Закон ампера

Применение

Любые узлы в электротехнике, где под действием электромагнитного поля происходит движение каких-либо элементов, используют закон Ампера.
Принцип работы электромеханических машин (движение части обмотки ротора относительно части обмотки статора) основан на использовании закона Ампера, и самый широко распространённый и используемый чуть ли не во всех технических конструкциях агрегат — это электродвигатель, либо, что конструктивно почти то же самое — генератор. Именно под действием силы Ампера происходит вращение ротора, поскольку на его обмотку влияет магнитное поле статора, приводя в движение.
Любые транспортные средства на электротяге для приведения во вращение валов, на которых находятся колёса, используют силу Ампера (трамваи, электрокары, электропоезда и др).

Также магнитное поле приводит в движение механизмы электрозапоров (электродвери, раздвигающиеся ворота, двери лифта). Другими словами, любые устройства, которые работают на электричестве и имеют движущиеся узлы, основаны на эксплуатации закона Ампера.

Также, он находит применение во многих других видах электротехники, например, в динамическое головке (динамике): в динамике (громкоговорителе) для возбуждения мембраны, которая формирует звуковые колебания используется постоянный магнит, на него под действием электромагнитного поля, создаваемого расположенным рядом проводником с током, действует сила Ампера, которая изменяется в соответствии с нужной звуковой частотой.

Также:

  • Электродинамическое сжатие плазмы; например, в токамаках, установках Z-пинч.
  • .

Уравнения Максвелла

Часть закона Ампера о том, как электрические токи, источники магнитного поля, относятся к самому полю. Другими словами, это (в совокупности с законом Гаусса для магнетизма) точно описывает картину, в которой электрические токи порождают магнитные поля. Поправочная часть Максвелла является значимой, поскольку она говорит, что магнитные поля появляются, когда электрические поля изменяются во времени

Это также важно, поскольку уравнения Максвелла не согласуются без него. С коррекцией термина можно вывести формулы сохранения электрического заряда и предсказать существование электромагнитных волн, которые перемещаются со скоростью

В доходчивой форме закон Ампера принимает участие соответственно линейности уравнений Максвелла и, следовательно, всей теории классической электродинамики. Если взять два токовых распределителя и их совместить, тогда магнитное поле будет представлять собой сумму магнитных полей, производимых каждой конфигурацией.

Регулировочный элемент Максвелла является еще линейным, и, следовательно, электромагнитные волны являются линейными тоже. Они мешают друг другу согласно принципу суперпозиции и проходят прямо сквозь друг друга без рассеяния.

READ  Гост 21021-2000 устройства числового программного управления. общие технические требования

Закон Ампера как релятивистский эффект[ | ]

Электрический ток в проводнике это движение зарядов относительно других зарядов. Данное движение приводит в СТО к эффектам, которые в классической физике объясняются отдельной физической сущностью — магнетизмом. В СТО данные эффекты не требуют введения магнитизма, и, в первом приближении, достаточно рассмотрения кулоновских взаимодействий. Для описания закона Ампера в рамках СТО металлический проводник описывают прямой с некоторой линейной плотностью положительных зарядов и прямой с подвижными зарядами. Заряд инвариантен, поэтому эффект Лоренцева сокращения длины создаёт разницу между плотностью положительных и отрицательных зарядов в изначально нейтральном металлическом проводе. Отсюда и возникновение силы притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током.

Направление силы Ампера

Чтобы определить направление этих сил используют правило левой руки. Для этого нужно раскрытую ладонь левой руки расположить около проводника так, чтобы в неё входили линии вектора индукции магнитного поля, а четыре раскрытых пальца указывали направление протекания тока. Тогда отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Ампера и Лоренца.

Напомним, что направление вектора магнитной индукции определяется с помощью правила правой руки. Для этого нужно обогнуть четыре пальца правой руки вокруг проводника, большой палец отогнуть под прямым углом (словно показываете «класс»), так чтобы он указывал направление тока. Тогда четыре согнутых пальца будут показывать, как проходят линии магнитного поля, они будут описывать окружности вокруг токопроводящей жилы.

Сила тока и расстояние

Следующая часть закона Ампера гласит, что сила магнитного поля зависит от силы тока и расстояния от провода. В результате получается, что, если умножить силу магнитного поля на окружность круга, этот продукт будет пропорционален силе электрического тока. То есть, если удвоить расстояние от провода, линия окружности удваивается, а величина магнитного поля падает в 2 раза.

Но закон Ампера позволяет разобраться с токами, которые производятся в системах более сложных, чем одиночный провод. Но все эти случаи эквивалентны. Это означает, что идея магнитной напряженности поля, умноженной на длину пути, остается полезной и по-прежнему зависит от суммы всех токов внутри контура, который образует путь.

