Министерство образования Пензенской области
Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Пензенской области
"Пензенский колледж транспортных технологий"
Реферат
По дисциплине: физика
"Сила Ампера"
Выполнила: Салмина Алина
Лунино 2019г.
Введение
На основе магнитных явлениях построено действие электротехнических устройств. Все современные электромоторы, генераторы и множество других электромеханических приборов работают по принципу взаимодействия электрического тока с окружающими его магнитными полями. Эти взаимодействия описывает знаменитый закон Ампера, названный так в честь своего первооткрывателя.
Влияние электричества на поведение магнитной стрелки впервые обнаружил Х.К. Эрстед. Он заметил, что вопреки ожиданию, магнитное поле не параллельно вектору тока, а перпендикулярно ему. Развивая выводы Эрстеда, и продолжая исследования в этом направлении, Мари Ампер установил, что электричество взаимодействует не только с магнитами, но и между собой. Заслуга Ампера в том, что он теоретически обосновал взаимное влияние токов и предоставил формулу, позволяющую вычислять силы этого взаимодействия.
Ампер открыл перед человечеством такие возможности, без которых развитие научно-технического прогресса было бы невозможным. Влияние этого закона в электротехнике сравнимо с законами Ньютона, которые в своё время совершили революцию в механике. В этом огромная заслуга учёного-физика Мари Ампера, труды которого увенчались открытием в 1820 г. знаменитого закона. Экспериментальным путём Ампер установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение (однонаправленные токи) либо отталкивание (если направления противоположные). Эти силы взаимодействия определяются параметрами токов (прямо пропорциональная зависимость), и расстоянием между проводниками (обратно пропорциональная зависимость).
Трудно представить нашу современную жизнь без электричества, ведь исчезни оно, это бы мгновенно привело к глобальным катастрофическим последствиям. Так что в любом случае с электричеством мы отныне не разлучные. А вот для того, чтобы иметь с ним дело нужно знать определенные физические законы, одним из которых, безусловно, является закон Ампера. А пресловутая магнитная сила Ампера - главная составляющая этого закона.
Итак, давайте сформулируем закон Ампера: в параллельных проводниках, где электрические токи текут в одном направление, появляется сила притяжения. А в проводниках, где токи текут в противоположных направлениях, наоборот возникает сила отталкивания. Если же говорить простым житейским языком, то закон Ампера можно сформулировать предельно просто "противоположности притягиваются", и ведь в реальной жизни (а не только физике) мы наблюдаемо подобное явление, не так ли?
Но вернемся к физике, в ней также под законом Ампера понимают закон, определяющий силу действия магнитного поля на ту часть проводника, по которой протекает ток.
Что такое сила Ампера
Из самого закона Ампера сделаны выводы, что сила Ампера равняется нулю, если величина угла, расположенного между током и линией магнитной индукции, тоже будет равняться нулю.
Другими словами, проводник для достижения нулевого значения должен быть расположен вдоль линии магнитной индукции. Это сила, с которой магнитное поле влияет на часть проводника, по которому течёт ток.
Сам проводник находится в магнитном поле. Сила Ампера прямо зависит от силы тока в проводнике и векторного произведения длины части проводника, множимого на магнитную индукцию.
Собственно сила ампера и является той силой действия магнитного поля на проводник, по которому идет ток.
Сила Ампера вычисляется по формуле как результат умножения плотности тока, идущего по проводнику на индукцию магнитного поля, в котором находится проводник.
Единица измерения силы - Н (ньютон).
Основной единицей измерения силы Ампера (как и любой другой силы) в системе СИ является: [FA]=H
В СГС: [FA]=дин
Сила Ампера - векторная величина. Сила Ампера принимает своё наибольшее значение когда векторы индукции и направления тока перпендикулярны.
Правило левой руки
Направление силы ампера определяют по правилу левой руки:
Если вектор магнитной индукции входит в ладонь левой руки и четыре пальца вытянуты в сторону направления вектора движения тока, тогда отогнутый в сторону большой палец показывает направление силы Ампера.
Исторически электрическим током принято считать движение положительного заряда, то есть направление сила тока - от плюса к минусу.
Правило левой руки предназначено для того, чтобы помочь запомнить, куда направлена сила Ампера.
Оно звучит следующим образом: если рука занимает такое положение, что линии самой магнитной индукции внешнего поля заходят в ладонь, а пальцы с мизинца по указательный указывают направление в сторону движения тока в проводнике, то отторгнутый под углом в 90 градусов большой палец ладони и будет указывать, куда направлена сила Ампера, действующая на элемент проводника.
Примерно так выглядит правило левой руки на этой схеме.
1) Вектор индукции "входит" в ладонь; 2) четыре пальца сонаправлены с током; 3) большой палец указывает направление силы Ампера.
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 стоком (элемент тока). В его честь эту силу назвали силой Ампера.
Взаимодействие двух проводников с током
Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, в это поле помещается второй проводник с током, а значит на него будет действовать сила Ампера. Направление силы Ампера зависит от направления линий индукции магнитного поля, которое в свою очередь зависит от направления тока в проводнике. магнитный проводник ток
Сила Ампера, её направление и величина
Существенным отличием от электрического поля, где сила взаимодействия зависит только от величины заряда и расстояния между ними, является то, что в магнитном поле существует ряд факторов, а также несколько сил, которые действуют на проводник с током и частицы в магнитном поле.
