Сила Ампера

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на проводник, по которому проходит электрический ток. Она может перемещать проводник, поворачивать рамку с током и лежит в основе работы электродвигателей.

Что такое сила Ампера

Чтобы изучать силу Ампера, нужно знать вектор магнитной индукции \(\vec B\). Он описывает магнитное поле в данной точке; подробнее величина рассматривается на странице магнитная индукция. Пусть прямой участок проводника длиной \(l\) находится в магнитном поле и по нему течёт ток \(I\).

В школьных задачах обычно рассматривают однородное магнитное поле и прямой участок проводника. Для неоднородного поля или кривого проводника участок мысленно делят на малые части и находят действие поля на каждую из них.

Модуль силы Ампера

Модуль силы зависит от магнитной индукции \(B\), силы тока \(I\), длины участка \(l\) и угла \(α\) между направлением тока и вектором магнитной индукции. Угол отсчитывают от направления тока в проводнике до направления \(\vec B\).

Из формулы следуют два важных частных случая.

• Если проводник перпендикулярен линиям магнитного поля, \(α=90°\), поэтому \(\sin α=1\) и \(F_A=BIl\) — сила максимальна.
• Если проводник параллелен линиям магнитного поля, \(α=0°\) немесе \(180°\), поэтому \(\sin α=0\) и \(F_A=0\).
• При увеличении \(B\), \(I\) немесе \(l\) в несколько раз сила увеличивается во столько же раз, если остальные величины неизменны.

Единица магнитной индукции тесла согласуется с формулой: \(1\ \text{Тл}=1\ \text{Н}/(1\ \text{А}\cdot1\ \text{м})\). Поэтому перед вычислением важно перевести длину проводника в метры, а угол подставлять с правильным значением синуса.

Направление силы: правило левой руки

Модуль силы сообщает только её величину. Чтобы определить направление, применяют правило левой руки. Расположите левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току, а отставленный большой палец показывал направление силы Ампера.

Силу Ампера также можно определить векторно: её направление перпендикулярно и направлению тока, и направлению магнитной индукции. Если изменить направление тока на противоположное, сила изменит направление. То же произойдёт при изменении направления магнитного поля.

Шешім тапсырма на силу Ампера

Типовой алгоритм состоит из четырёх шагов: выписать известные величины и перевести их в СИ; определить угол \(α\); выбрать формулу и вычислить модуль; при необходимости указать направление по правилу левой руки. Если в условии сказано, что проводник перпендикулярен полю, сразу берут \(\sin90°=1\).

Жауабы: \(0{,}12\ \text{Н}\). Если требуется направление, дополнительно изображают направление тока и магнитного поля, а затем применяют правило левой руки. Одного численного ответа для векторной силы может быть недостаточно.

Иногда в условии требуется найти не силу, а другую величину. Из закона Ампера можно получить равносильные выражения:

Если проводник расположен перпендикулярно полю, формулы упрощаются: \(F_A=BIl\), \(B=F_A/(Il)\) и \(I=F_A/(Bl)\). При \(α=0°\) найти величину \(B\) по силе Ампера нельзя: сила в этом случае равна нулю при любом значении \(B\).

Применения и связь с другими темами

На силе Ампера основана работа электродвигателя: рамка с током помещается в магнитное поле, силы на её противоположных сторонах направлены противоположно и создают вращающий момент. Изменение направления тока позволяет поддерживать вращение.

Два параллельных проводника с током действуют друг на друга: при одинаковых направлениях токов они притягиваются, при противоположных — отталкиваются. Это частный случай темы взаимодействие параллельных токов. Магнитное поле, создаваемое током, находят с помощью поля прямого проводника с током, а для нескольких источников используют принцип суперпозиции магнитных полей.

Силу Ампера важно отличать от силы Лоренца. Сила Ампера действует на проводник с током как на совокупность движущихся зарядов, а сила Лоренца рассматривается для отдельного заряженного тела, движущегося в магнитном поле.

Быстрая проверка