Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

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.

Сила постоянного электрического тока

В § 8-и мы рассмотрели опыт с лампочкй и двумя спиралями. Мы отметили, что под изменением силы тока будем понимать изменение потока электронов внутри проводника. Это относилось к твердым металлическим проводникам. Напомним: в газообразных и жидких проводниках, например, в расплавленных или растворенных веществах электроток создается как электронами, так и ионами (см. § 8-й).
Важно: все движущиеся заряженные частицы являются носителями (переносчиками) электрического заряда. Следовательно, под силой тока более верно понимать не общее количество самых разнообразных заряженных частиц (электронов и/или ионов), переносящих разные заряды за выбранное время наблюдения, а общий заряд, переносимый через проводник за единицу времени. В виде формулы это выглядит так:
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
I – сила электрического тока в проводнике, А
q – протекающий через проводник заряд, Кл
t – время наблюдения, с
сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А).
Итак, сила тока – физическая величина, показывающая заряд, проходящий через проводник за единицу времени.
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
Для измерения силы тока используют прибор амперметр (см. рисунок). Его всегда включают последовательно с тем участком цепи, в котором нужно измерить силу тока. Единица силы тока – 1 ампер (1 А). Ее устанавливают, измеряя силу взаимодействия (притяжения или отталкивания) проводников с током. В качестве пояснения посмотрите на рисунок с полосками фольги на странице, открывающей эту тему.
За 1 ампер принимают силу такого тока, который при прохождении по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и малого диаметра, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает на каждый 1 м длины силу взаимодействия 0,0000002 H.
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Вопросы

  • Прежде в опыте под изменением силы тока мы понимали ...
  • Спирали-резисторы и лампа относятся к ...
  • В отличие от твердых металлов, в жидкостях и газах ...
  • Движущиеся в проводниках ионы и электроны ...
  • Чтобы не вести учет вида и числа частиц, под силой тока надо понимать ...
  • Отношение прошедшего заряда ко времени наблюдения, – это ...
  • Другими словами, силой тока называется ...
  • Прибор «амперметр» применяют ...
  • Во время измерений амперметр соединяют ...
  • Одним ампером в физике называется ...

Законы распределения сил токов

Познакомимся теперь с законами распределения сил токов в цепях с различными соединениями проводников. Проведем опыты.
На схемах а-б-в лампа и реостат соединены последовательно. Сначала амперметр включен между реостатом и лампой (схема а), и сила тока обозначена символом Iобщ. Затем амперметр помещен слева от реостата (схема б), и сила тока обозначена символом I1. После амперметр помещен слева от лампы (схема в), и сила тока обозначена символом I2.
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
Многократные измерения в этом и во всех других аналогичных опытах показывают, что во всех участках цепи с последовательным соединением проводников силы токов равны друг другу (то есть одинаковы):
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
На схемах г-д-е две лампы соединены параллельно. Сначала амперметр расположен в неразветвленной части цепи (схема г), и сила тока обозначена символом Iобщ. Затем амперметр помещен слева от первой лампы (схема д), и сила тока обозначена I1. После амперметр помещен слева от второй лампы (схема е), и сила тока обозначена I2.
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
Многократные измерения показывают, что сила тока в неразветвленной части цепи с параллельным соединением проводников (общая сила тока) равна сумме сил токов во всех параллельных ветвях этой цепи:
Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
Вопросы
  • Различные виды соединений проводников характеризуются различными ...
  • На верхних трех схемах все приборы ...
  • Сила тока на амперметре между лампой и реостатом ...
  • Символом I1 обозначена сила тока ...
  • Символом I2 обозначена сила тока ...
  • Как установлен закон для силы тока при последовательном соединении проводников?
  • Закон Iобщ = I1 = I2 = ... означает: ...
  • На нижних трех схемах потребители ...
  • Символом Iобщ на нижних схемах обозначена сила тока ...
  • Закон Iобщ = I1 + I2 + ... означает: ...

Интерестные факты

... 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.

