Формулировка закона Ампера и его применение

Закон Ампера — что показывает

Магнитные явления используют в качестве основы для проектирования электротехнических устройств. Современные модели электродвигателей, генераторов, электромеханической аппаратуры функционируют по принципу взаимодействия электрического тока и окружающих его магнитных полей. Данные взаимосвязи описаны в известном законе Ампера, который получил название в честь своего первооткрывателя.

Влияние электричества на положение магнитной стрелки первым в истории выявил Х.К. Эрстед. Исследователь определил перпендикулярность магнитного поля относительно вектора электрического тока. Выводы Эрстеда получили развитие в работах Андре-Мари Ампера, установившего взаимодействие электричества не только с магнитами, но и между собой.

Ценность научных трудов Ампера заключается в теоретическом обосновании взаимного влияния токов и представлении выражения, с помощью которого можно рассчитать силы данного взаимодействия.

Путем постановки эксперимента Ампер заметил, что два проводника, по которым протекает постоянный ток, притягиваются (в случае однонаправленных токов) или отталкиваются (при противоположных токах).

Рассматриваемые силы взаимодействия прямо пропорциональны параметрам токов и обратно пропорциональны расстоянию, на которое удалены проводники друг от друга.

Формула для расчета Амперовой силы на единицу длины имеет вид:

где F – сила;

I1, I2 – величина тока в проводниках;

μ – магнитная проницаемость среды, которая окружает проводники.

Природа взаимодействия – магнитное поле, как результат перемещения по проводникам электрических зарядов.

С помощью мнемонического правила буравчика определяют, как линии магнитной индукции ориентированы в пространстве. В процессе ввинчивания буравчика в сторону, совпадающую с направлением вектора электрического тока, по движению концов его рукоятки можно определить направление векторов индукции.

Таким образом, в проводниках, токи которых одинаково ориентированы, направления векторов магнитной индукции будут одинаковы, а значит, векторы сил направлены навстречу друг к другу, что и вызывает притяжение.

Подобное взаимодействие можно наблюдать не только между проводниками, но и с магнитными полями любой природы. В том случае, когда такой проводник помещают в магнитное поле, на элемент в зоне действия магнита воздействует сила, именуемая Амперовой:

Рассчитать модуль Амперовой силы можно с помощью уравнения:

dF = I*B*L*sinα

где α — угол, образованный векторами индукции и ориентацией тока.

Рассматриваемая зависимость является пояснением к закону Ампера.

Достаточно просто прийти к выводу, что при α = 90°, sinα = 1. В этом случае величина F приобретает максимальное значение:

F = B*L*I

где L– длина проводника, на которое оказывает воздействие магнитное поле.

Следствия, вытекающие по смыслу из закона Ампера:

• проводник с током реагирует на магнитные поля;
• действующая сила прямо пропорционально зависит от характеристик тока, величины магнитной индукции и габаритов проводника.

Максимальное действие магнитных сил можно наблюдать при расположении проводника под углом 90° к линиям магнитной индукции:

Единицы измерения, границы применимости

В том случае, когда рассматривают прямолинейный проводник, силу Ампера можно рассчитать по формуле:

\(\vec{F_{A} }=I*\vec{B}*\vec{l}*\sin \alpha\)

где I – является силой тока, текущего по проводнику;

\(\vec{B}\) – представляет собой вектор индукции магнитного поля с помещенным в него проводником;

l - длина проводника в поле, направление задано направлением тока;

\(\alpha\) – является углом между векторами \(\vec{B}\) и \(\vec{l}\)

Границы применимости данной формулы:

• длина проводника имеет такое значение, при котором индукцию во всех точках проводника можно считать одинаковой;
• однородное магнитное поле при любой длине проводника, но при этом проводник полностью расположен в поле.

В том случае, когда проводник некой формы обладает произвольными размерами, а поле не является однородным, формула для определения силы Ампера имеет вид:

\(d\vec{F_{A} }=I*\vec{B}*d\vec{l}*\sin \alpha\)

Закон Ампера является основанием для расшифровки единиц силы тока в системах СИ и СГСМ. Ампер соответствует силе постоянного тока, который в процессе течения по паре параллельных бесконечно длинных прямолинейных проводников, обладающих бесконечно малым круговым сечением и удаленных друг от друга на расстояние 1 метр, в вакуумной среде формирует силу взаимодействия между данными проводниками, равную \(2*10^{-7}\)H на каждый метр длины.

Амперы переводят в ватты для расчета мощности тока. Подобные действия являются относительными, так как в данном случае единицы измерения разные. Амперы являются физической величиной силы электрического тока, то есть определяют скорость, с которой электричество проходит через кабель.

Ватт представляет собой величину электрической мощности, или скорость, с которой потребляется электрическая энергия.

