3.7. Магнитное взаимодействие постоянных токов. Закон ампера

Ампер исследовал действие магнитного поля на проводники с током и показал, что сила F, действующая на прямолинейный проводник с током, находящийся в однородном магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике, его длине , магнитной индукциии синусу угламежду направлениями тока в проводнике и вектором:

.

В случае неоднородного магнитного поля и проводника произвольной формы перейдем к бесконечно малым приращениям, имеем:

.

-коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единицы измерения. В СИ .

Будем считать, что элемент проводника перпендикулярен вектору, тогда-магнитная индукциячисленно равна силе, действующей со стороны поля на единицу длины проводника, по которому течет электрический ток единичной силы и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля. Т.е. магнитная индукцияявляется силовой характеристикой поля.

Направление силы определяется по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению электрического тока в проводнике, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник со стороны поля.

Если не перпендикулярен, то векторсовпадает по направлению с векторным произведением- векторнаправлен перпендикулярно к плоскости, образованной векторамиитаким образом, чтобы из конца векторавращение от векторак векторупо кратчайшему пути происходило против часовой стрелки.

Закон Ампера в векторной форме имеет вид:

.

Силы электромагнитного взаимодействия не являются центральными и всегда перпендикулярны к линиям магнитной индукции.

Рассмотрим два длинных прямолинейных проводника, которые расположены параллельно друг к другу. Расстояние между проводниками а. При пропускании тока по проводникам между ними возникает сила взаимодействия. Рассмотрим некоторые частные случаи.

1.Пусть токи ив проводниках направлены в одну сторону (рис.3.9а). В этом случае проводники притягиваются друг к другу. Каждый из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует по закону Ампера на другой проводник. При этом на элементвторого проводника с токомдействует сила:

.

Если а << , то проводник можно считать бесконечно длинным, тогда

, при этом ,, имеем.

Для выражение примет такой же вид. Оно симметрично для обоих проводников, поэтому

, тогда .

2. Если токи противоположны по направлению, то проводники отталкиваются (рис.9б).

Единицы измерения в системе СИ: магнитная индукция -B=[Тл] – тесла; напряженность магнитного поля H=[] - ампер на метр.

Рассмотрим контур с током, находящийся в магнитном поле. Сила Ампера, действующая на контур, равна , интегрирование проводится по контуру с током. Если поле однородно, векторможно вынести за знак интеграла. Интегралпредставляет собой замкнутую цепочку элементарных векторов, поэтому он равен нулю. Поэтому результирующая амперова сила равна нулю в однородном магнитном поле. Если же поле неоднородно, результирующая сила отлична от нуля . Рассмотрим плоский контур, размеры которого малы. Такой контур называют элементарным. Его магнитный момент, где- ток в контуре,- его площадь,- единичный вектор нормали к поверхности контура, связанный с направлением тока правилом правого винта. Сила Ампера, действующая на такой контур в неоднородном магнитном поле, равна, где- производная магнитной индукции на направление магнитного момента. Из этой формулы следует:

1. воднородном магнитном поле, т.к.;

2. направление вектора в общем случае не совпадает ни с вектором, ни с вектором; векторсовпадает лишь с направлением элементарного перемещения, взятого в направлении векторав месте расположения контура. На рис. 3.11 представлены три расположения контура в поле прямого тока. Проекция силы на направлениеХ равна

.

Найдем момент сил Ампера, действующий на контур с током в магнитном поле. В однородном поле результирующая сил, действующих на контур, равна нулю, следовательно, суммарный момент этих сил не зависит от точки О, относительно которой определяют моменты этих сил. В этом случае говорят просто о моменте амперовых сил. Результирующий момент этих сил . Таким образом, результирующий момент амперовых сил , действующих на контур с током в однородном магнитном поле, перпендикулярен магнитному моменту контура и вектору магнитной индукции.