Закон Ампера

В этой статье поговорим о законе Ампера — одном из основных законов электродинамики. Сила Ампера работает сегодня во многих электрических машинах и установках, и именно благодаря силе Ампера в 20-веке стал возможным прогресс, связанный с электрификацией во многих сферах производства. Закон Ампера незыблем по сей день, и продолжает верно служить современному машиностроению. Так давайте же вспомним, кому мы обязаны этим прогрессом, и как все начиналось.

В 1820 году великий французский физик Андре Мари Ампер сообщил о своем открытии. Он рассказал в академии наук о явлении взаимодействия двух проводников с током: проводники с противоположными токами взаимно отталкиваются, а с однонаправленными — взаимно притягиваются. Ампер также предположил, что магнетизм имеет полностью электрическую природу.

Еще некоторое время ученый проводил свои эксперименты, и в конце концов подтвердил свое предположение. Наконец, в 1826 году он опубликовал труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». С этого момента идея магнитной жидкости была отброшена за ненадобностью, поскольку магнетизм, как оказалось, имеет своей причиной электрические токи.

Ампер заключил, что и постоянные магниты тоже имеют внутри себя электрические токи, круговые молекулярные и атомарные токи, перпендикулярные оси, проходящей через полюса постоянного магнита. Подобно постоянному магниту ведет себя и катушка, по которой течет по спирали ток. Ампер получил полное право на то, чтобы уверенно утверждать: «все магнитные явления сводятся к действиям электрическим».

В процессе своей исследовательской работы, Ампер нашел и связь силы взаимодействия элементов тока с величинами этих токов, нашел он и выражение для данной силы. Ампер указал на то, что силы взаимодействия токов не являются центральными, как например гравитационные. Формула, которую вывел Ампер, входит сегодня в каждый из учебников электродинамики.

Ампер установил, что токи противоположного направления отталкиваются, а токи одного направления притягиваются, если же токи перпендикулярны, то магнитное взаимодействие между ними отсутствует. Таким был итог исследования ученым взаимодействий электрических токов, как истинных первопричин магнитных взаимодействий. Ампер открыл закон механического взаимодействия электрических токов, и решил таким образом проблему магнитных взаимодействий.

Для выяснения закономерностей, по которым силы механического взаимодействия токов связаны с другими величинами, можно и сегодня провести эксперимент, наподобие эксперимента Ампера. Для этого относительно длинный проводник с током I1 закрепляют неподвижно, а короткий проводник с током I2 делают подвижным, допустим, нижняя сторона подвижной рамки с током будет вторым проводником. Рамка соединяется с динамометром для измерения силы F, действующей на рамку, когда проводники с токами располагаются параллельно.

Изначально система уравновешивается, а расстояние R между проводниками экспериментальной установки делается значительно меньшим по сравнению с длиной l этих проводников. Цель эксперимента — измерить силу отталкивания проводников.

Ток, как в неподвижном, так и в подвижном проводниках, можно регулировать посредством реостатов. Варьируя расстояние R между проводниками, изменяя ток в каждом из них можно легко обнаружить зависимости, увидеть, как от тока и от расстояния зависит сила механического взаимодействия проводников.

Если ток I2 в подвижной рамке неизменен, а ток I1 в неподвижном проводнике увеличивать в определенное количество раз, то и сила F взаимодействия проводников возрастет во столько же раз. Аналогичным образом складывается ситуация и в том случае, если ток I1 в неподвижном проводнике неизменен, а ток I2 в рамке изменяется, тогда сила F взаимодействия меняется точно так же, как и при изменении тока I1 в неподвижном проводнике при неизменном токе I2 в рамке. Таким образом, приходим к очевидному выводу — сила взаимодействия проводников F прямо пропорциональна силе тока I1 и силе тока I2.

Если теперь изменять расстояние R между взаимодействующими проводниками, то окажется, что с увеличением этого расстояния, сила F уменьшается, и уменьшается во столько же раз, во сколько увеличено расстояние R. Таким образом, сила механического взаимодействия F проводников с токами I1 и I2 обратно пропорциональна расстоянию R между ними.

Изменяя размер l подвижного проводника легко убедиться и в том, что сила связана и с длиной взаимодействующей стороны прямо пропорционально.

