Сила Ампера

Магниты и проводники с током изменяют пространство вокруг себя – в нем появляется магнитное поле. Оно характеризуется вектором магнитной индукции. То, что в данной точке пространства есть магнитное поле, можно определить, поместив в нее магнитную стрелку. Она повернется северным полюсом в направлении вектора B. Значит, на нее действует сила со стороны поля. Простейшим проявлением этой силы является действие поля на провод с током. Выясним, что это за сила. В электрическом поле все было очень просто. Сила действовала в направлении напряженности поля или против нее, величина силы находилась по формуле . Описание магнитной силы сложнее.

Начнем с того, что сила, действующая со стороны магнитного поля на ток, зависит от взаимной ориентации тока и вектора B. Если ток и вектор B параллельны, то сила равна нулю. Сила максимальна, если ток перпендикулярен полю B (рис), в этом случае сила Ампера будет вычисляться по формуле

Она направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат проводник с током и вектор B. Ясно, что она должна расти с увеличением I и B. Ясно, что она увеличивается при увеличении длины проводника L, поскольку в нем будет больше движущихся заряженных частиц. На втором рисунке направление тока – из чертежа (изображено острием стрелочки). Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Поместив левую руку так, чтобы вектор индукции входил в ладонь, а 4 пальца – вдоль направления тока, отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера. Если же ток и вектор индукции образуют угол α, отличный от прямого, то формула учитывает их взаимное расположение следующим образом

Эту формулу нельзя вывести, она отражает физическое устройство мира, на которое человеческий разум не в силах повлиять. Он может лишь изучать его. Именно благодаря этой силе удалось правильно объяснить притяжение двух параллельных проводников. На рисунке показан вектор магнитной индукции поля B, создаваемого током I₁ в месте расположения тока I₂. Как известно из прошлой лекции величина B вычисляется как . Поэтому сила, действующая на второй ток, согласно правилу левой руки будет направлена к току I₁. Поскольку ток I₂ и B перпендикулярны, то синус угла между ними примет максимальное значение 1, тогда величина силы Ампера будет . Теперь понятно, как можно определить ампер как единицу силы тока. Током в 1А назовем такой ток, что при I₁= I₂=1А, проводники с длиной L=1м, удаленные друг от друга на x=1м, будут притягиваться с силой F= 2•10^-7 H. Выбор этой силы совершенно произволен. Поскольку единица силы тока ампер является основной, ее выбор ничем не обусловлен, разве что историческими обстоятельствами. Однако, теперь постоянная μ₀ определяется выбором этой единицы. Действительно, .

Поэтому μ₀=4π•10^-7=1.257•10^-6.

Рассмотрим действие магнитного поля на виток с током. Для удобства представим его в виде рамки, которая может вращаться вокруг своей вертикальной оси.

Если рамка повернута так, что поле перпендикулярно ее плоскости (рис. 1), силы Ампера (правило левой руки) не будут ее поворачивать, а лишь сжимать. Это положение равновесия рамки. Поскольку такое положение рамки соответствует положению магнитной стрелки, перпендикулярной плоскости рисунка, понятно, почему магнитная стрелка устанавливается в направлении B. Это положение равновесия рамки и стрелки (продольного магнита). Поскольку магнитные поля этих источников аналогичны.

 

Но если поле B лежит в плоскости рамки (рис. 2-3), то силы, перпендикулярные рисунку будут стремиться повернуть рамку, приводя ее в движение. Получен простейший электродвигатель – устройство, преобразующее электроэнергию в энергию механического движения.

 

На рисунке изображена рамка, ось которой перпендикулярна чертежу. Рамка помещена в постоянное магнитное поле подковообразного магнита. Основной проблемой такого двигателя является то, что, пройдя положение, отмеченное пунктирной линией, сила F начнет тормозить рамку. Чтобы сила F поменяла направление и продолжила раскручивать рамку (как изображено на рисунке), ток в рамке, после прохождения пунктирной линии должен сменить направление на противоположное. (показано на втором рисунке). Это выполняется с помощью специальных подводящих контактов – щеток (Перышкин-8, стр. 144). Поэтому сила Ампера будет вращать рамку все время в одну сторону на всей окружности.