Природу взаимодействия между электричеством и магнетизмом ученые выяснили уже в XIX веке — процесс описывает закон Ампера. Попытаемся углубиться в его суть: разберем физический смысл, математическую формулу, а также узнаем, как он применяется на практике.
Главное о законе Ампера
1. Закон Ампера описывает взаимодействие двух параллельных проводников с током через создаваемые ими магнитные поля.
2. Этот закон был открыт в 1820 году благодаря экспериментам Ганса Христиана Эрстеда и теоретическим выводам Андре-Мари Ампера.
3. Суть закона Ампера: сила взаимодействия между проводниками пропорциональна силе тока, длине проводника, магнитной индукции и синусу угла между ними.
4. Формула закона Ампера: Fₐ = BIℓsinα.
5. Если токи в параллельных проводниках текут в одном направлении, то сами проводники притягиваются друг к другу, а если в противоположных — отталкиваются.
6. Применение закона Ампера можно наблюдать в различных устройствах: электродвигателях, генераторах, магнитно-резонансной томографии.
7. Знание закона Ампера важно для понимания работы электромагнитных устройств и их применения в современной технике и медицине.
Что такое закон Ампера: суть и определение
Закон Ампера раскрывает фундаментальный принцип электромагнетизма: два параллельных проводника с электрическим током взаимодействуют друг с другом с определенной силой. Это взаимодействие возникает не напрямую, а через создаваемые токами магнитные поля. Закон Ампера также определяет силу, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника.
Формула закона Ампера
Закон Ампера устанавливает: сила, действующая на проводник с током в однородном магнитном поле, прямо пропорциональна длине проводника, индукции магнитного поля, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.
Fₐ = BIℓsinα,
где:
Fₐ — сила Ампера;
B — модуль вектора индукции магнитного поля;
I — сила тока в проводнике;
ℓ — длина активной части проводника (той, что находится в однородном магнитном поле);
α — угол между вектором магнитной индукции и направлением электрического тока в проводнике.
История закона Ампера
Елена Львова, учитель физики и астрономии высшей квалификационной категории, рассказала редакции Науки Mail об истории открытия закона Ампера.
«В 1820 году датский ученый, профессор физики Ганс Христиан Эрстед, впервые экспериментально обнаружил новый вид взаимодействия между проводником с током и магнитной стрелкой компаса. Открытие произошло прямо на лекции при демонстрации опыта по электричеству. Ученый всегда носил с собой постоянный магнит и пытался найти связь между магнитными и электрическими явлениями».
Эксперт отметила: свойства постоянных магнитов дают основание считать, что вокруг них существует магнитное поле. А у этого поля — определенное направление. Например, ориентация стрелки компаса при перемещении по поверхности Земли.
Возникают естественные вопросы.
Первый: можно ли утверждать, что природа поля вокруг постоянных магнитов и проводников с током одинакова, и что в обоих случаях имеется именно магнитное поле?
Второй: если оба поля магнитные, то как согласовать это с открытием магнитного поля именно вокруг проводников с током?
«Опыты Эрстеда ответили только на первый вопрос. А Андре-Мари Ампер, французский физик, математик и естествоиспытатель, дал ответ на второй. Он выдвинул гипотезу о том, что внутри магнитов существуют молекулярные токи (микротоки), подобные току в замкнутой цепи. Позднее ученые установили, что эти токи создаются движением электронов в атоме, что легло в основу электронной теории строения вещества», — подчеркнула Елена Львова.
Сила Ампера и закон Ампера
Между понятиями «сила Ампера» и «закон Ампера» часто возникает путаница. Елена Львова помогла разобраться:
«На самом деле сила Ампера — тоже закон, но есть существенное отличие. Говоря о силе Ампера, мы имеем в виду действие «стороннего» магнитного поля. Например, влияние поля постоянного магнита на ток, который находится в этом магнитном поле. В законе Ампера речь идет о взаимодействии между собой двух параллельных проводников с током в магнитном поле друг друга. Например, в троллейбусных линиях параллельные токи отталкиваются друг от друга, чтобы даже при сильном ветре в проводах троллейбусных линий не было короткого замыкания. Благодаря такому взаимодействию они просто не соприкоснутся друг с другом».
Влияние силы тока на взаимодействие проводников в магнитном поле
Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, которое влияет на другие проводники поблизости. Когда два проводника с током расположены рядом, их магнитные поля взаимодействуют между собой. Если токи текут в одном направлении, проводники притягиваются друг к другу, а если в противоположных — отталкиваются. Это явление доказывает тесную связь между электричеством и магнетизмом, которую и выражает закон Ампера. Сила тока напрямую влияет на создаваемое магнитное поле. Зависимость прямо пропорциональна: чем выше сила тока в проводнике, тем интенсивнее его магнитное поле.
Чтобы определить направление силы Ампера, используют правило левой руки. Расположите ладонь так, чтобы линии магнитного поля входили в нее, а вытянутые пальцы указывали направление тока. Тогда отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.
Где применяется закон Ампера
Закона Ампера управляет механизмами и устройствами, без которых сложно представить современный мир:
электродвигатели и генераторы;
динамики, наушники, микрофоны;
электромагнитные весы и счетчики;
троллейбусные линии;
магнитно-резонансная томография (МРТ);
спутниковые системы навигации;
лифты, автоматические двери.
Применение закона Ампера можно наблюдать везде, где ток встречается с магнитом.