Одной из таких сил является сила Ампера. Данная сила действует на любой проводник, по которому бежит ток. Вокруг всех частиц, которые имеют направленное движение, действуют силы, в результате чего на весь проводник действует некоторая сила.
Для науки представляют огромную ценность полученные знания, которые в последствие могут найти своё практическое применение. Новые открытия не только расширяют исследовательские горизонты, но и ставят новые вопросы, проблемы.
Выделим основные открытия Ампера в области электромагнетизма:
Взаимодействия проводников с током
Два параллельных проводника с токами притягиваются друг к другу, если токи в них сонаправлены и отталкиваются, если токи в них противонаправлены.
Закон Ампера гласит:
Сила взаимодействия двух параллельных проводников пропорциональна произведению величин токов в проводниках, пропорциональна длине этих проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними.
F - сила взаимодействия двух параллельных проводников,
I1, I2 - величины токов в проводниках,
?? ? длина проводников,
r - расстояние между проводниками.
Открытие этого закона позволило ввести в единицы измерения величину силы тока, которой до того времени не существовало. Так, если исходить из определения силы тока как отношения количества заряда перенесённого через поперечное сечение проводника в единицу времени, то мы получим принципиально не измеряемую величину, а, именно, количество заряда, переносимое через поперечное сечение проводника.
На основании этого определения не сможем ввести единицу измерения силы тока. Закон Ампера позволяет установить связь между величинами сил тока в проводниках и величинами, которые можно измерить опытным путём: механической силой и расстоянием. Таким образом, получена возможность ввести в рассмотрение единицу силы тока - 1 А (1 ампер).
Ток в один ампер - это такой ток, при котором два однородных параллельных проводника, расположенные в вакууме на расстоянии один метр друг от друга взаимодействуют с силой 2•10-7 Ньютона.
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 б между направлением тока и вектора индукции магнитного поля
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 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 (B? B>) входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока (I), тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера (F? A F>A) (рис. 1, а, б).
а
б
Рис. 1
Поскольку величина B•sin б представляет собой модуль компоненты вектора индукции, перпендикулярной проводнику с током, B? ? B>? (рис. 2), то ориентацию ладони можно определять именно этой компонентой - перпендикулярная составляющая к поверхности проводника должна входить в открытую ладонь левой руки.
Рис. 2
Из (1) следует, что сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.
Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике.
Электродвигатели и генераторы, устройства для записи звука в магнитофонах, телефоны и микрофоны - во всех этих и во множестве других приборов и устройств используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.д.
Закон Ампера
Элементарная сила Ампера определена законом (или формулой) Ампера:
где I - сила тока, - малый элемент длины проводника - это вектор, равный по модулю длине проводника, направленный в таком же направлении как вектор плотности тока, - индукция магнитного поля, в которое помещен проводник с током.
Иначе эту формулу для силы Ампера записывают как:
где - вектор плотности тока, dV - элемент объема проводника.
Модуль силы Ампера находят в соответствии с выражением:
где - угол между векторами магнитной индукции и направление течения тока. Из выражения (3) очевидно, что сила Ампера максимальна в случае перпендикулярности линий магнитной индукции поля по отношению к проводнику с током.
Силы, действующие на проводники с током в магнитном поле
Из закона Ампера следует, что на проводник с током, равным I, действует сила равная:
где магнитная индукция, рассматриваемая в пределах малого кусочка проводника dl. Интегрирование в формуле (4) проводят по всей длине проводника (l). Из выражения (4) следует, что на замкнутый контур с током I, в однородном магнитном поле действует сила Ампера равная
Сила Ампера, которая действует на элемент (dl) прямого проводника с током I1, помещённый в магнитное поле, которое создает другой прямой проводник, параллельный первому с током I2, равна по модулю:
где d - расстояние между проводниками, Гн/м(или Н/А 2) - магнитная постоянная. Проводники с токами одного направления притягиваются. Если направления токов в проводниках различны, то они отталкиваются. Для рассмотренных выше параллельных проводников бесконечной длины сила Амперана единицу длины может быть вычислена по формуле:
Формулу (6) в системе СИ применяют для получения количественного значения магнитной постоянной.
Применение силы Ампера
Закон Ампера, а точнее следствия, вытекающие из него, используются в каждом электромеханическом устройстве, где необходимо вызвать движение рабочих элементов.
Самым распространённым механизмом, работа которого базируется на законе Ампера, является электродвигатель. Именно благодаря силе Ампера работают сегодня многие электрические машины, в которых проводники с током взаимодействуют друг с другом и с электромагнитным полем.
Подавляющее большинство генераторов и моторов так или иначе используют в своей работе силу Ампера. Роторы электродвигателей вращаются в магнитном поле их статоров благодаря силе Ампера.
Применение силы Ампера в современном мире очень широкое, можно даже без преувеличение сказать, что мы буквально окружены силой Ампера. Например, когда вы едете в трамвае, троллейбусе, электромобиле, его в движение приводит именно она, сила Ампера.