Закон ампера простыми словами: определение, формула, применение

Великий учёный

Имя André-Marie Ampère увековечено среди имён других 72 учёных на первом этаже Эйфелевой башни. Его вклад в науку заложил фундамент для понимания явлений электромагнетизма. Хоть Андре-Мари был не первым человеком, обнаружившим связь между электричеством и магнетизмом, он впервые попытался теоретически объяснить и продемонстрировать, как в математических выражениях расписывается связь между этими явлениями. Ампер с помощью устройства собственного изобретения смог измерить ток, а не просто зафиксировать его присутствие.

Учёный родился в Лионе в 1775 году и был современником Французской революции. Будучи сыном коммерсанта и чиновника, он с ранних лет проявлял страсть к математике, а став подростком, читал сложные трактаты Эйлера и Лагранжа. Получил должность профессора математики Парижской политехнической школы в 1809 году, а в 1814 г. был избран членом Академии наук. Хоть Андре-Мари преподавал математику, его интересы распространялись на многие области, в том числе на химию и физику.

Наиболее значимый документ Ампера по теории электричества был опубликован в 1826 году. Теоретические основы, представленные в этом труде, стали фундаментом для дальнейших открытий в области электричества и магнетизма. Получив известность и признание в высокоуважаемых академиях и научных организациях мира, Ампер избегал публичности и чувствовал себя счастливым только в скромной лаборатории в Париже.

Несмотря на достижения и место в обществе, судьба учёного сложилась довольна трагично. В 1793 году его отца гильотинировали за политические убеждения. Это событие стало причиной глубокой депрессии Андре-Мари и едва не свело его с ума. Первая жена рано ушла из жизни после продолжительной болезни, второй брак был неудачным и несчастливым. Сам Ампер умер в 1836 году от воспаления лёгких в Марселе и был похоронен на кладбище Монмартр в Париже.

Электрический ток

Электричеством называют форму энергии, основанной на наличии электрических зарядов в веществе. Вся материя состоит из атомов, а атомы содержат заряженные частицы. Каждый протон в атомном ядре содержит одну единицу положительного электрического заряда, а каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, несёт в себе единицу отрицательного. Электрические явления возникают, когда электроны покидают атомы: потеря одного или нескольких из них превращает атом в положительно заряженный ион. Все явления, происходящие с зарядами, могут быть отнесены к двум основным категориям:

• статическое электричество;
• электрический ток.

Первый термин описывает поведение зарядов в состоянии покоя. Подобные явления хорошо иллюстрируют наэлектризованные волосы — они будут отталкиваться друг от друга, поскольку обладают одним зарядом.

Электрический ток имеет отношение к поведению зарядов в движении. Чтобы они перемещались непрерывно, им нужно обеспечить беспрепятственный маршрут. Путь для зарядов называют электрической цепью. Простейшая электрическая цепь, как правило, состоит из следующих элементов:

• источника;
• нагрузки;
• соединяющих проводников.

Электрическим током называют любое движение носителей электрических зарядов: субатомных частиц (электронов или протонов), ионов (атомов, потерявших или набравших электроны) или квазичастиц (дырок в полупроводниках, которые можно рассматривать в качестве положительно заряженных носителей).

Ток в проводнике представляет собой движение электронов в одном направлении (постоянный) или с периодической сменой направления движения (переменный). В газах и жидкостях он состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных в обратном. Существуют и другие его виды, например, пучки протонов, позитронов или других заряженных мюонов в ускорителях частиц.

В отношении общепринятого направления тока существует некоторое противоречие, основа которого была заложена более двух веков назад. Поскольку в те времена электроны ещё не были обнаружены, учёные предположили, что перемещаемые частицы несли положительный заряд. Традиция обозначать направление тока как направление движения положительных частиц не забыта и сейчас, хоть в проводниках носителями заряда являются электроны.