В итоге можно ввести коэффициент пропорциональности и записать:

Эта формула позволяет найти силу F, с которой магнитное поле, порожденное бесконечно длинным проводником с током I1 действует на параллельный ему участок проводника с током I2, при том, что длина участка равна l, а R — расстояние между взаимодействующими проводниками. Данная формула крайне важна при исследованиях магнетизма.

Коэффициент пропорциональности может быть выражен через магнитную постоянную как:

Тогда формула примет вид:

Сила F называется теперь силой Ампера, а закон, определяющий величину этой силы — законом Ампера. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током:

«Сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент dl проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока dI в проводнике и векторному произведению элемента длины dl проводника на магнитную индукцию B»:

Направление силы Ампера определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила левой руки, которое относится к основным законам электротехники, а модуль силы Ампера можно вычислить по формуле:

Здесь альфа — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Очевидно, сила Ампера максимальна когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции В.

Именно благодаря силе Ампера работают сегодня многие электрические машины, в которых проводники с током взаимодействуют друг с другом и с электромагнитным полем. Подавляющее большинство генераторов и моторов так или иначе используют в своей работе силу Ампера. Роторы электродвигателей вращаются в магнитном поле их статоров благодаря силе Ампера.

Электротранспорт: трамваи, электрички, электрокары — все они используют силу Ампера чтобы их колеса в конечном итоге вращались. Электрические замки, двери лифтов и т. д. Динамики, громкоговорители, — в них магнитное поле катушки с током взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, формируя звуковые волны. Наконец, в токамаках благодаря силе Ампера сжимается плазма.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Магнитная сила Ампера. Как перевести амперы в ватты и обратно?

Закон Ампера

Сила Ампера является главной составляющей закона Ампера – закона о взаимодействии электрических токов. В нём говорится, что в параллельных проводниках, в которых электрические токи текут в одном направлении, возникает сила притягивания. А в тех проводниках, в которых электрические токи текут в противоположных направлениях, возникает сила отталкивания.

Также законом Ампера называют закон, который определяет силу действия магнитного поля не небольшую часть проводника, по которой протекает ток. В данном случае она определяется как результат умножения плотности тока, который идёт по проводнику, на индукцию магнитного поля, в котором проводник находится.

Из самого закона Ампера сделаны выводы, что сила Ампера равняется нулю, если величина угла, расположенного между током и линией магнитной индукции, тоже будет равняться нулю. Другими словами, проводник для достижения нулевого значения должен быть расположен вдоль линии магнитной индукции.

Закон Ампера – определение

Андре Ампер в 1920 году дал определение тому, с какой силой магнитное поле влияет на проводник, помещённый в него. Он установил прямое соотношение между силой, возникающей вокруг проводника, силой тока, модулем магнитной индукции и синусом угла между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Выражение имеет вид:

где:

• FА – сила Ампера, Н;
• В – модуль магнитной индукции;
• I – сила тока, А;
• L – длина отрезка проводника, м.

Определение справедливо для проводника, по которому происходит постоянно направленное движение электронов.

Что такое сила Ампера

Собственно сила ампера и является той силой действия магнитного поля на проводник, по которому идет ток. Сила Ампера вычисляется по формуле как результат умножения плотности тока, идущего по проводнику на индукцию магнитного поля, в котором находится проводник. Как результат формула силы Ампера будет выглядеть так

Где, са – сила Ампера, ст – сила тока, дчп – длина части проводника, ми – магнитная индукция.

Сила Ампера, Закон Ампера, правило левой руки:

• Сила Ампера: это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле
• Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения тока, то отогретый на 90о большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника

История открытия

Впервые его сформулировал Андре Ампер, который применил закон к постоянному току. Открыт он был в 1820 году. Этот закон в будущем имел далеко идущие последствия, ведь без него представить работу целого ряда электрических приборов просто невозможно.

Сила Ампера (при использовании двух параллельных проводников)

Представьте два бесконечных проводника, которые расположены на определённом расстоянии. По ним протекают токи. Если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются. В противоположном случае они будут отталкиваться один от одного. Поля, которые создают параллельные проводники, направлены встречно друг другу.