Представить формулировку ампера, исходя из связи с другими электрическими единицами, можно с помощью примеров:

• если сила тока равна 1 амперу (А), то через поперечное сечение проводника в течение 1 секунды проходит заряд в 1 кулон (Кл);
• в том случае, когда подается заряд силой 1 ампер к обкладкам конденсатора с емкостью 1 Ф, напряжение на пластинах будет расти, увеличиваясь каждую секунду на 1 В;
• емкость гальванических источников и аккумуляторов измеряют в ампер-часах (А*ч, или А*h), 1 А*ч = 3660 Кл, данное количество электрического тока протекает через проводник в течение 1 часа;
• выпрямители или блоки питания характеризуются вторым по значению параметром в виде максимальной мощности (ватт), которую маркируют, как В*А;
• величина электричества в разряде молнии ориентировочно составляет 500 килоампер (1 кА = 10³ А);
• лампа накаливания мощностью 0,1 киловатт (кВт) потребляет 0,5 А.

Умение переводить амперы в ватты пригодится для определения типа устройств, которые способны выдержать мощность подключаемых потребителей. К ним относят защитную и коммутационную аппаратуру. Перевод одних единиц измерения в другие осуществляют с помощью формулы:

I = P/U

где I — амперы;

P — ватты;

U — вольты, в которых измеряют напряжение сети.

В помещениях жилого назначения используют однофазную сеть в 220 В. На производственных предприятиях для того, чтобы подключить промышленное оборудование, необходимо проложить электрическую трехфазную сеть в 380 В.

С помощью формулы определяют соответствие ампер ваттам и наоборот, переводят ватты в амперы. Формулу с напряжением и силой тока используют в процессе подбора типа кабеля по мощности и силе тока. Таблица демонстрирует соответствие тока сечению провода (в квадратных миллиметрах):

Перевод ватт в амперы выполняют тогда, когда требуется установить защитное устройство и определить его номинальный ток. С помощью таблицы можно выявить соответствие скорости потребления электрической энергии силе тока в случае однофазной и трехфазной сети:

Рассмотреть действие силы Ампера можно с помощью практического опыта. Для эксперимента понадобится магнит-подкова, между полюсами которого необходимо разместить проводник. При замыкании ключа проводник приводится в движение, смещаясь от начального равновесного положения. Таким образом, меняя направление пропускания тока, можно заметить, что в зависимости от направления движения изменяется направление, в котором отклоняется проводник.

Данный эксперимент позволяет сделать несколько выводов:

• магнитное поле оказывает воздействие только на проводник с током;
• на проводник с током в магнитном поле действует сила, которая возникает в результате их взаимодействия, что приводит проводник в движение в границах магнитного поля;
• характер взаимодействия прямо зависит от напряжения электрического тока и силовых линий магнитного поля;
• поле не оказывает воздействия на проводник с током в том случае, когда ток в проводнике течет параллельно направлению линий поля.

Направление силы Ампера

Сила является векторной величиной, направление которой можно определить. Предположим, что проводник с током находится между двумя магнитными полюсами и расположен под прямым углом к линиям магнитной индукции. Согласно закону Ампера, на проводник действует сила, которая равна:

F = B*L*I

Направление вектора данной силы можно определить с помощью векторного произведения:

В том случае, когда полюса магнита находятся в неподвижном состоянии, то есть статичны, векторное произведение определяется только параметрами электричества, в частности, его направлением. Выяснить, как направлена сила Ампера, можно с помощью известного правила левой руки.

Если представить, что направление электрического тока изменилось, то направление вектора силы Ампера поменяет направление на противоположное. Модуль вектора зависит прямо пропорционально от всех сомножителей. Однако на практике данная величина регулируется путем изменения параметров в электрической цепи, к примеру, с целью регулировки мощности электрического двигателя.

Применение закона Ампера на практике

Следствия закона Ампера активно используют в разработке электромеханического оборудования, функционирование которого предусматривает приведение в движение рабочих компонентов. Наиболее распространенным примером таких устройств является электрический двигатель, работающий на основе закона Ампера. Электромоторы нашли широкое применение практически во всех сферах деятельности человека:

• на производстве, в качестве приводов станков и разного оборудования;
• в электрических инструментах и бытовой электротехнике;
• в транспортных средствах;
• в автоматических устройствах, офисной технике.

Из закона Ампера следует возможность получения электрического тока с помощью перемещения проводников, которые находятся в магнитном поле. Данный принцип взят за основу при построении генераторов электрического тока. Такая уникальная возможность позволяет получить доступ к применению электроэнергии для решения разных инженерных задач.

С проявлениями закона Ампера можно встретиться повсеместно. К примеру, просмотр передач по телевизору сопровождается звуком, транслируемым с помощью динамиков. Работа диффузора динамика возможна благодаря действию силы Ампера.

В процессе телефонного разговора также задействованы динамик и микрофон. Современные микрофоны функционируют на основе закона Ампера. Вход в помещение через автоматическую раздвижную дверь, поднятие на лифте, поездка в троллейбусе, трамвае, запуск двигателя автомобиля – все это было бы невозможным при отсутствии взаимодействия электрического тока с силами магнитной индукции.