Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое сила электрического постоянного тока, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое сила электрического постоянного тока, сила тока, ампер, закон ампера , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Базовая физика.
... силу электрического тока измеряют специальными единицами – амперами? Физиками установлено, что при силе тока 1 А (один ампер) через проводник ежесекундно проходит более 6 тысяч миллионов миллиардов электронов! Все это громадное количество заряженных частиц движется по причине существования электрического поля, создаваемого источником электроэнергии.
... единица силы тока, ампер, названа в честь французского ученого А.Ампера? Именно он ввел в физику термин «электрический ток», указал на его направленность внутри проводника и создал первую научную теорию, количественно связывавшую электрические и магнитные явления, прежде рассматривавшиеся как независимые друг от друга.
... сила тока, возникающего в проводниках, неразрывно связана с такой физической величиной, как электрическое напряжение? Например, электрическое напряжение, создаваемое одним гальваническим элементом, обычно около 1 В (одного вольта), а напряжение между облаками во время грозы может достигать 100 миллионов вольт!
... как сила тока, так и напряжение могут быть безопасными для человека, так и нести угрозу здоровью и даже жизни? Например, ток силой всего 0,1 А уже приводит к серьезным нарушениям в организме человека. Напряжение, считающееся безопасным для человека в сухом помещении, составляет до 36 В. Для сырого помещения это значение уже до 12 В.
Зако́н Ампе́ра — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 году для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила оказывается линейно зависимой как от тока, так и от магнитной индукции B . Выражение для силы 
, с которой магнитное поле действует на элемент объема dV
проводника с током плотности 
, находящегося в магнитном поле с индукцией 
, в Международной системе единиц (СИ) имеет вид:
Если ток течет по тонкому проводнику, то 
, где dl→
— элемент длины проводника — вектор, по модулю равный dl
и совпадающий по направлению с током. Тогда выражение для силы переписывается как 
.
Под законом Ампера понимается совокупность утверждений и формул, характеризующих силовое воздействие на токонесущий проводник со стороны магнитного поля — возможно, созданного другим токонесущим проводником. Закон определяет:
с током 
на другой малый отрезок 
с током 
: 
,
где 
и 
— радиус-векторы элементов длины проводников 
и 
, а 
— сила действия элемента (создающего поле 
в точке r→2) на элемент ; μ0 — магнитная постоянная;
и C2
с токами I1 и I2: 
,
где и — радиус-векторы, пробегающие все точки контуров , , а 
— сила, с которой контур-1 действует на контур-2. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . По сути, это интегрирование выражения из предыдущего пункта;
с током 
(A), плоский участок 
с током 
(А/м) или малый объем с током (А/м2): 
.
Направление силы dF→ определяется по правилу вычисления векторного произведения. Ее модуль в случае провода находится как dF=IBdlsinα
, где α
— угол между B→ и направлением тока. Сила максимальна, когда проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции (α=90∘
). Интегрирование позволит получить силу воздействия поля на объект в целом.
Два бесконечных параллельных проводника с токами в вакууме
Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии r
друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи и . Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.
В соответствии с законом Био — Савара — Лапласа бесконечный проводник с током в точке на расстоянии r создает магнитное поле с индукцией
,
где 
— магнитная постоянная, e→φ
— единичный вектор вдоль окружности, осью симметрии которой является провод с током I1.
По закону Ампера найдем силу, с которой первый проводник действует на малый участок второго:
По правилу левой руки, dF→12
направлена в сторону первого проводника (аналогично, действующая на первый проводник сила 
направлена в сторону второго проводника). Следовательно, проводники притягиваются.
Модуль данной силы (r — расстояние между проводниками):
Интегрируем по участку проводника длины L
(пределы интегрирования по l
от 0 до L):
Если L — единичная длина, то это выражение задает искомую силу взаимодействия.
Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной μ0. Действительно, ампер, являющийся одной из основных единиц СИ, определяется в ней как «сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2⋅10−7 ньютона» .
Таким образом, из полученной формулы и определения ампера следует, что магнитная постоянная μ0 равна 
Н/А² или, что то же самое, Гн/ м точно.
Любые узлы в электротехнике, где под действием электромагнитного поля происходит движение каких-либо элементов, используют закон Ампера. Принцип работы электромеханических машин (движение части обмотки ротора относительно части обмотки статора) основан на использовании закона Ампера, и самый широко распространенный и используемый чуть ли не во всех технических конструкциях агрегат — это электродвигатель, либо, что конструктивно почти то же самое — генератор. Именно под действием силы Ампера происходит вращение ротора, поскольку на его обмотку влияет магнитное поле статора, приводя в движение. Любые транспортные средства на электротяге для приведения во вращение валов, на которых находятся колеса, используют силу Ампера (трамваи, электрокары, электропоезда и др).
Также магнитное поле приводит в движение механизмы электрозапоров (электродвери, раздвигающиеся ворота, двери лифта). Другими словами, любые устройства, которые работают на электричестве и имеют движущиеся узлы, основаны на эксплуатации закона Ампера.
Также, он находит применение во многих других видах электротехники, например, в динамической головке (динамике): в динамике (громкоговорителе) для возбуждения мембраны, которая формирует звуковые колебания, используется постоянный магнит, на него под действием электромагнитного поля, создаваемого расположенным рядом проводником с током, действует сила Ампера, которая изменяется в соответствии с нужной звуковой частотой.
