в чем заключается опыт ампера

5.6. Закон Ампера

Теперь мы готовы к обсуждению взаимодействия тока с магнитным полем.

Ампер установил наличие силового взаимодействия между двумя проводниками, по которым текут электрические токи. Пусть имеются два длинных параллельных проводника (рис. 5.25-1).

Рис. 5.25. Опыт Ампера по исследованию взаимодействия параллельных токов:
1 — схема установки; 2 — отталкивание антипараллельных токов; 3 — притяжение параллельных токов

Если по ним пропускать токи, текущие в противоположных направлениях, то проводники будут отталкиваться друг от друга (см. рис. 5.25-2). Если же токи будут течь в одном направлении, то они будут притягиваться (см. рис. 5.25-3).

Видео 5.4. Взаимодействие параллельных токов.

Эксперименты, проведенные Ампером, показали, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Откуда же она берется? Обсуждая эффект Холла, мы видели, что сила электрического поля E_Х уравновешивает силу Лоренца, действующую на электроны. Но холловское поле E_Х действует также и на кристаллическую ионную решетку вещества. На рис. 5.23 поле E_Х направлено вверх, ортогонально току и магнитной индукции. Туда же будет направлена и сила, действующая на проводник. Найдем ее величину. Если поперечное сечение проводника равно S, а его длина (в направлении тока) — dl, то в данном объеме dV = dl · S сосредоточено dN = ndV = n · dl · S электронов проводимости. Их полный заряд равен dQ = edN = en · dl · S. В силу нейтральности проводника в целом таков же по абсолютной величине и полный заряд ионов кристаллической решетки. Используя формулу (5.28), находим суммарную силу, действующую на остов кристаллической решетки рассматриваемой части проводника

где мы выразили плотность тока через его силу

Обращаем внимание, что в эту формулу не вошли характеристики конкретных носителей заряда, но лишь полный ток через проводник.

У нас внешнее магнитное поле было ортогонально току. В общем случае направление тока будем характеризовать вектором dl, имеющем длину dl и направленным вдоль течения тока. В холловскую напряженность электрического поля дает вклад только компонента магнитного поля, ортогональная вектору dl. Эта компонента равна по величине

где есть угол между векторами B и dl. Тогда для величины силы имеем

Учитывая направление этой силы (правило винта), можем записать ее в векторной форме

Выражение (5.32) носит название закона Ампера, а сила называется силой Ампера (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Сила Ампера, действующая на провод с током в поле постоянного магнита

Видео 5.5. Сила Ампера: выпрыгивание провода из магнита.

Мы получили выражение для силы, действующей на элемент проводника dl. Для определения полной силы, действующей на проводник, надо проинтегрировать (5.32) вдоль его длины, учитывая зависимость магнитного поля от положения элемента. Такое интегрирование становится тривиальным для прямолинейного проводника в однородном магнитном поле

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рис. 5.27):

Если левую руку расположить таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены в направлении тока, то отогнутый большой палец покажет направление действия силы Ампера, действующей на проводник.

Рис. 5.27. Определение направления силы Ампера

Видео 5.6. Сила Ампера: тележка Эйхенвальда.

Действие силы Ампера на проводник с током демонстрируется в опыте, показанном на рис. 5.28. На торце вертикальной цилиндрической катушки положены горизонтальные проводящие рельсы, по которым может катиться алюминиевая трубка. После включения тока через катушку к рельсам прикладывается постоянное напряжение, и по трубке начинает течь ток. Под действием силы Ампера трубка катится по рельсам. При изменении направления тока в трубке она катится в противоположную сторону.

Рис. 5.28. Экспериментальное изучение силы Ампера

В общем случае произвольного проводника и магнитного поля силы, действующие на различные элементы проводника, различаются как величиной, так и направлением (рис. 5.29).

Рис. 5.29. В общем случае силы, действующие на различные элементы проводника,
различаются как величиной, так и направлением

С помощью формулы (5.31) можно определить величину магнитной индукции по максимальной силе Ампера dF_A (в этом случае ), действующей на элемент dl проводника с током I

То есть величина магнитной индукции численно равна максимальной силе, действующей на единичный элемент тока.

Источник

В чем заключается опыт ампера

Опыты А.-М. Ампера. Магнитное взаимодействие токов.

Методы: качественное и количественное исследование.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение, соотнесение с известными свойствами постоянных магнитов.

Искусственность изучаемых условий: естественные, упрощенные до модельных.

Исследуемые фундаментальные принципы: законы магнитостатики, молекулярно-токовое происхождение ферромагнетизма.

Андре-Мари Ампер (1775–1836) задался вопросом, естественно вытекавшим из исследований Х.К. Эрстеда: если проводник с током отклоняет магнитную стрелку, т.е. ведет себя как магнит, то будет ли он отклонять другой проводник с током? Действительно, магнитная стрелка тоже есть не что иное, как легкий магнит, и ее роль мог бы выполнять легкий и подвижный проводник с током. Между прочим, многие его современники сочли такое обобщение очевидным, когда Ампер заявил о своем открытии — однако, например, железный ключ тоже вызывает отклонение магнитной стрелки, но два таких ключа не притягиваются друг к другу.

Ампер поставил цель найти количественное выражение для силы взаимодействия элементов тока. Элементом тока называется малый кусочек контура из тонкого провода, по которому течет ток . В отличие от всего контура, элемент тока не обладает замкнутостью, однако Ампер предполагал, что взаимодействие проводников с током произвольной формы складывается из попарных взаимодействий элементов тока, из которых они состоят. Такой же взгляд на это взаимодействие принят и сейчас.

Подвижный контур abcd, которым в своих опытах Ампер заменил магнитную стрелку Эрстеда, изображен на рисунке справа. Он подвешен на контактах x и y на металлических кронштейнах, к которым подводится ток, и при этом может свободно вращаться относительно вертикальной оси.

Изучая взаимодействие токов с постоянными магнитами и друг с другом, Ампер пришел к следующим выводам:

В том, что сила притяжения длинных параллельных проводников с током обратно пропорциональна расстоянию между ними, Ампер убедился экспериментально с помощью установки, изображенной на рисунке справа. Это, весы, состоящие из неподвижного линейного контура AB с током (см. рис.) и контура CDEF, который может вращаться относительно горизонтальной оси CF. Сила магнитостатического взаимодействия контуров практически полностью определяется взаимодействием линейных проводников AB и DE, поскольку расстояние между ними очень мало. Сила Ампера уравновешивается противовесом W, укрепленным на кронштейне X; кроме того, железная пластинка P на другом конце этого кронштейна фиксирована между двумя постоянными магнитами M. Если вначале, при отключенном токе, уравновесить подвижный контур в положении, в котором его часть DE будет находиться чуть выше AB (как и показано на рисунке), то после включения тока в нужном направлении сила Ампера будет стремиться притянуть проводники друг к другу. Теперь по углу отклонения подвижного контура, определяемому при помощи зеркальца M, можно вычислить величину силы Ампера.

С помощью данного прибора Ампер получил свою формулу для силы взаимодействия контуров в виде:

где — токи, текущие в проводниках, а — расстояние между ними. Ток Ампер измерял также с помощью созданного им примитивного прибора, который представлял из себя компас, на который был намотан провод с током. Протекание тока по проводу вызывало отклонение стрелки от положения «север-юг».

Результаты, полученные Ампером в отношении силы взаимодействия элементов тока, вызвали жаркие дискуссии, поскольку предложенное выражение описывало нецентральное взаимодействие, не подчиняющееся, кроме прочего, еще и третьему закону Ньютона. Действительно, сила , действующая со стороны элемента тока на элемент тока , по закону Ампера равна двойному векторному произведению вида

и только первое слагаемое в фигурных скобках является центральной силой и меняет знак при замене первого заряда на второй и наоборот (тогда соединяющий заряды вектор ). Впоследствии, конечно, физики убедились в том, что для замкнутых контуров (а не элементов тока) третий закон Ньютона соблюдается.

Тем не менее, фактически, Ампер открыл первый релятивистский эффект в электродинамике. Действительно, сила взаимодействия токов имеет порядок по сравнению с силой кулоновского взаимодействия зарядов, поскольку произведение токов выражается через произведение зарядов как

т.е. при малых скоростях зарядов является величиной второго порядка малости. Наблюдаемым эффект делает лишь тот факт, что в проводнике находится макроскопическое (порядка в ) число свободных носителей заряда, участвующих в текущем в нем токе. И хотя эти заряды и дрейфуют со скоростями не более нескольких миллиметров в секунду, их попарное (!) взаимодействие приводит в сумме к вполне ощутимой силе Ампера. Магнитное взаимодействие отдельных электронов при таких скоростях их движения ненаблюдаемо.

Наконец, необходимо отметить, что исследования привели Ампера к гипотезе о токовой природе постоянных магнитов: в таком магните текут элементарные, молекулярные вихревые токи; он как бы состоит из маленьких контуров с током, и поэтому обладает способностью притягивать опилки, как электромагнит (см. рис.). Это предположение было прорывом во времена Ампера, более того, оно в принципе близко к современному пониманию природы магнетизма. Молекулярные токи Ампера можно ассоциировать с электронами, вращающимися по эллиптическим орбитам атомов. Исследования XX века, однако, показали, что характерный для железа ферромагнетизм (в отличие от диа- и парамагнетизма) имеет место благодаря упорядочению спинов электронов, а не плоскостей их орбит. Тем не менее, гипотеза Ампера сохраняет свою важность, хотя бы потому, что почти все другие ученые его времени, включая Био и Лапласа, придерживались противоположной точки зрения: проводник при прохождении через него тока становится магнитом, а не магнит есть совокупность контуров с током.

Важность открытий Ампера также отмечена в определении единицы измерения силы тока, названной в его честь:

«1Ампер — это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1м силу взаимодействия, равную ».

Источник

Закон Ампера

Движение электрических зарядов приводит к возникновению магнитных полей.

Одним из главных направлений развития естественной науки в начале XIX века стало растущее осознание взаимосвязей между, казалось бы, совершенно не связанными между собой феноменами электричества и магнетизма. Ханс Кристиан Эрстед (см. Открытие Эрстеда) экспериментально установил, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Андре-Мари Ампер так заинтересовался этим явлением, что принялся за углубленное экспериментальное и математическое исследование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В результате и был сформулирован закон, носящий теперь его имя.

Ключевой эксперимент, проведенный Ампером, достаточно прост. Он положил два прямых провода бок о бок и пропускал по ним электрический ток. Выяснилось, что между проводами действует сила притяжения или отталкивания (в зависимости от направления тока. — Прим. переводчика). Конечно, не надо быть семи пядей во лбу, чтобы прийти к такому выводу. Ведь при достаточно сильном токе провода действительно притягиваются или отталкиваются так, что это видно невооруженным глазом. Но Ампер путем тщательных измерений сумел определить, что сила механического взаимодействия пропорциональна силам токов и падает по мере увеличения расстояния между ними. Исходя из этого Ампер решил, что наблюдаемая сила объясняется возникновением магнитного поля.

Рассуждал Ампер примерно так. Электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Второй провод попадает в область воздействия этого магнитного поля, и в нем возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера демонстрирует нам два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле; во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Первое из этих утверждений сегодня и называют законом Ампера, и закон этот тесно связан с законом Био—Савара. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля (см. Уравнения Максвелла).

Если же трактовать закон Ампера чуть шире, то мы поймем, что находящийся в пространстве замкнутый электрический контур формирует вокруг себя магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна силе протекающего через контур электрического тока и площади внутри контура. То есть, например, если вокруг отдельного прямолинейного проводника с током формируется магнитное поле, индукция которого равна B на расстоянии r от проводника, то при замыкании такого проводника в круговой контур, путём сложения этих полей внутри контура, образованного замкнутым проводником с током, то есть, выражаясь научным языком, путём интегрирования, мы получим значение интенсивности магнитного поля внутри контура 2рrB, где 2рr — площадь кругового контура. По закону Ампера эта величина и будет пропорциональна силе тока в контуре.

