстрируются наэлектризованными волосами — они будут отталкиваться друг от друга, так как имеют заряд.

Электрический ток связан с поведением зарядов в движении. Для того, чтобы они могли двигаться непрерывно, они должны обеспечить беспрепятственный маршрут. Путь зарядов называется электрической цепью. Простейшая электрическая схема обычно состоит из следующих элементов:

• источник;
• нагрузка;
• соединительные проводники.

Вам будет интересно Классификация воздушных и подземных линий электропередач и их назначение
Электрический ток — это любое движение носителей электрических зарядов: субатомных частиц (электронов или протонов), ионов (атомов, потерявших или присоединивших электроны) или квазичастиц (дырок в полупроводниках, которые можно считать положительно заряженными носителями).

Ток в проводнике – это движение электронов в одном направлении (постоянное) или с периодическим изменением направления движения (переменное). В газах и жидкостях он состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных ионов в противоположном направлении. Существуют и другие его виды, такие как пучки протонов, позитронов или других заряженных мюонов в ускорителях частиц.

В отношении общепринятого направления течения существует определенное противоречие, основы которого были заложены более двух столетий назад. Поскольку электроны в то время еще не были открыты, ученые предположили, что движущиеся частицы имеют положительный заряд. Традиция обозначать направление тока как направление движения положительных частиц не забыта и сейчас, хотя электроны являются носителями заряда в проводниках.

Читайте также: Угольно-графитовые щетки, применяемые в электродвигателях. Что делать, если они искрят. Греется якорь и искрят щетки

Кратные и дольные единицы

Ампер – довольно крупная единица измерения. Его дольные единицы обозначаются префиксами, которые можно найти в Международной системе обозначений единиц СИ. На практике для обозначения ампер используется еще несколько единиц. Чтобы разложить ампер на доли или узнать, сколько малых величин в него входит, существует специальная программа – электронный калькулятор-конвертер.

Плотность тока — что это такое и как ее измеряют

Очень малые токи исчисляются тысячными долями ампера — миллиамперами (мА), это 1*10-3А. Еще меньшее значение этой величины указывается в микроамперах (мкА), это 1*10-6 А. С такими значениями работают электронные схемы современных гаджетов.

Отопительные, осветительные приборы и крупная бытовая техника пропускают по своим цепям токи силой 0,1 А и выше.

Интересно. Нервная система человека начинает реагировать на прохождение тока силой 0,5 мА. Значение выше 50 мА уже опасно для здоровья. Воздействие переменного тока силой 100 мА в течение 2-3 секунд смертельно.

Доли и кратные количества электроэнергии

При определении эталонных и калибровочных приборов необходимо было измерять взаимодействие пары катушек с обмотками из большого количества проводов очень малого сечения.

Единицы мощности

преобразование ватт в ампер и наоборот понятие относительное, потому что это разные единицы измерения. Ампер — это физическая величина электрического тока, то есть скорость, с которой электричество проходит по кабелю. Ватт — количество электрической мощности, или потребление электроэнергии. Но такой перевод необходим, чтобы рассчитать, соответствует ли значение тока значению мощности.

Связь с другими единицами СИ

Что такое амперы при подключении электрических устройств, можно увидеть на примерах:

• при силе тока 1 ампер (А) поперечное сечение проводника пропускает через себя заряд в 1 кулон (Кл) за одну секунду);
• при приложении к пластинам конденсатора емкостью 1 Ф напряжения в 1 ампер напряжение на пластинах будет возрастать, увеличиваясь каждую секунду на 1 В;
• емкость гальванических источников и аккумуляторов измеряется в ампер-часах (А*ч, или А*ч), 1 А*ч = 3660 Кл, это количество электричества протекает через проводник за 1 час;
• максимальная выходная мощность (Вт) выпрямителей или блоков питания — вторая по значимости характеристика таких источников, маркируется V*A;
• количество электричества в грозовом разряде около 500 килоампер (1 кА = 10³ А);
• лампа накаливания мощностью 0,1 киловатта (кВт) потребляет 0,5 А.

Обозначение числа ампер используется в случае автоматических выключателей и предохранителей.

Перевод ампера в ватты и киловатты

Знание того, как рассчитать соответствие между амперами и ваттами, необходимо, чтобы определить, какое устройство выдержит мощность подключенных потребителей. К таким устройствам относятся средства защиты или сменная.

Перед тем, как выбрать, какой автоматический выключатель или УЗО ставить, нужно рассчитать потребляемую мощность всех подключенных устройств (утюг, лампы, стиральная машина, компьютер и так далее). Или наоборот, зная, какой стоит автомат или устройство защитного отключения, решить, какое оборудование выдержит нагрузку, а какое нет.

Для перевода ампера в киловатт и обратно существует формула: I = P/U, где I — амперы, P — ватты, U — вольты. Вольт — это напряжение сети. В жилых помещениях используется однофазная сеть – 220 В. На производстве для подключения промышленного оборудования используется электрическая трехфазная сеть, значение которой составляет 380 В. Исходя из этой формулы, зная амперы, можно вычислить соответствие ваттам и наоборот — перевести ватты в амперы.

Ситуация: Имеется автоматический выключатель. Технические параметры: номинальный ток 25 А, 1-полюсный. Необходимо рассчитать, какое воздействие на юниты сможет выдержать машина.

Проще всего ввести технические данные в калькулятор и рассчитать эффект. А еще можно использовать формулу I = P/U, получается: 25 А = х Вт/220 В.

х Вт=5500 Вт.

Для перевода ватт в киловатты необходимо знать следующие меры мощности в ваттах:

• 1000 Вт = 1 кВт,
• 1000 000 Вт = 1000 кВт = МВт,
• 1000 000 000 Вт = 1000 МВт = 1 000 000 кВт и т д

Итак, 5500 Вт = 5,5 кВт. Ответ: автомат с номинальным током 25 А выдерживает нагрузку всех приборов суммарной мощностью 5,5 кВт, не более.

Используйте формулу с данными о напряжении и токе, чтобы выбрать тип кабеля с точки зрения мощности и тока. В таблице показано соответствие между током и сечением провода:

Медные жилы проводов и кабелей

	Напряжение 220 В	Напряжение 380 В
Настоящее время, А	Мощность, кВт	Настоящее время, А	Мощность, кВт
1,5	19	4.1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
четыре	38	8.3	тридцать	19,8
6	46	10.1	40	26,4
10	70	15,4	50	33
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66	260	171,6

Как перевести ватт в ампер

Переводить ватты в амперы нужно в ситуации, когда нужно установить устройство защиты и нужно выбрать, какой у него должен быть номинальный ток. Из руководства пользователя понятно, сколько ватт потребляет бытовой прибор при подключении к однофазной сети.

Задача состоит в том, чтобы рассчитать, сколько ампер в ваттах или какой розетке соответствует подключение, если микроволновка использует 1,5 кВт. Чтобы проще было считать киловатты, лучше перевести в ватты: 1,5 кВт = 1500 Вт. Подставляем значения в формулу и получаем: 1500 Вт/220 В = 6,81 А. Округляем значения в большую сторону и получаем 1500 Вт в виде ампер — потребляемый ток СВЧ не менее 7 А.

Если вы подключаете одновременно несколько устройств к защитному устройству, вы должны сложить все значения потребления, чтобы рассчитать, сколько ампер в ваттах. Например, в комнате используется освещение с 10 светодиодными лампами по 6 Вт, утюг на 2 кВт и телевизор на 30 Вт. Сначала все показатели надо перевести в ватты, получается:

• лампы 6*10= 60 Вт,
• утюг 2 кВт=2000 Вт,
• тВ 30 Вт.

60+2000+30=2090 Вт.

Теперь можно перевести амперы в ватты, для этого заменим значения в формуле 2090/220 В = 9,5 А~10 А. Ответ: потребляемый ток около 10 А.

Вам нужно знать, как перевести ампер в ватт без калькулятора. В таблице показано соответствие между потребляемой мощностью и силой тока для однофазных и трехфазных сетей.

Ампер (А)	Мощность, кВт)
220 В	380 В
2	0,4	1,3
6	1,3	3,9
10	2.2	6,6
16	3,5	10,5
20	4.4	13.2
25	5,5	16,4
32	7,0	21.1
40	8,8	26,3
50	11,0	32,9
63	13,9	41,4

Силы, действующие на проводники с током в магнитном поле

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

$$bar{F}_{A}=I int_{l} d bar{l} times bar{B}(4)$

где $bar{B}$ — магнитная индукция, рассматриваемая в пределах небольшого отрезка проводника dl. Интегрирование в формуле (4) ведется по всей длине проводника (l). Из выражения (4) следует, что на замкнутую цепь с током I в однородном магнитном поле действует сила Ампера, равная $bar{F}_{A}=0(H

Сила ампера, действующая на элемент (dl) прямого проводника с током I1, помещенный в магнитное поле, создающее параллельно первому другой прямой проводник с током I2, по абсолютной величине равна:

$$d F=frac{mu_{0}}{2 pi} frac{I_{1} I_{2}}{d} dl(5)$

где d — расстояние между проводниками, $mu_{0}=4 pi cdot 10^{7}$ H/m (или N/A2) — магнитная постоянная. Проводники с током одного направления притягиваются. Если направления токов в проводниках различны, они отталкиваются друг от друга. Для рассмотренных выше параллельных проводников бесконечной длины мощность Ампера на единицу длины можно рассчитать по формуле:

$$frac{F}{l}=frac{mu_{0}}{2 pi} frac{I_{1} I_{2}}{d}$

Формула (6) в системе СИ используется для получения количественного значения магнитной постоянной.

Определение слова «Ампер» по БСЭ:

Ампер — Ампер (Ampère) Андре Мари (22 января 1775, Лион — 10 июня 1836, Марсель), французский физик и математик, один из основоположников электродинамики, член Парижской АН (1814). А родился в аристократической семье. С 14 лет, прочитав все 20 томов «Энциклопедии» Д. Дидро и Ж. Л. Даламбера, он целиком посвятил себя естественным наукам и математике.

В 1801 г. А стал преподавателем по физике в Центральной школе Бурк-ан-Бресс, а в 1805 г устроился учителем в Политехнический институт в Париже. В этот период он опубликовал работы по теории вероятностей, применению вариационного исчисления к задачам механики, ряд работ по математическому анализу.

С 1824 профессор Нормальной школы в Париже. После открытия в 1820 г. Г. К. Эрстедом действия электрического тока на магнитную стрелку А предложил «правило пловца» для определения направления отклонения магнитной стрелки током. Дальнейшие исследования привели А к открытию механического взаимодействия электрических токов и установлению количественной зависимости для определения силы этого взаимодействия (закон Ампера).

А построил первую теорию магнетизма, основанную на гипотезе молекулярных токов, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены электрическими токами, циркулирующими в молекулах. Теория магнетизма А положила конец представлениям о «магнитной жидкости» как особом носителе магнитных свойств и явилась провозвестником электронной теории магнетизма после того, как А магнетизм стал частью электродинамики.

Электродинамическая теория была выдвинута А в его работе «Теория электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта» (1826 г.). В конце жизни А разработал классификацию наук своего времени, воплощённую в труде «Опыт философии наук…» (1834) Op.: Journal et корреспонденция де Андре Мари Ампира, 9 д., П., 1893. Correspondance du grand Ampere, изд. Л де Лоне…, т. 1-3, П., 1936-43 на русском пер. — Электродинамика, М., 1954 (есть библиография работ А и литературы о нем) Литт.: Белкинд Л.Д., Ампер А.М. 1775-1836, М., 1968 (библ., с. 234-251).

Ампер — 1) единица силы электрического тока, является одной из основных единиц Международной системы единиц и системы электрических и магнитных единиц ISSA. Назван в честь французского физика А. Ампера, русское обозначение а, интернациональное А. С момента введения А как единицы силы тока (1881, 1-й Международный конгресс электриков) его определение претерпело ряд изменений.

Сначала А определяли как силу тока, проходящего через проводник сопротивлением 1 Ом при разности потенциалов на концах проводника 1 вольт. При этом вольт определялся как 108, а ом — как 109 соответствующих единиц электромагнитной системы СГСМ. Трудности с практическим воспроизведением теоретически установленных абсолютных электрических единиц привели к введению международных электрических единиц (1893 г.), основанных на реальных стандартах.

Международная А определялась как сила неизменного электрического тока, который, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, высвобождает 1,11800 мг серебра за 1 секунду. Достигнутый позднее прогресс в электрических измерениях позволил отказаться от материального эталона А. (с 1948 г.).

В ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц» А определяется через механическое взаимодействие двух токов (см закон Ампера).

«А — мощность неизменного тока, которая поддерживается в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малой круглого сечения, размещенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызвали бы между этими проводниками силу, равную 2 × 10 минус 7 единиц силы системы МКС на 1 м длины. -так называемые токовые шкалы, или амперные шкалы, позволяющие с высокой точностью определить силу механического взаимодействия между двумя витками тока, а значит, и величину силы тока.

Международная А мало отличается от абсолютной А.: 1 амеj = 0,99985 а.2) Единица магнитодвижущей силы (в системах СИ и МКСА): «А — магнитодвижущая сила вдоль замкнутой цепи, присоединенной к цепи постоянного тока с силой 1 А. Отношение Гильберта (единица измерения системы СГС) к А.: 1 gb = 10/(4 &pi.) a = 0,7958 a.D старое название единицы магнитодвижущей силы — ампер-виток (а.в.). Литт.: Маликов С.Ф.,

Единицы электрических и магнитных величин. Исторический очерк, 2-е изд., М. — Л., 1960. Бурдун Г. Д., Единицы физических величин, 4-е изд., М., 1966. Бурдун Г. Д., Калашников Н. В и Стоцкий Л. Р., Международная система единиц, М., 1964. А.М усилитель

Рекомендуем изучить схему подключения датчика движения к прожектору

Направление силы Ампера

Учитывая, что сила является векторной величиной, определим направление. Рассмотрим случай, когда проводник с током помещен между двумя полюсами магнитов под прямым углом к ​​линиям магнитной индукции.

Выше мы установили, что по закону Ампера сила, действующая на данный проводник, равна: F = B*L*I. Направление вектора рассматриваемой силы определяется по результатам векторного произведения:

Если полюса магнита статичны (неподвижны), векторное произведение будет зависеть только от параметров электричества, в частности от того, в каком направлении оно течет.

Направление силы Ампера определяют по известному правилу левой руки: ладонь кладут против магнитных линий, а пальцы располагают вдоль проводника, по направлению тока. Направление силы Ампера указывает большой палец, который образует с ладонью прямой угол (см рис. 4).

Рис. 4. Толкование правила

Мысленно измените направление электрического тока, и вы увидите, что направление вектора силы Ампера изменится на противоположное. Модуль вектора имеет прямопропорциональную зависимость от всех факторов, но на практике эту величину удобно регулировать, изменяя параметры электрической цепи (например, регулировать мощность электродвигателя).

Практическое применение

Сила ампера используется практически во всех электромеханических устройствах, где необходимо посредством электрических процессов вызывать движение реальных объектов. Пример использования – измерительные приборы.

При пропускании тока через проводник возникает магнитное взаимодействие, и рамка начинает вращаться. В этом случае указатель смещается до тех пор, пока сила Ампера не уравновесит силу упругости обеих пружин. Полученный показатель будет характеризовать ток, протекающий по проводнику. Чем больше ток, тем больше будет отклоняться стрелка.

Закон Ампера основан и на такой отрасли, как электротехника. Например, электромагнитная индукция используется в электродвигателях.

Двигатель преобразует электричество во вращение вала. Ток подается на раму через скользящие щетки. Он взаимодействует с постоянным магнитом, заставляя его вращаться под действием силы Ампера. В современных двигателях одновременно может использоваться несколько кадров. Это позволяет увеличить мощность мотора и сделать вращение оси более плавным.

Двигатели, работающие на основе рассмотренного эффекта, активно используются в различных видах электротранспорта — трамваях, троллейбусах, электропоездах.

Еще одно применение закона Ампера — в громкоговорителях. У них внутри постоянный магнит. Изменение силы тока вызывает изменение силы магнитного поля, что заставляет мембрану вибрировать, производя звук нужной частоты.

Притяжение между проводниками с током легло в основу точного определения единицы измерения 1 Ампер. При этом рассматривалась абстрактная ситуация, предполагающая наличие двух параллельных проводников бесконечной длины. Предполагалось, что каждая из них имеет бесконечно малое поперечное сечение, размерами которого можно пренебречь.