Также:
Пусть есть два тонких проводника с токами и , имеющие форму кривых 
и 
, которые заданы радиус-векторами 
и 
.
Для сил взаимодействия бесконечно малых участков этих проводников третий закон Ньютона не выполняется. А именно, сила Ампера для воздействия элемента первого проводника на элемент второго 
не равна взятой с обратным знаком силе, действующей со стороны элемента второго проводника на элемент первого 
:
.
Здесь 
и 
— поле, создаваемое участком первого и участком второго провода, соответственно. Данный факт ни в коем случае не компрометирует динамику Ньютона, так как постоянный ток может протекать только по замкнутому контуру — и, следовательно, третий закон Ньютона обязан действовать только для сил, с которыми взаимодействуют два замкнутых проводника с током. В отличие от отдельных элементов, для замкнутых контуров закон Ньютона выполняется:
,
где 
и 
— поле, создаваемое целиком первым и целиком вторым проводом (а не их отдельными участками). Поле в каждом случае находится с использованием формулы Био — Савара — Лапласа.
В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед открыл, что провод, по которому идет ток, создает магнитное поле и заставляет отклоняться стрелку компаса. Он заметил, что магнитное поле перпендикулярно току, а не параллельно ему, как можно было бы ожидать. Ампер, вдохновленный демонстрацией опыта Эрстеда, обнаружил, что два параллельных проводника, по которым течет ток, притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, в одну ли или разные стороны по ним идет ток. Таким образом ток не только производит магнитное поле, но магнитное поле действует на ток. Уже через неделю после объявления Эрстедом о своем опыте, Ампер предложил объяснение: проводник действует на магнит, потому что в магните течет ток по множеству маленьких замкнутых траекторий .
Закон взаимодействия двух элементарных электрических токов, известный как закон Ампера, на самом деле был позднее предложен Грассманом (то есть его было бы правильнее называть законом Грассмана).
Оригинальный же закон Ампера имел несколько иную форму: сила, действующая со стороны токового элемента 
, находящегося в точке , на токовый элемент 
, находящийся в точке , равна
.
Сила, действующая со стороны токового элемента , находящегося в точке , на токовый элемент , находящийся в точке , может быть получена из формулы силы просто из соображений симметрии, путем замены индексов: 2 на 1, а 1 на 2.
При этом 
, то есть оригинальный закон Ампера удовлетворяет третьему закону Ньютона уже для дифференциальной формы. Ампер, перепробовав ряд выражений, остановился именно на таком.
Если при рассмотрении какой-либо задачи расчета силы взаимодействия (реально, непостоянных) незамкнутых токов с нарушением третьего закона Ньютона мириться нельзя, есть вариант использовать оригинальный закон Ампера. В случае закона Грассмана при этом приходится включать в рассмотрение дополнительную физическую сущность — магнитное поле, чтобы компенсировать несоблюдение третьего закона.
Можно доказать, что в интегральной форме оригинального закона Ампера силы, с которыми взаимодействуют два замкнутых проводника с постоянными токами, получаются теми же самыми, что и в законе Грассмана.
Максвелл предложил наиболее общую форму закона взаимодействия двух элементарных проводников с током, в которой присутствует коэффициент k (он не может быть определен без некоторых предположений, базирующихся на экспериментах, в которых активный ток образует замкнутый контур):
В своей теории Ампер взял k=−1 , Гаусс положил k=+1 , как Грассман и Клаузиус. В неэфирных электронных теориях Вебер принял k=−1 , а Риман принял k=+1 . Ритц оставил k неопределенным в своей теории.
Для силы взаимодействия двух замкнутых контуров C1 и C2 с k=+1 получается стандартное выражение.
Хотя сила всегда одна и та же при различных k , момент сил может различаться. Например, при взаимодействии двух бесконечных проводов, скрещенных под прямым углом, сила взаимодействия будет равна нулю. Если рассчитать момент сил, действующий на каждый из проводов, по формуле Грассмана, ни один из них не будет равен нулю (хотя в сумме они будут равны нулю). Если же рассчитать момент сил по оригинальному закону Ампера, каждый из них будет равен нулю.
 |
Этот раздел нужно дополнить.
Пожалуйста, улучшите и дополните раздел. (27 декабря 2018)
|
Электрический ток в проводнике это движение зарядов относительно других зарядов. Данное движение приводит в СТО к эффектам, которые в классической физике объясняются отдельной физической сущностью — магнетизмом. В СТО данные эффекты не требуют введения магнетизма, и, в первом приближении, достаточно рассмотрения кулоновских взаимодействий. Для описания закона Ампера в рамках СТО металлический проводник описывают прямой с некоторой линейной плотностью положительных зарядов и прямой с подвижными зарядами. Заряд инвариантен, поэтому эффект Лоренцева сокращения длины создает разницу между плотностью положительных и отрицательных зарядов в изначально нейтральном металлическом проводе. Отсюда и возникновение силы притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током.
Исследование, описанное в статье про сила электрического постоянного тока, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое сила электрического постоянного тока, сила тока, ампер, закон ампера и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Базовая физика
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Базовая физика
Термины: Базовая физика