"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Сила Ампера — действие магнитного поля на проводник, по которому течёт ток. Для прямого участка проводника в однородном поле её величина зависит от силы тока, длины участка, магнитной индукции и угла между током и полем: Fₐ = BIl sin α. Закон помогает рассчитывать взаимодействие поля и тока, а правило левой руки — определять направление силы. Это нужно, чтобы объяснять движение проводников и работу электродвигателей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током; её обозначают Fₐ и измеряют в ньютонах (Н). Она описывает суммарное действие поля на движущиеся заряды внутри проводника. Это обозначение используют, когда рассчитывают или сравнивают действие поля на разные участки цепи.
Закон Ампера устанавливает зависимость силы, действующей на прямой участок проводника с током в однородном магнитном поле, от тока, длины участка, магнитной индукции и угла между током и полем. Эта зависимость записывается формулой Fₐ = BIl sin α. Закон позволяет найти силу, если известны параметры проводника и поля.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её обозначают B и измеряют в теслах (Тл). Слово «векторная» означает, что у величины есть и численное значение, и направление. Поэтому для расчёта силы важно не только знать B, но и учитывать направление поля относительно тока.
Правило левой руки — способ определить направление силы Ампера по направлениям магнитной индукции и тока. Оно связывает три направления: поля, тока и силы, поэтому помогает понять, куда начнёт двигаться проводник. При решении задач правило применяют после того, как заданы направления тока и магнитного поля.
Ток в металлическом проводнике — это упорядоченное движение заряженных частиц. Магнитное поле действует на движущиеся заряды, поэтому каждый из них испытывает силу. Воздействия складываются, и результат проявляется как сила, приложенная к проводнику в целом. Так микроскопическое движение зарядов становится заметным движением или деформацией всего проводника.
Для прямого участка в однородном поле величина силы определяется формулой Fₐ = BIl sin α. Здесь B — магнитная индукция в теслах, I — сила тока в амперах, l — длина участка в метрах, а α — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Множитель sin α показывает, насколько направления тока и поля отличаются от параллельных. Все значения подставляют в согласованных единицах СИ, тогда результат получается в ньютонах.
Из формулы видно, что при неизменных B, I и l сила зависит от sin α. При перпендикулярном расположении α = 90°, поэтому sin α = 1 и сила максимальна: Fₐ = BIl. При параллельном расположении α = 0° или 180°, синус равен нулю и сила Ампера отсутствует. Это происходит потому, что магнитное поле не отклоняет заряды в направлении, которое могло бы дать результирующую силу на проводник.
Чтобы найти направление действия поля, левую руку располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь. Четыре вытянутых пальца направляют по току, то есть по условному направлению движения положительного заряда. Большой палец, отогнутый на 90° к остальным, указывает направление силы Ампера. Правило работает, если все три направления заданы согласованно, поэтому сначала определяют ток и поле, а уже затем ориентируют руку.
Если изменить только направление тока, направление силы станет противоположным; то же произойдёт, если развернуть только магнитное поле. Причина в том, что сила зависит от взаимной ориентации тока и B: при развороте одного из них меняется знак их векторного взаимодействия. Если одновременно изменить оба направления, эти изменения компенсируют друг друга. Поэтому сила сохранит прежнее направление, хотя ток и поле будут направлены иначе.
Таблица помогает быстро выбрать нужный вид формулы: при перпендикулярном расположении синус равен единице, а при параллельном — нулю. В общем случае сначала определите угол α между током и вектором B, затем подставьте его синус. В последней строке собраны обозначения и единицы, чтобы проверить расчёт.
| Ситуация или величина | Условие или обозначение | Сила Ампера |
|---|---|---|
| Проводник перпендикулярен магнитному полю | α = 90°, sin α = 1 | Fₐ = BIl, максимальна |
| Проводник параллелен магнитному полю | α = 0° или 180°, sin α = 0 | Fₐ = 0 |
| Общий случай: угол между током и полем | α — угол между током и B | Fₐ = BIl sin α |
| Обозначения и единицы величин в формуле | Fₐ — Н; B — Тл; I — А; l — м; α — угол | Результат выражается в ньютонах |
Задача 1. Прямой проводник длиной 0,20 м перпендикулярен однородному полю с индукцией 0,30 Тл. По нему течёт ток 2,0 А. Найдём силу Ампера, учитывая, что для перпендикулярного положения синус угла равен единице.
Задача 2. Длина проводника равна 0,50 м, ток — 4,0 А, индукция поля — 0,20 Тл, угол между током и полем — 30°. Здесь нельзя использовать формулу Fₐ = BIl без поправки: проводник не перпендикулярен полю, поэтому учитываем синус угла.
Задача 3. На прямой проводник длиной 0,40 м действует сила 0,12 Н; ток равен 3,0 А, угол между током и полем — 30°. Найдём индукцию, а затем направление силы, если ток направлен вверх, а поле — в плоскость страницы.
Подставляют не тот угол: α — угол именно между направлением тока и вектором магнитной индукции. Ошибка возникает, если отсчитывать его от края рисунка или от направления силы. Чтобы проверить себя, назовите оба направления, между которыми измеряете угол, и только потом найдите его синус.
Забывают множитель sin α и применяют Fₐ = BIl при любом положении проводника. Так поступают, когда запоминают частный случай, но теряют условие, при котором он верен: проводник должен быть перпендикулярен полю. Перед вычислениями запишите общий закон и упростите его лишь после того, как установили угол.
Путают направления тока, поля и силы при использовании правила левой руки. Причина обычно в том, что руку ориентируют до того, как отдельно задали направление тока и линий магнитной индукции. Проверка проста: четыре пальца должны совпадать с током, линии поля — входить в ладонь, большой палец — показывать силу.
Считают, что сила Ампера направлена вдоль проводника или магнитного поля. Это неверно: в рассматриваемом случае сила перпендикулярна и направлению тока, и вектору B. Если полученное направление совпало с одним из них, повторно примените правило левой руки и проверьте ориентацию ладони.
Для понимания закона Ампера нужны знания об электрическом токе: важно уметь задавать его направление. Также пригодится представление о магнитной индукции как о векторе, у которого есть направление. Связь с силой Лоренца объясняет, почему магнитное поле действует на движущиеся заряды внутри проводника.
Закон Ампера используют, когда изучают взаимодействие токов и движение проводников с током в магнитном поле. На этом же действии основана работа электродвигателя: сила заставляет части его проводников двигаться. Поэтому формула позволяет связать параметры электрической цепи с механическим действием поля.
Что называют силой Ампера?
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Она возникает из-за действия поля на движущиеся заряды внутри проводника.
Как записывается закон Ампера для прямого проводника?
Для прямого участка проводника в однородном магнитном поле закон записывается так: Fₐ = BIl sin α. Здесь α — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.
Между какими направлениями измеряют угол α?
Угол α измеряют между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции B. Его не следует отсчитывать от произвольно выбранной линии или от направления силы.
Как определить направление силы Ампера?
Направление находят по правилу левой руки: линии магнитной индукции входят в ладонь, а четыре пальца направляют по току. Отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы.
Когда сила Ампера максимальна и когда она равна нулю?
Сила максимальна, когда ток направлен перпендикулярно магнитному полю: sin α = 1. Она равна нулю, когда ток и поле параллельны, поскольку sin 0° = 0.
2. Закон Ампера