Предполагается, что они точны по всей длине на расстоянии одного метра и в вакууме. При прохождении тока в 1 Ампер сила, действующая на каждый метр проводников, должна составлять 0,0000002 Ньютона. Это определение вступило в силу в 1948 году.

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​(q )​ – заряд частицы, ​(v )​ – скорость частицы, ​(B )​ – модуль вектора магнитной индукции, ​(alpha )​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: если левую ладонь положить так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции ​(B_perp)​, перпендикулярная проводнику, попала в ладонь, а четыре вытянутых пальцы укажут направление скорости положительно заряженной частицы, тогда согнутый под углом 90° большой палец укажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицателен, направление силы меняется на противоположное.

Важно!

Если вектор скорости совпадает с вектором магнитной индукции, частица движется плавно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца изгибает путь частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​(m )​ – масса частицы, ​(v )​ – скорость частицы, ​(B )​ – модуль вектора магнитной индукции, ​(q )​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной силы и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для расчета периода обращения частицы:

Угловая скорость заряженной частицы:

Важно!

Сила Лоренца не изменяет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется направление скорости частицы.

Если вектор скорости направлен под углом ​(alpha)​ (0° < (alpha ) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить в виде суммы двух векторов скорости, один из которых, ​(vec{v}_2 )​, параллелен вектору (vec{B} ) , а другой, ( vec {v}_1 ), перпендикулярен ему. Вектор (vec{v}_1 ) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор (vec{v}_2 ) меняет направление. Сила Лоренца сообщает движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости (vec{v}_1 ). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности равен ​(T )​.

Таким образом, равномерное движение по линии индукции будет накладываться на круговое движение в плоскости, перпендикулярной вектору (vec{B}). Частица движется по спирали с шагом ​(h=v_2T )​.

Важно!

Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Функции движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах — приборах для измерения масс заряженных частиц; ускорители частиц; для теплоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о воздействии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать рисунок, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак заряда;
• описать силы, действующие на заряженную частицу;
• определить тип траектории частицы;
• развернуть силы, действующие на заряженную частицу, по направлению магнитного поля и в направлении, перпендикулярном ему;
• составить основное уравнение динамики точки материала по каждому из направлений распространения сил;
• выражать силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение для проверки.

Влияние замкнутого контура

Используя закон Ампера, мы можем сделать вывод, каким будет магнитное поле замкнутой цепи. Например, вы можете расположить рамку вертикально в поле, линии поля которого выровнены сверху вниз.

Чтобы определить, какое направление будет иметь магнитная индукция в данной ситуации, следует также воспользоваться правилом левой руки. Так как ток в нижней части рамки направлен вправо, то руку надо расположить так, чтобы пальцы были направлены, если смотреть на рисунок, тоже вправо. При этом ладонь должна быть раскрыта. Большой палец в этой ситуации будет направлен от наблюдателя.

Применяя это правило к верхней части кадра, можно увидеть, что сила Ампера действует против наблюдателя. То есть раме придается вращательное движение. Но по мере приближения к горизонтальному положению эта сила уменьшается.

Если рама имеет инерцию и благодаря ей проскальзывает горизонтальное положение, вновь начнут действовать описанные выше силы: сначала слабо, а затем они будут увеличиваться при достижении рамой вертикального положения.

Связь с другими единицами СИ

Что такое амперы при подключении электрических устройств, можно увидеть на примерах:

• при силе тока 1 ампер (А) поперечное сечение проводника пропускает через себя заряд в 1 кулон (Кл) за одну секунду);
• при приложении к пластинам конденсатора емкостью 1 Ф напряжения в 1 ампер напряжение на пластинах будет возрастать, увеличиваясь каждую секунду на 1 В;
• емкость гальванических источников и аккумуляторов измеряется в ампер-часах (А*ч, или А*ч), 1 А*ч = 3660 Кл, это количество электричества протекает через проводник за 1 час;
• максимальная выходная мощность (Вт) выпрямителей или блоков питания — вторая по значимости характеристика таких источников, маркируется V*A;
• количество электричества в грозовом разряде около 500 килоампер (1 кА = 10³ А);
• лампа накаливания мощностью 0,1 киловатта (кВт) потребляет 0,5 А.

Обозначение числа ампер используется в случае автоматических выключателей и предохранителей.