На самом деле вы не раз сталкивались с упоминанием имени Андре-Мари Ампера, возможно сами того не сознавая. Взгляните на любой электроприбор у вас дома — и вы на нем обнаружите его электротехнические характеристики, например: «

220V 50Hz 3,2А». Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера. Единица силы тока ампер (сокращенно — А) как раз и названа в честь ученого.

Официальное определение единицы выводится из исходного эксперимента, проделанного Ампером. Это сила тока, протекающего в каждом из двух параллельных прямолинейных проводников, помещенных в вакууме на расстояние одного метра друг от друга, вызывающая между двумя проводниками силу взаимодействия, равную 2×10 –7 ньютона на метр длины. (Все научные определения единиц измерения даются в такой строгой формулировке. Причем речь здесь идет о так называемых «идеальных проводниках» бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения.) Кстати, при силе тока в 1 ампер в любой точке проводника каждую секунду протекает около 6×10 23 электронов.

Источник

Газета ЗАО МПО «Электромонтаж»

Газета «МПО ЭЛЕКТРОМОНТАЖ» июль 2007

В номере

Акцент

Новинки ассортимента

Внимание к деталям

Актуальная покупка

Известная марка

Прошлое больших открытий

Спорт

Коротко

Архив газеты по годам

Все статьи по рубрикам газеты

Опыты Ампера

Андре-Мари Амперу повезло родиться в богатой аристократической семье, имевшей поместье недалеко от Лиона. На образование ребенка родители не скупились: учителя, приходившие обучать богатого отпрыска, давали ему знания из самых различных областей. Никто не посмел бы отнести мальчика к разряду недорослей: он рано заинтересовался математическими трудами известных ученых и часами проводил время за чтением фолиантов из обширной отцовской библиотеки. А в 13 лет Андре-Мари написал свою первую работу по математике и отправил ее в Лионскую академию.

Во время Великой Французской буржуазной революции был казнен отец Ампера, и юноше пришлось заняться преподаванием, чтобы заработать. Начав с частных уроков математики, он через некоторое время был приглашен в Центральную школу старинного городка Бурк-ан-Бреса для преподавания физики и химии. Потом был Лионский колледж, а в 1807 году, в возрасте 32 лет, он становится профессором Политехнической школы.

Время расцвета научной деятельности Ампера приходится на 1814—1824 годы и связано, главным образом, с Академией наук, в число членов которой он был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики. Впрочем, наш рассказ — об открытиях, сделанных ученым в области изучения свойств электричества.

В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед случайно заметил, что если по проволоке проходит ток, то отклоняется стрелка лежащего рядом компаса. На заседании академии 4 сентября 1820 года был продемонстрирован опыт Эрстеда. А уже к концу сентября Ампер доложил об открытии сил притяжения между двумя параллельными проводниками с током.

Продолжая эти эксперименты, Ампер обнаружил, что катушка с током действует как постоянный магнит (в дальнейшем, работая в этом направлении, Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции). Ампер изобрел устройство со свободно подвешенной иглой, которая отклонялась под действием тока через катушку, причем отклонение было тем больше, чем больше сила тока. Усовершенствование этого устройства привело к появлению измерительного прибора — гальванометра. Но даже работая с его прототипом, Ампер установил, что ток течет в замкнутой электрической цепи. В дальнейшем Кирхгоф и Ом установили законы электрических цепей.

Несмотря на нападки своих научных противников, Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.

С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».

Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.

Андре-Мари Ампер был одновременно и блестящим экспериментатором и блестящим теоретиком. Память ученого увековечена потомками, и даже не один раз: одна из гор на Луне носит его имя, в Париже его именем названа улица. Но главное — любой из нас, измеряя силу тока в электрической цепи, произносит его имя.