закон ампера

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 Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, с которой магнитное поле действует на элемент объема dVСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера проводника с током плотности Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, находящегося в магнитном поле с индукцией Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, в Международной системе единиц (СИ) имеет вид:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Если ток течет по тонкому проводнику, то Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, где dl→Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — элемент длины проводника — вектор, по модулю равный dlСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и совпадающий по направлению с током. Тогда выражение для силы переписывается как Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Физическое содержание закона Ампера

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:

  • силу воздействия малого отрезка проводника Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера на другой малый отрезок Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера,

где Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — радиус-векторы элементов длины проводников Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, а Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — сила действия элемента Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера (создающего поле Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера в точке r→2Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера) на элемент Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера; μ0 — магнитная постоянная;

  • силу взаимодействия двух проводящих замкнутых контуров формы C1Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и C2Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с токами I1Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и I2Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера,

где Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — радиус-векторы, пробегающие все точки контуров Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, а Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — сила, с которой контур-1 действует на контур-2. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . По сути, это интегрирование выражения из предыдущего пункта;

  • силу, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера (A), плоский участок Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера (А/м) или малый объем Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера (А/м2):

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

Направление силы dF→Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера определяется по правилу вычисления векторного произведения. Ее модуль в случае провода находится как dF=IBdlsin⁡αСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, где αСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — угол между B→Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и направлением тока. Сила максимальна, когда проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции (α=90∘Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера). Интегрирование позволит получить силу воздействия поля на объект в целом.

Случай двух параллельных проводников

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Два бесконечных параллельных проводника с токами в вакууме

Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии rСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера. Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.

В соответствии с законом Био — Савара — Лапласа бесконечный проводник с током Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера в точке на расстоянии rСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера создает магнитное поле с индукцией

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера,

где Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — магнитная постоянная, e→φСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — единичный вектор вдоль окружности, осью симметрии которой является провод с током I1Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

По закону Ампера найдем силу, с которой первый проводник действует на малый участок Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера второго:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

По правилу левой руки, dF→12Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера направлена в сторону первого проводника (аналогично, действующая на первый проводник сила Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера направлена в сторону второго проводника). Следовательно, проводники притягиваются.

Модуль данной силы (rСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — расстояние между проводниками):

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Интегрируем по участку проводника длины LСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера (пределы интегрирования по lСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера от 0 до LСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера):

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

Если LСила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — единичная длина, то это выражение задает искомую силу взаимодействия.

Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной μ0Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера. 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 Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера Н/А² или, что то же самое, Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера Гн/ м точно.

Проявления закона Ампера

  • Электродинамическая деформация шин (токопроводов) трехфазного переменного тока на подстанциях при воздействии токов короткого замыкания.
  • Раздвигание токопроводов рельсотронов при выстреле.

Применение

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:

  • Электродинамическое сжатие плазмы; например, в токамаках, установках Z-пинч.
  • Электродинамический метод прессования.
  • Электромагнитный насос

Сила Ампера и третий закон Ньютона

Пусть есть два тонких проводника с токами Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, имеющие форму кривых Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, которые заданы радиус-векторами Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

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 Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера не равна взятой с обратным знаком силе, действующей со стороны элемента второго проводника на элемент первого Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

Здесь Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — 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:

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера,

где Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера и Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера — поле, создаваемое целиком первым и целиком вторым проводом (а не их отдельными участками). Поле в каждом случае находится с использованием формулы Био — Савара — Лапласа.

Некоторые исторические аспекты

Обнаружение эффекта

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 .

Подбор формулы для силы

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 Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, находящегося в точке Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, на токовый элемент Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, находящийся в точке Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, равна

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера.

Сила, действующая со стороны токового элемента Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, находящегося в точке Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, на токовый элемент Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, находящийся в точке Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, может быть получена из формулы силы Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера просто из соображений симметрии, путем замены индексов: 2 на 1, а 1 на 2.

При этом Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера, 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):

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера

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.

Закон Ампера как релятивистский эффект

Сила электрического постоянного тока, Ампер,Закон Ампера
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.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

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.

создано: 2021-11-14
обновлено: 2025-03-15
41



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Поделиться:

Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей

Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Базовая физика

Термины: Базовая физика