И чтобы понять, почему они реагируют именно так, вам достаточно вспомнить о том, что одноименные полюса магнитов или одноименные заряды всегда отталкиваются. Для определения стороны направления поля, созданного проводником, следует использовать правило правого винта.

Единицы мощности

Перевод ватты в амперы и наоборот — понятие относительное, потому как это разные единицы измерения. Амперы — это физическая величина силы электрического тока, то есть скорость прохождения электричества через кабель. Ватт — величина электрической мощности, или скорость потребления электроэнергии. Но такой перевод необходим для того, чтобы рассчитать, соответствует ли значение силы тока значению его мощности.

Связь с другими единицами СИ

Что такое амперы с точки зрения связи между электрическими единицами, можно увидеть на примерах:

• при силе тока в 1 ампер (А) поперечное сечение проводника за одну секунду пропускает через себя заряд в 1 кулон (Кл);
• при подаче заряда силой 1 ампер к обкладкам конденсатора с ёмкостью 1 Ф напряжение на пластинах будет расти, увеличиваясь каждую секунду на 1 В;
• ёмкость гальванических источников и аккумуляторов измеряется в ампер-часах (А*ч, или А*h), 1 А*ч = 3660 Кл, такое количество электричества протекает через проводник за 1 час;
• отдаваемая максимальная мощность (ватт) выпрямителей или блоков питания – вторая по значению характеристика подобных источников, имеет маркировку В*А;
• величина электричества в разряде молнии равна приблизительно 500 килоамперам (1 кА = 10³ А);
• лампочка накаливания мощностью 0,1 киловатт (кВт) потребляет 0,5 А.

Обозначение количества ампер наносится на корпуса автоматических выключателей и предохранителей.

Перевод ампера в ватты и киловатты

Знать, как посчитать соответствие ампер ваттам, нужно для того, чтобы определить, какое устройство способно выдержать мощность подключаемых потребителей. К таким устройствам относят защитную аппаратуру или коммутационную.

Перед тем как выбрать, какой автоматический выключатель или устройство защитного отключения (УЗО) установить, нужно посчитать мощности потребления всех подключаемых приборов (утюг, лампы, стиральная машина, компьютер и т.д.). Или же наоборот, зная, какой стоит автомат или защитное устройство отключения, определить, какое оборудование выдержит нагрузку, а какое нет.

Для перевода ампера в киловатты и наоборот существует формула: I=P/U, где I — амперы, P — ватты, U — вольты. Вольты — это напряжение сети. В жилых помещениях используется однофазная сеть — 220 В. На производстве для подключения промышленного оборудования работает электрическая трехфазная сеть, значение которой равно 380 В. Исходя из этой формулы, зная амперы, можно посчитать соответствие ваттам и наоборот — перевести ватты в амперы.

Ситуация: имеется автоматический выключатель. Технические параметры: номинальный ток 25 А, 1-полюс. Нужно посчитать, какую ваттность приборов способен выдержать автомат.

Проще всего технические данные внести в калькулятор и рассчитать мощность. А также можно использовать формулу I=P/U, получится: 25 А=х Вт/220 В.

Чтобы ватты перевести в киловатты,необходимо знать следующие меры мощности в ватт:

• 1000 Вт = 1 кВт,
• 1000 000 Вт = 1000 кВт = МВт,
• 1000 000 000 Вт = 1000 МВт = 1000000 кВт и т.д.

Значит, 5500 Вт =5,5 кВт. Ответ: автомат с номинальным током 25 А может выдержать нагрузку всех приборов общей мощностью 5,5 кВт, не более.

Применяют формулу с данными напряжения и силы тока для того, чтобы подобрать тип кабеля по мощности и силе тока. В таблице приведено соответствие тока сечению провода:

Медные жилы проводов и кабелейСечение жилы, мм²Медные жилы проводов, кабелей

Напряжение 220 В		Напряжение 380 В
Ток, А	Мощность, кВт	Ток, А	Мощность, кВт
1,5	19	4,1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
4	38	8,3	30	19,8
6	46	10,1	40	26,4
10	70	15,4	50	33
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66	260	171,6

Как перевести ватт в ампер

Перевести ватт в ампер нужно в ситуации, когда необходимо поставить защитное устройство и нужно выбрать, с каким номинальным током оно должно быть. Из инструкции по эксплуатации ясно, сколько ватт потребляет бытовой прибор, подключаемый к однофазной сети.