Единица и определение

Важнейшей характеристикой для описанных явлений является количественное измерение потока заряженных частиц. Этот показатель называют силой тока, его единица измерения — ампер (обозначается A). В численном выражении 1 ампер равен единичному заряду (1 кулону), проходящему через точку в цепи за единицу времени (1 секунду). Таким образом, A можно рассматривать как скорость потока I=Q/T, имеющую такой же смысл для заряда, как и скорость для физических тел. Широко применяются следующие кратные единицы:

• 10 −6А — микроампер мкА;
• 10 −3А — миллиампер мА;
• 10 3А — килоампер кА.

Эволюция эталона

В знак признания фундаментальных работ великого физика André-Marie Ampère название ампер было принято в качестве электрической единицы измерения на международной конвенции в 1881 году. По международному определению 1883 года 1ампером являлся ток, способный при прохождении раствора нитрата серебра выделить 0,001118000 грамм серебра за секунду. Более поздние замеры показали, что принятый эквивалент составлял 0,99985 A, поэтому способы расписать ампер через явления электролиза со временем перестали удовлетворять из-за растущих требований к точности.

С 1948 года A (amper) был определён в Международной системе единиц как неизменяющийся ток, протекающий в двух параллельных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого сечения, помещённых на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, и производящий между ними силу взаимодействия, равную 2х10 -7 ньютонов на метр длины. Это определение базируется на явлении электромагнетизма, связывая метр, килограмм и электрические единицы магнитной постоянной (1.25663706х10 -6 м кг с -2 А -2).

Реализация такого эталона основана на работе сложных электромеханических устройств. Их точность ограничивается десятимиллионными долями, что недостаточно для современных нужд. Эта проблема классического определения ампера привела к новой практической реализации. В соответствии с ней все электрические единицы рассматриваются как производные от электрических квантовых стандартов на основе эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла. Подобная привязка позволяет воспроизводить единицу с точностью до миллиардных долей.

Будущее величины в СИ

В 2005 году Международный комитет мер и весов начал первые приготовления к переопределению единиц СИ с целью привязки их к естественным константам. В соответствии с таким взглядом на эталоны ампер будет определяться подсчётом одиночных частиц с элементарным зарядом e. На основании решения 2014 года пересмотр вступает в силу в 2018 году.

Элегантная реализация нового определения A теоретически возможна с помощью одноэлектронных насосов, производящих электрический ток через синхронизированный контролируемый транспорт одиночных электронов. Некоторые международные исследования в этом направлении уже близки к достижению такой амбициозной цели.

Воздействие на человека

В большинстве случаев электрический ток представляет собой поток электронов. Поскольку ампер является мерой количества заряда, проходящего в секунду, нетрудно будет посчитать количество электронов в перемещённом заряде: 1 Кл = 6,24151·10 18. То есть один ампер равен потоку 6340 квадриллионов частиц в секунду. Это колоссальная цифра, но вряд ли она иллюстративна для сравнительного понимания, когда показатель чего-либо измеряют в амперах. В этом помогут следующие повседневные примеры:

• 160х10 -19 — один электрон в секунду;
• 0,7х10 -3 — слуховой аппарат;
• 5х10 -3 — пучок в кинескопе телевизора;
• 150х10 -3 — портативный ЖК телевизор;
• 0,2 — электрический угорь;
• 0,3 — лампа накаливания;
• 10 — тостер, чайник;
• 100 — стартер автомобиля;
• 30х10 3 — удар молнии;
• 180х10 3 — дуговая печь для ферросплавов;
• 5х10 6 — дуга между Юпитером и Ио.

Порог смертельно опасного воздействия на человеческий организм начинается с 18 мА. Ток, превышающий это значение и проходящий через грудную клетку, способен стимулировать мышцы груди таким образом, что их спазмы могут вызвать полную остановку дыхания. Другой опасный эффект при подобном воздействии связан с фибрилляцией желудочков сердца. Основные факторы летальности:

1. Сила тока. Так как сопротивление между точками входа и выхода — постоянная величина, по закону Ома высокое напряжение делает вероятным высокий ампераж.
2. Маршрут протекания. Наиболее опасны для сердечной мышцы направления рука-рука и передняя-задняя части грудной клетки.
3. Индивидуальная чувствительность к воздействию электричества и особенности организма (сопротивление кожи и её влажность, возраст и пол, заболевания, наличие медицинских имплантов).
4. Продолжительность воздействия.

Большое влияние на тяжесть поражения током оказывает также неспособность отпустить источник. При условии, что пальцы человека держат в руках один из контактов под напряжением, многие взрослые люди не могут отпустить источник при протекающем постоянном токе менее 6 мА. При 22 мА это будет не под силу всем людям. 10 мА для человека, находящегося в воде, достаточно, чтобы вызвать полную потерю контроля над мышцами.

Сила и закон Ампера

На заряд, движущийся в магнитном поле, действует со стороны этого поля сила, называемая силой Лоренца.

Рис. 1. Сила Лоренца.

Если в магнитное поле помещен проводник с током, то силы Лоренца, действующие на движущиеся носители заряда в этом проводнике, складываются в силу, называемую силой Ампера.

Модуль силы Ампера рассчитывается по закону Ампера:

$$F= I |overrightarrow B| Δl sin alpha,$$

где:

• $F$ — модуль силы Ампера;
• $I$ — величина тока в проводнике;
• $B$ — индукция магнитного поля;
• $Δl$ — длина проводника;
• $alpha$ — угол между линиями магнитного поля и направлением тока в проводнике.

Рис. 2. Сила Ампера.

Направление силы Ампера

Обычно действие сил совпадает с направлением движения тел или с направлением на источник силы. В случае с силой Ампера ситуация иная.

Направление действия силы Ампера не совпадает ни с направлением движения тока, ни с направлением вектора магнитной индукции. Сила Ампера направлена перпендикулярно обоим этим направлениям. То есть, если линии магнитного поля направлены по вертикали, а проводник расположен горизонтально слева направо, то сила Ампера будет направлена вдоль линии «вперед-назад». Причем ее направление также будет зависеть от направлений магнитной индукции и электрического тока в проводнике. «Просто запомнить» все направления невозможно. Поэтому для силы Ампера установили специальное мнемоническое правило левой руки.

Правило левой руки

Формулировка правила левой руки для силы ампера звучит так:

Если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения тока в проводнике, а перпендикулярная составляющая индукции $B_{perp}$ входила в ладонь, то отставленный большой палец покажет направление силы Ампера.

Как пользоваться этим правилом? Разберем примеры.

1. Допустим, проводник расположен горизонтально, и ток по нему идет вперед. Следовательно, четыре пальца левой руки надо вытянуть вперед по этому направлению.
2. Теперь допустим, что линии магнитного поля направлены сверху вниз (сверху «север» подковообразного магнита, снизу — «юг»). Следовательно, левую руку надо повернуть ладонью вверх, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь и «прокалывали» ее (четыре пальца по-прежнему должны быть вытянуты вперед).
3. Отставленный большой палец левой руки будет направлен влево. Это и есть направление силы Ампера для данной ситуации.

Другой пример.

1. Пусть проводник расположен вертикально. А магнитное поле направлено справа налево (справа «север» магнита, слева — «юг»).
2. Располагаем левую руку четырьмя пальцами вверх. Ладонь открытой стороной должна «смотреть вправо», чтобы магнитные линии входили и «прокалывали» ее.
3. Отставленный большой палец покажет назад. Именно так и будет направлена сила Ампера в данном случае.

Обратите внимание, что силу Ампера порождает только перпендикулярная составляющая магнитного поля. А значит, руку надо располагать так, чтобы линии магнитного поля всегда входили в нее под углом, максимально близким к прямому.

Особым случаем является ситуация, когда направление тока и магнитной индукции совпадает. В этом случае руку невозможно расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Следовательно, силы Ампера здесь не возникнет. В самом деле, если линии магнитной индукции параллельны направлению тока, то перпендикулярная составляющая этих линий равна нулю, и значение силы Ампера в вышеприведенной формуле также равно нулю.

Рис. 3. Различные случаи применения правила левой руки.

Применение силы 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. Аналогичны лифты, электрические ворота, двери, любые электроприборы, все это работает именно благодаря силе Ампера.