Источник

Опыты Ампера и Эрстеда

Как известно из электростатики (лекции 1-2), что между электрическими зарядами возникает взаимодействие, осуществляемое посредством электрического поля.

Исследования показали, что между движущимися зарядами может возникнуть взаимодействие иной природы, не относящееся к электростатическому. Впервые экспериментально показали Эрстед и Ампер в 1820г.

Эрстед заметил, что проводник с током вызывает появление сил, действующих на магнитную стрелку (рис. 147).

а) б) На рис 147 показана пунктирной линией ориентация магнитной стрелки параллельно проводнику в отсутствии электрического тока, и отклонение стрелки относительно проводника при присутствии тока (сплошная). Он дал этому явлению объяснение тем, что проводник с током вокруг себя создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитной стрелкой. На основании опытов сделал вывод о том, что два параллельных тока притягивают друг друга (рис 148а), антипараллельные токи отталкиваются (рис 148б). Как известно, за направление тока принимается направление движения положительных зарядов. Если рассматривать параллельные токи, то в них движутся положительные заряды. С точки зрения электростатики между положительными зарядами должны действовать силы отталкивания, однако опыт показывает, что они притягиваются. Следовательно, между движущимися зарядами, т.е. электрическими токами, возникает не электростатическое взаимодействие, а магнитное. 3.1.2. Магнитное поле токов. Вектор магнитной индукции. Силовые линии магнитного поля Из опытов Эрстеда и Ампера следует, что между проводником с током и магнитной стрелкой возникает взаимодействие, которое отличается от электростатического взаимодействия между зарядами. В связи с этим возникает вопрос: Какова природа взаимодействия токов? Изменится ли пространство, если в него внесем проводник с током? По теории близкодействия взаимодействие между токами осуществляется через магнитное поле, т.е. любой электрический ток вокруг себя создает магнитное поле. Оно взаимодействует с другим током, помещенным в это поле. Если в пространство внесем проводник с током, то оно изменяется, заполняется магнитным полем. Впервые понятие магнитного поля ввел Эрстед в 1820г. Опыт показывает, что магнитное поле создается движущимися зарядами. Магнитное поле, как и электрическое – это вид материи и является объективной реальностью, существует вне нашего сознания. Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , которая измеряется Теслой = [Тл]. Опыт показывает, что магнитная индукция зависит от размеров и геометрической формы проводника с током, от расстояния, от среды, где находится ток, от силы тока. Магнитная индукция обладает принципом суперпозиции, который гласит: Результирующая индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами, равна векторной сумме индукции полей, создаваемых каждым током, т.е. , (351) где — индукция магнитного поля, создаваемого i-ым током. Для графического изображения магнитного поля вводятся силовые линии. Силовой линией (линией индукции) называется линия, проведенная в магнитном поле, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором магнитной индукции (рис.149). Рис.149 Свойства силовых линий: а) б) Рис.150 б) Силовые линии между собой не пересекаются. Рассмотрим пример. Пусть токи направлены перпендикулярно плоскости чертежа. Ток I1 – на нас, ток I2 – от нас. Определить направление вектора результирующей индукции поля в точке А (рис.151). По правилу буравчика определяем направление силовых линий магнитных полей, создаваемых каждым током в точке А и проводим касательные. Тогда вектор перпендикулярен радиусу вектора , а — вектору (см. рис.151). Тогда результирующий вектор по принципу суперпозиции равен +. 3.1.3. Закон Био-Савара-Лапласа. Расчет индукции магнитных полей, создаваемых различными токами Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет Источник ← что нужно сделать чтобы поехать в санаторий в чем секрет молодости корейцев → Вам также понравится во сне приснились пачки денег к чему это 03.01.202411.04.2022 admin 0 что нужно делать когда разбился ртутный градусник 05.01.202417.04.2022 admin 0 в чем проявляется культура труда в школе 04.01.202407.04.2022 admin 0 Добавить комментарий Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.