Направление силы Ампера в магнитном поле
Магнитное поле играет важную роль во многих технических устройствах. Однако, чтобы этим полем можно было управлять, нужно знать законы его взаимодействия с электрическим током. В статье мы подробно рассмотрим один из ключевых законов – определение направления силы Ампера, возникающей в проводнике при помещении в магнитное поле.
1. Суть явления силы Ампера
Магнитное поле обладает особыми свойствами. В частности, оно может оказывать действие на движущиеся электрические заряды. Это явление было открыто в начале XIX века в результате опытов Эрстеда и Ампера.
Эрстед обнаружил, что рядом с проводом, по которому течет электрический ток, отклоняется стрелка компаса. Значит, вокруг провода возникает магнитное поле.
Ампер пошел дальше. Он выяснил, что если рядом с проводом с током поместить другой провод с током, то проводники будут либо притягиваться, либо отталкиваться.
Значит, магнитное поле не просто существует рядом с током, но и активно взаимодействует с ним!
Сила, возникающая при этом взаимодействии, была названа силой Ампера. По современным представлениям, эта сила является результирующей отдельных сил Лоренца, действующих на каждый заряд, движущийся в проводнике.
2. Особенности направления силы Ампера
Характерной чертой силы Ампера является ее направление. В отличие от большинства других сил, она не совпадает ни с направлением электрического тока в проводнике, ни с направлением линий магнитной индукции.
Сила Ампера строго перпендикулярна этим двум направлениям.
Чтобы определить, куда именно будет направлена сила Ампера при заданных направлениях тока и магнитного поля, используют специальное правило левой руки.
- Четыре вытянутых пальца левой руки указывают направление тока в проводнике
- Ладонь располагается так, чтобы линии магнитной индукции перпендикулярно "входили" в нее
- Отставленный на 90 градусов большой палец указывает направление действия силы Ампера
Давайте рассмотрим несколько возможных взаимных ориентаций векторов тока и магнитного поля и определим соответствующее направление силы Ампера с помощью описанного правила.
| Направление тока | Направление вектора B | Направление силы Ампера |
| Вправо | Вверх | На нас |
| Влево | Вправо | К нам |
Как видно из примеров, правило левой руки позволяет довольно просто находить результирующее направление силы Ампера для любой заданной конфигурации поля и проводника. Это очень удобно при анализе и проектировании различных электрических машин и механизмов.
3. Доказательство формулы для силы Ампера
Помимо направления, важной характеристикой любой силы является ее величина. Для количественного расчета силы Ампера используется формула, выведенная в XIX веке:
FA = k ∙ I ∙ l ∙ B⊥ ∙ sin(α),
где FA – модуль вектора силы Ампера, I – сила тока в проводнике, l – длина проводника, B⊥ – проекция вектора магнитной индукции на направление, перпендикулярное проводнику, α – угол между направлением тока и вектором B, k – коэффициент пропорциональности.
Эта формула выводится различными способами в рамках электродинамики. Рассмотрим современный вывод с использованием понятия циркуляции вектора магнитной индукции и математического тождества Лагранжа.
При подстановке значений всех величин получаем численное значение искомой силы Ампера. Это позволяет проводить инженерные расчеты для конкретных практических задач.
В разных системах единиц коэффициент k принимает различные значения. Они сведены в таблицу:
| Система СИ | 1 Н / (А · м) |
| СГСЭ | 10-7 Н / (А · м) |
4. Экспериментальная проверка закона Ампера
Теоретический вывод формулы для расчета силы Ампера является важным этапом изучения этого явления. Однако не менее важным является экспериментальное подтверждение сделанных выводов.
Для этого можно провести следующие опыты:
- Поместить проводник в однородное магнитное поле и измерить силу, действующую на него, при различных значениях тока. Полученную зависимость сравнить с теоретической.
- Повернуть проводник или магнит относительно друг друга и проверить изменение направления действующей силы.
- Рассчитать теоретическое значение силы Ампера и получить экспериментальное подтверждение правильности формулы.
Качественные опыты с взаимодействием проводников и магнитов можно проводить и в домашних условиях. Чтобы усилить эффект и сделать его явным, нужно увеличивать параметры в формуле для силы Ампера: силу тока, длину проводника, напряженность поля.
5. Использование силы Ампера в электрических машинах
Одним из примеров практического использования явления силы Ампера является электродвигатель. Его работа основана на повороте рамки с током в магнитном поле под действием сил Ампера.
Рассмотрим задачу расчета параметров такого двигателя. Для этого нужно задаться характеристиками механической нагрузки и выбрать конструктивные параметры рамки (число витков, материал и т.п.). Исходя из этого, рассчитать по формулам, при каком значении тока и магнитной индукции будет получена необходимая сила и крутящий момент.
Кроме электродвигателя, сила Ампера в чистом виде может наблюдаться в экспериментальных установках, например в масс-спектрометре и циклотроне. Она также лежит в основе исследований по явлению синхротронного излучения.
6. Исторический очерк развития исследований силы Ампера
Взаимодействие электрического тока и магнитного поля изучается уже более двух веков. За это время было приложено немало усилий для выяснения природы явления силы Ампера. Рассмотрим вкратце основные вехи в развитии представлений об этом эффекте с начала XIX века до наших дней.
Первые четкие опыты с взаимодействием поля и тока были сделаны Эрстедом и Ампером. Однако количественная теория появилась намного позднее – в середине столетия. Только с открытием законов Максвелла во второй половине XIX века стал возможен современный математический подход.
Параллельно развивалась и экспериментальная база. Уже в XX веке стали появляться новые классы приборов, основанных на принципе силы Ампера – масс-спектрометры, бетатроны и т.п.
И сегодня исследования продолжаются – дальнейшее изучение фундаментальных законов электродинамики позволяет усовершенствовать имеющиеся технические решения и создать новые.
7. Современное состояние и перспективы развития
На протяжении XIX-XX веков накопилось множество знаний о явлении силы Ампера, были разработаны теоретические основы. Сегодня это позволяет использовать эффект в самых разнообразных технологических приложениях – от промышленных электродвигателей до медицинских аппаратов.
Однако хотя фундаментальные открытия в этой области, видимо, уже сделаны, остается еще достаточно вопросов в части практического применения законов. Возможно, в будущем появятся принципиально новые инженерные решения с использованием силы Ампера. Поэтому исследования представляются весьма перспективными.