История открытия

Впервые его сформулировал Андре Ампер, который применил закон к постоянному току. Открыт он был в 1820 году. Этот закон в будущем имел далеко идущие последствия, ведь без него представить работу целого ряда электрических приборов просто невозможно.

Сила Ампера (при использовании двух параллельных проводников)

Представьте два бесконечных проводника, которые расположены на определённом расстоянии. По ним протекают токи. Если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются. В противоположном случае они будут отталкиваться один от одного. Поля, которые создают параллельные проводники, направлены встречно друг другу.

И чтобы понять, почему они реагируют именно так, вам достаточно вспомнить о том, что одноименные полюса магнитов или одноименные заряды всегда отталкиваются. Для определения стороны направления поля, созданного проводником, следует использовать правило правого винта.

Единицы мощности

Перевод ватты в амперы и наоборот — понятие относительное, потому как это разные единицы измерения. Амперы — это физическая величина силы электрического тока, то есть скорость прохождения электричества через кабель. Ватт — величина электрической мощности, или скорость потребления электроэнергии. Но такой перевод необходим для того, чтобы рассчитать, соответствует ли значение силы тока значению его мощности.

Связь с другими единицами СИ

Что такое амперы с точки зрения связи между электрическими единицами, можно увидеть на примерах:

• при силе тока в 1 ампер (А) поперечное сечение проводника за одну секунду пропускает через себя заряд в 1 кулон (Кл);
• при подаче заряда силой 1 ампер к обкладкам конденсатора с ёмкостью 1 Ф напряжение на пластинах будет расти, увеличиваясь каждую секунду на 1 В;
• ёмкость гальванических источников и аккумуляторов измеряется в ампер-часах (А*ч, или А*h), 1 А*ч = 3660 Кл, такое количество электричества протекает через проводник за 1 час;
• отдаваемая максимальная мощность (ватт) выпрямителей или блоков питания – вторая по значению характеристика подобных источников, имеет маркировку В*А;
• величина электричества в разряде молнии равна приблизительно 500 килоамперам (1 кА = 10³ А);
• лампочка накаливания мощностью 0,1 киловатт (кВт) потребляет 0,5 А.

Обозначение количества ампер наносится на корпуса автоматических выключателей и предохранителей.

Перевод ампера в ватты и киловатты

Знать, как посчитать соответствие ампер ваттам, нужно для того, чтобы определить, какое устройство способно выдержать мощность подключаемых потребителей. К таким устройствам относят защитную аппаратуру или коммутационную.

Перед тем как выбрать, какой автоматический выключатель или устройство защитного отключения (УЗО) установить, нужно посчитать мощности потребления всех подключаемых приборов (утюг, лампы, стиральная машина, компьютер и т.д.). Или же наоборот, зная, какой стоит автомат или защитное устройство отключения, определить, какое оборудование выдержит нагрузку, а какое нет.

Для перевода ампера в киловатты и наоборот существует формула:

I=P/U,

где I — амперы, P — ватты, U — вольты. Вольты — это напряжение сети. В жилых помещениях используется однофазная сеть — 220 В. На производстве для подключения промышленного оборудования работает электрическая трехфазная сеть, значение которой равно 380 В. Исходя из этой формулы, зная амперы, можно посчитать соответствие ваттам и наоборот — перевести ватты в амперы.

Ситуация: имеется автоматический выключатель. Технические параметры: номинальный ток 25 А, 1-полюс. Нужно посчитать, какую ваттность приборов способен выдержать автомат.

Проще всего технические данные внести в калькулятор и рассчитать мощность. А также можно использовать формулу I=P/U, получится: 25 А=х Вт/220 В.

х Вт=5500 Вт.

Чтобы ватты перевести в киловатты,необходимо знать следующие меры мощности в ватт:

• 1000 Вт = 1 кВт,
• 1000 000 Вт = 1000 кВт = МВт,
• 1000 000 000 Вт = 1000 МВт = 1000000 кВт и т.д.

Значит, 5500 Вт =5,5 кВт. Ответ: автомат с номинальным током 25 А может выдержать нагрузку всех приборов общей мощностью 5,5 кВт, не более.