READ  Сравнение элегазового и вакуумного высоковольтного выключателей

Дифференциал

В дифференциальной форме применение закона Ампера происходит в концепции завитков векторной области. Локон — это количественное измерение, векторное поле — это «керлинг» вокруг данной точки. Если брать все меньшие и меньшие циклы вокруг точки и вычислить криволинейный интеграл, результат должен стать примерно пропорциональным площади петли. Коэффициентом пропорциональности является завиток.

Если взять цикл, который не содержат провода, криволинейный интеграл всегда будет равен нулю. Если петли все дальше и дальше, он всегда будет равен нулю. Коэффициент пропорциональности будет равен нулю, и ротор будет равен нолю (если быть точным, то нулевой вектор). Но если находиться внутри провода, то, независимо от того, какие петли, он будет получать ток, протекающий через него. Идея заключается в том, что для бесконечно малого контура только плотность тока в этот момент будет «внутри» него, а так только плотность тока в этой точке будет определять значение криволинейного интеграла. Поэтому ротор должен быть пропорционален плотности тока в данной точке, так как он соотносится по значению криволинейного интеграла по бесконечно малой петле.

Два параллельных проводника

Два бесконечных параллельных проводника в вакууме

Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии r{\displaystyle r} друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}. Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.

В соответствии с законом Био — Савара — Лапласа бесконечный проводник с током I1{\displaystyle I_{1}} в точке на расстоянии r{\displaystyle r} создаёт магнитное поле с индукцией

B1(r)=μ4π2I1r,{\displaystyle B_{1}(r)={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}}{r}},}

где μ{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная постоянная.

Теперь по закону Ампера найдём силу, с которой первый проводник действует на второй:

dF→1−2=I2dl→×B→1(r).{\displaystyle d{\vec {F}}_{1-2}=I_{2}d{\vec {l}}\times {\vec {B}}_{1}(r).}

По правилу буравчика, dF→1−2{\displaystyle d{\vec {F}}_{1-2}} направлена в сторону первого проводника (аналогично и для dF→2−1{\displaystyle d{\vec {F}}_{2-1}}, а значит, проводники притягиваются).

Модуль данной силы (r{\displaystyle r} — расстояние между проводниками):

dF1−2=μ4π2I1I2rdl.{\displaystyle dF_{1-2}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{r}}dl.}

Интегрируем по участку проводника длины L{\displaystyle L} (пределы интегрирования по l{\displaystyle l} от 0 до L{\displaystyle L}):

READ  Конструктивное исполнение электрических сетей напряжением свыше 1000 в

F1−2=μ4π2I1I2r⋅L.{\displaystyle F_{1-2}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{r}}\cdot L.}

Если L{\displaystyle L} — единичная длина, то это выражение задаёт искомую силу взаимодействия.

Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной μ{\displaystyle \mu _{0}}. Действительно, ампер, являющийся одной из СИ, определяется в ней как «сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2⋅10−7ньютона».

Таким образом, из полученной формулы и определения ампера следует, что магнитная постоянная μ{\displaystyle \mu _{0}} равна 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Н/А² или, что то же самое, 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Гн/ м точно.

Примечания

  1.  (недоступная ссылка). Дата обращения 7 ноября 2012.

  2. Etienne Klein, Marc Lachieze-Rey. The Quest for Unity: The Adventure of Physics. — New York: Oxford University Press, 1999. — С. 43-44. — ISBN 0-19-512085-X.
  3. Roger G Newton. From Clockwork to Crapshoot: A History of Physics. — The Belknap Press of Harward University Press, 2007. — С. 137. — ISBN 978-0-674-03487-7.
  4. Maxwell, James Clerk. Treatise on Electricity and Magnetism. — Oxford, 1904. — С. 173.
  5. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 496 с. С.120

История

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед открыл, что провод, по которому идёт ток, создает магнитное поле и заставляет отклоняться стрелку компаса. Он заметил, что магнитное поле перпендикулярно току, а не параллельно ему, как можно было бы ожидать. Ампер, вдохновлённый демонстрацией опыта Эрстеда, обнаружил, что два параллельных проводника, по которым течёт ток, притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, в одну ли или разные стороны по ним идёт ток. Таким образом ток не только производит магнитное поле, но магнитное поле действует на ток. Уже через неделю после объявления Эрстедом о своём опыте, Ампер предложил объяснение: проводник действует на магнит, потому что в магните течёт ток по множеству маленьких замкнутых траекторий.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: