Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Направление силы Ампера. Взаимодействие токов. Эталон Ампера. Силы, действующие на контур с током в магнитном поле.

Электрическое взаимодействие зависит от наличия зарядов и от их величины. Магнитное взаимодействие возникает только при наличии токов и зависит от их величины. Проводники с сонаправленными токами притягиваются, с противоположно направленными токами - отталкиваются. Если заряженное тело находится внутри замкнутой металлической оболочки, электрического действия на него других зарядов не наблюдается, тогда как магнитное действие на экранированный таким образом проводник сохраняется.

Взаимодействие проводников с током обусловлено возникновением вокруг них магнитного поля. Магнитное поле возникает вокруг проводника с током всегда, даже если нет другого проводника и отследить действие поля таким способом нельзя.

Количественной характеристикой магнитного поля служит специальная физическая величина - напряженность магнитного поля H. С напряженностью связана также еще одна характеристика магнитного поля - индукция В. Между ними существует соотношение:

B=₀H,

 - магнитная проницаемость вещества.

Индукция и напряженность являются векторами.

Направление этих векторов подчиняется правилу правого буравчика: направление магнитного поля совпадает с направлением движения конца рукоядуи буравчика с правой нарезкой, движущегося поступательно в направлении тока.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна силе тока в проводнике I, магнитной индукции B, длине проводника L и синусу угла между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитной индукции  (Закон Ампера):

F=BLIsin.

Ампера закон, закон механического (пондеромоторного) взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Сила F ₁₂ , действующая со стороны первого отрезка проводника D l ₁ на второй D l ₂ (рис. 1), равна:

Расстояние между отрезками r ₁₂считается направленным от первого отрезка ко второму, а направлениям отрезков приписываются направления текущих в них токов I ₁ и I ₂;u₁ — угол между направлениями D l ₁ и r ₁₂; u₂ — угол между D l ₂ и перпендикуляром n к плоскости, содержащей D l ₁ и r ₁₂ (направление n совпадает с поступательным движением буравчика при вращении его рукоятки от D l ₁ к r ₁₂); k — коэффициент, зависящий от выбора системы единиц.

Сила взаимодействия элементов проводников с током (элементов тока) не является центральной: направление силы F ₁₂ не совпадает с прямой, соединяющей отрезки. Эта сила перпендикулярна отрезку D l ₂ и лежит в плоскости, содержащей D l ₁ и r ₁₂. Направление силы определяется правилом буравчика: при вращении рукоятки буравчика от r ₁₂ к n поступательное движение буравчика совпадает с направлением силы.

В системе единиц СГС (Гаусса) k = 1/ с², где с = 3´10¹⁰ см/сек — скорость света в вакууме. В системе СИ k = m₀/4p, где m₀ = 4p´10^-7 гн/м — магнитная проницаемость вакуума.

Сила F ₂₁, с которой второй элемент тока действует на первый, выражается формулой, аналогичной (1). По абсолютной величине силы F ₁₂ и F ₂₁ равны. Однако в общем случае произвольно ориентированных друг относительно друга D l ₁ и D l ₂ направления сил F ₁₂ и F ₂₁ не лежат на одной прямой и не удовлетворяют принципу равенства действия и противодействия.

В частном случае параллельных проводников силы взаимодействия стремятся сблизить проводники, если текущие в них токи параллельны (рис. 2, а), и удалить их друг от друга, если токи антипараллельны (рис. 2, б). Таким образом, параллельные токи притягиваются, а антипараллельные — отталкиваются.

А. з. называют также формулу, определяющую силу F, с которой магнитное поле, характеризуемое вектором магнитной индукции B, действует на элементарный отрезок проводника D l, по которому течёт ток силы I:

F = kI D l ´ B ´sinu

где u — угол между направлениями D l и B. В системе Гаусса k = 1/ с, в системе СИ k = 1. Формула (2) получается из формулы (1), если в ней выделить часть, не содержащую величин, относящихся ко второму элементу тока, и под В понимать магнитную индукцию, созданную первым элементом тока в точке, где расположен второй элемент тока (см. Био — Савара закон).

В случае постоянного тока нельзя изолировать отдельный элемент тока, так как цепь постоянного тока всегда замкнута. Экспериментально можно лишь измерить силовое действие одного замкнутого тока на другой замкнутый ток или же силу, испытываемую одним током в магнитном поле, создаваемом другим током. Эта сила равна векторной сумме сил, действующих на каждый элемент тока со стороны магнитного поля другого тока (при этом магнитное поле есть результирующее поле всех элементов тока). Для равнодействующих сил, испытываемых взаимодействующими замкнутыми токами, принцип равенства действия и противодействия оказывается справедливым.

На А. з. основан эталон единицы силы тока — ампера, осуществляемый в виде токовых весов.

 

СИЛА АМПЕРА

- это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индуции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Примеры:

или