Применяют формулу с данными напряжения и силы тока для того, чтобы подобрать тип кабеля по мощности и силе тока. В таблице приведено соответствие тока сечению провода:

• Медные жилы проводов и кабелей
• Сечение жилы, мм²
• Медные жилы проводов, кабелей

	Напряжение 220 В	Напряжение 380 В
Ток, А	Мощность, кВт	Ток, А	Мощность, кВт
1,5	19	4,1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
4	38	8,3	30	19,8
6	46	10,1	40	26,4
10	70	15,4	50	33
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66	260	171,6

Как перевести ватт в ампер

Перевести ватт в ампер нужно в ситуации, когда необходимо поставить защитное устройство и нужно выбрать, с каким номинальным током оно должно быть. Из инструкции по эксплуатации ясно, сколько ватт потребляет бытовой прибор, подключаемый к однофазной сети.

Задача рассчитать, сколько ампер в ваттах или какая соответствует розетка для подключения, если микроволновая печь потребляет 1,5 кВт. Для удобства расчета киловатты лучше перевести в ватты: 1,5 кВт = 1500 Вт. Подставляем значения в формулу и получаем: 1500 Вт / 220 В = 6,81 А. Значения округляем в большую сторону и получаем 1500 Вт в пересчете на амперы — потребление тока СВЧ не менее 7 А.

Если подключать несколько приборов одновременно к одному устройству защиты, то чтобы посчитать, сколько в ваттах ампер, нужно все значения потребления сложить вместе. Например, в комнате используется освещение со светодиодными лампами 10 шт. по 6 Вт, утюг мощностью 2 кВт и телевизор 30 Вт. Сначала все показатели нужно перевести в ватты, получается:

• лампы 6*10= 60 Вт,
• утюг 2 кВт=2000 Вт,
• телевизор 30 Вт.

60+2000+30=2090 Вт.

Теперь можно перевести ампер в ватты, для этого подставляем значения в формулу 2090/220 В = 9,5 А ~ 10 А. Ответ: потребляемый ток около 10 А.

Необходимо знать, как перевести амперы в ватты без калькулятора. В таблице показано соответствие скорости потребления электроэнергии силе тока при однофазной и трехфазной сетях.

Ампер (А)	Мощность (кВт)
220 В	380 В
2	0,4	1,3
6	1,3	3,9
10	2,2	6,6
16	3,5	10,5
20	4,4	13,2
25	5,5	16,4
32	7,0	21,1
40	8,8	26,3
50	11,0	32,9
63	13,9	41,4

Определение и формула

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).

Расчёт амперовой силы на единицу длины проводника осуществляется по формуле:

где F – сила, I1, I2 – величина тока в проводниках, а μ – магнитная проницаемость среды, окружающей проводники (см. рис. 1).

Природой взаимодействия является магнитное поле, образованное перемещаемыми по проводникам электрическими зарядами. Под влиянием магнитного поля на электрические заряды возникает сила магнитной индукции, которую обозначают символом B.

Линии, в каждой точке которых касательные к ним совпадают с направлением соответствующих векторов магнитной индукции, получили название линий электромагнитной индукции. Применяя мнемоническое правило буравчика, можно определить ориентацию в пространстве линий магнитной индукции. То есть, при ввинчивании буравчика в сторону, куда направлен вектор электрического тока, движение концов его рукоятки укажет направление векторов индукции.

Из сказанного выше следует, что в проводниках, с одинаково ориентированными токами, направления векторов магнитной индукции совпадают, а значит, векторы сил направлены навстречу друг к другу, что и вызывает притяжение.

Рис. 1. Взаимодействие параллельных проводников

Подобным образом проводники взаимодействуют не только между собой, но и с магнитными полями любой природы. Если такой проводник окажется в магнитном поле, то на элемент, расположенный в зоне действия магнита, будет действовать сила, которую именуют Амперовой:

Для вычисления модуля этой силы пользуются формулой: dF = IBlsinα , где α — угол, образованный векторами индукции и ориентацией тока.

Рассмотренную нами зависимость описывает закон Ампера, формулировка которого понятна из рисунка 2.

Рис. 2. Формулировка закона Ампера

Не трудно сообразить, что когда α = 900, то sinα = 1. В этом случае величина F приобретает максимальное значение: F = B*L*I, где L– длина проводника, оказавшегося под действием магнитного поля.

Таким образом, из закона Ампера вытекает:

• проводник с током реагирует на магнитные поля.
• действующая сила находится в прямо пропорциональной зависимости от параметров тока, величины магнитной индукции и размеров проводника.

Обратите внимание, что на данном рисунке 3 проводник расположен под углом 90º к линиям магнитной индукции, что вызывает максимальное действие магнитных сил.

Рис. 3. Проводник в магнитном поле

Кратные и дольные единицы

Ампер – единица измерения немаленькая. Его дольные единицы обозначают приставками, которые можно найти в международной системе обозначений единиц СИ. На практике используют только несколько кратных единиц для обозначения ампер. Для того чтобы разложить ампер на доли или узнать, сколько маленьких величин в него входит, существует специальная программа – электронный калькулятор-конвертер.

Плотность тока — что это такое и в чем измеряется

Очень маленькие токи исчисляются в тысячных долях ампера – миллиамперах (mА), это 1*10-3А. Ещё меньшее значение этой величины обозначают в микроамперах (μА), это 1 *10-6 А. Электронные схемы современных гаджетов работают с такими величинами.

Нагревательные, осветительные приборы и крупная бытовая техника пропускают через свои цепи токи от 0,1 А и выше.

Интересно. Нервная система человека начинает реагировать на прохождение тока силой от 0,5 мА. Его значение, превышающее 50 мА, уже опасно для здоровья. Действие переменного тока величиной 100 мА в течение 2-3 сек смертельно.

Дольные и кратные единицы количества электричества

При определении эталона и тарировании приборов приходилось измерять величины взаимодействия между парой катушек с обмотками из большого количества витков провода очень малого сечения.

Значение закона Ампера

На основании закона Ампера устанавливают единицы силы тока в системах СИ и СГСМ. Так как ампер равен силе постоянного тока, который при течении по двум параллельным бесконечно длинным прямолинейным проводникам бесконечно малого кругового сечения, находящихся на расстоянии 1м друг от друга в вакууме вызывает силу взаимодействия этих проводников равную ( 2cdot {10}^{-7}Н ) на каждый метр длины.

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 ( 2cdot {10}^{-7} ) Ньютона.

Закон взаимодействия токов – два находящихся в вакууме параллельных проводника, диаметры которых много меньше расстояний между ними, взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению токов в этих проводниках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Сила тока в быту

Для того чтобы защитить бытовые сети от коротких замыканий и перегрузок, в цепь переменного электричества устанавливают автоматы. Это выключатели, рассчитанные на предельные значения, при которых происходит автоматическое разъединение цепи.

Так, автомат, рассчитанный на 2 ампера, выдержит кратковременную нагрузку до 2-х ампер, при кратковременной нагрузке большей, чем 2 А, он выключится. Существует понятие «время токовая характеристика (ВТХ)». Это параметр, который показывает зависимость времени срабатывания устройства от отношения тока, проходящего через выключатель, к его номинальному току срабатывания.

ВТХ имеет буквенные индексы, которые наносятся на корпус автоматического выключателя. Они обозначают кратность установки электромагнитного разъединителя к номинальному току автомата. Это самое маленькое значение, при котором произойдёт мгновенное отключение.

Буквенные индексы, обозначающие ВТХ,  бывают:

• В (3 – 5* In);
• С (5 – 10* In);
• D (10 – 20* In).

При монтаже электрической проводки производится расчёт максимальной мощности потребителей, сечения применяемых проводов. При расчётах следят за тем, чтобы максимальная сила тока не превышала допустимого значения для выбранного сечения.

Закон Ампера простыми словами

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 [1], 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.

Перспективы единицы силы тока в будущем

Когда определено, что такое амперы, можно рассмотреть перспективы этой единицы в будущем. В 2011 году на международной конференции оговорены условия предстоящей ревизии обозначений единиц в системе СИ.

Предложенные новые эталоны должны повысить точность различных измерений в любом временном, метрическом и географическом векторах без утраты точности. Ампер не потерпит особых изменений, кроме того, что его величина станет обозначаться в зависимости от данного числа.

На сегодняшний день ампер – это результат воображаемого процесса, в котором представляют возникновение силы между двумя проводниками безразмерной длины. Практически это невозможно воспроизвести, потому что нет таких длинных и тонких проводов. На конференции решили применить новую идею. Она будет основываться на физических константах или атомных свойствах. Такой физической константой будет заряд электрона.

Внимание! Современное определение: 1 ампер – это движение электронов соответствующее потоку 1/1,6*10-19 элементарных зарядов в 1 секунду.

Практическим инструментом послужит одноэлектронный насос, который позволяет перемещать в течение одного своего цикла фиксированное количество электронов.

В будущем, ампер – это мера силы тока, определение которого перестало описываться вымышленной виртуальной установкой, приобрело прочную, фундаментальную основу.

Проверочные задачи по теме: магнитное взаимодействие токов и сила Ампера

Задача 1. Докажите, что два параллельных проводника, в которых текут токи одного направления, притягиваются.

Анализ задачи:

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, следовательно, каждый из двух проводников находится в магнитном поле другого. На первый проводник действует сила Ампера со стороны магнитного поля, созданного током во втором проводнике, и наоборот. Определив по правилу левой руки направления этих сил, выясним, как вести себя проводники.

Решение:

В ходе решения выполним объяснительные рисунки: изобразим проводники А и В, покажем направление тока в них и др.

Определим направление силы Ампера, действующая на проводник А, находящегося в магнитном поле проводника В.

1. С помощью правила буравчика определим направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного проводником В (рисунок слева). Выясняется, что у проводника А магнитные линии направлены к нам (отметка «•»).
2. Воспользовавшись правилом левой руки, определим направление силы Ампера, действующая на проводник А со стороны магнитного поля проводника В.
3. Приходим к выводу: проводник А привлекается к проводнику В.

Теперь найдем направление силы Ампера, действующая на проводник В, находится в магнитном поле проводника А.

1. Определим направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного проводником А (рисунок справа). Выясняется, что у проводника В магнитные линии направлены от нас (отметка «х»).
2. Определим направление силы Ампера, действующая на проводник В.
3. Приходим к выводу: проводник В привлекается к проводнику А.

Ответ: два параллельных проводника, в которых текут токи одного направления, действительно притягиваются.

Задача 2. Прямой проводник (стержень) длиной 0,1 м массой 40 г находится в горизонтальном однородном магнитном поле индукцией 0,5 Тл. Стержень расположен перпендикулярно магнитных линий поля). Ток какой силы и в каком направлении следует пропустить в стержне, чтобы он не давил на опору (завис в магнитном поле)?

Анализ задачи:

Стержень не будет давить на опору, если сила Ампера уравновесит силу тяжести. Это произойдет при следующих условиях:

1. сила Ампера будет направлена ​​противоположно силе тяжести (то есть вертикально вверх)
2. значение силы Ампера равна значению силы тяжести FA =  Fтяж

Направление тока определим, воспользовавшись правилом левой руки.

Решение:

Определим направление тока. Для этого расположим левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а отогнутый на 90 ° большой палец был направлен вертикально вверх. Четыре вытянутые пальцы укажут направление от нас. Итак, ток в проводнике следует направить от нас.

Учитываем, что FA =  Fтяж.  FA= BIlsinα, где sin α = 1; Fтяж = mg

Из последнего выражения найдем силу тока: I = mg/Bl

Проверим единицу, найдем значение искомой величины.

Ответ: I = 8 А; Ток в направлении от нас.

Подводим итоги

Силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называют силой Ампера. Значение силы Ампера вычисляют по формуле: FA= BIlsinα, где B — индукция магнитного поля; I — сила тока в проводнике; l — длина активной части проводника; α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Для определения направления магнитной силы Ампера используют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутые пальцы указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90 ° большой палец укажет направление силы Ампера.