Задача рассчитать, сколько ампер в ваттах или какая соответствует розетка для подключения, если микроволновая печь потребляет 1,5 кВт. Для удобства расчета киловатты лучше перевести в ватты: 1,5 кВт = 1500 Вт. Подставляем значения в формулу и получаем: 1500 Вт / 220 В = 6,81 А. Значения округляем в большую сторону и получаем 1500 Вт в пересчете на амперы — потребление тока СВЧ не менее 7 А.

Если подключать несколько приборов одновременно к одному устройству защиты, то чтобы посчитать, сколько в ваттах ампер, нужно все значения потребления сложить вместе. Например, в комнате используется освещение со светодиодными лампами 10 шт. по 6 Вт, утюг мощностью 2 кВт и телевизор 30 Вт. Сначала все показатели нужно перевести в ватты, получается:

• лампы 6*10= 60 Вт,
• утюг 2 кВт=2000 Вт,
• телевизор 30 Вт.

Теперь можно перевести ампер в ватты, для этого подставляем значения в формулу 2090/220 В = 9,5 А

10 А. Ответ: потребляемый ток около 10 А.

Необходимо знать, как перевести амперы в ватты без калькулятора. В таблице показано соответствие скорости потребления электроэнергии силе тока при однофазной и трехфазной сетях.

Ампер (А)	Мощность (кВт)
	220 В	380 В
2	0,4	1,3
6	1,3	3,9
10	2,2	6,6
16	3,5	10,5
20	4,4	13,2
25	5,5	16,4
32	7,0	21,1
40	8,8	26,3
50	11,0	32,9
63	13,9	41,4

Применение силы Ампера

Применение силы Ампера в современном мире очень широкое, можно даже без преувеличение сказать, что мы буквально окружены силой Ампера. Например, когда вы едете в трамвае, троллейбусе, электромобиле, его в движение приводит именно она, сила Ампера. Аналогичны лифты, электрические ворота, двери, любые электроприборы, все это работает именно благодаря силе Ампера.

Эксперимент

Для того чтобы иметь возможность своими глазами увидеть действие силы Ампера, можно провести дома небольшой эксперимент. Для начала необходимо взять магнит-подкову, в котором между полюсами поместить проводник. Всё желательно воспроизвести так, как на картинке.

Если замкнуть ключ, то можно увидеть, что проводник начнёт двигаться, смещаясь от начальной точки равновесия. Можно поэкспериментировать с направлениями пропускания тока и увидеть, что зависимо от направления движения меняется направление отклонения проводника. Из самого эксперимента можно вынести несколько наблюдений, которые подтверждают вышесказанное:

• Магнитное поле действует исключительно на проводник с током.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила, которая является следствием их взаимодействия. Именно под воздействием этой силы проводник движется в пространстве в границах магнитного поля.
• Характер взаимодействия прямо зависит от напряжения электрического тока и силовых линий магнитного поля.
• Поле не действует на проводник с током, если ток в проводнике течёт параллельно направлению линий поля.

Проверочные задачи по теме: магнитное взаимодействие токов и сила Ампера

Задача 1. Докажите, что два параллельных проводника, в которых текут токи одного направления, притягиваются.

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, следовательно, каждый из двух проводников находится в магнитном поле другого. На первый проводник действует сила Ампера со стороны магнитного поля, созданного током во втором проводнике, и наоборот. Определив по правилу левой руки направления этих сил, выясним, как вести себя проводники.

В ходе решения выполним объяснительные рисунки: изобразим проводники А и В, покажем направление тока в них и др.

Определим направление силы Ампера, действующая на проводник А, находящегося в магнитном поле проводника В.

1) С помощью правила буравчика определим направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного проводником В (рисунок слева). Выясняется, что у проводника А магнитные линии направлены к нам (отметка «•»).

2) Воспользовавшись правилом левой руки, определим направление силы Ампера, действующая на проводник А со стороны магнитного поля проводника В.

3) Приходим к выводу: проводник А привлекается к проводнику В.

Теперь найдем направление силы Ампера, действующая на проводник В, находится в магнитном поле проводника А.

1) Определим направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного проводником А (рисунок справа). Выясняется, что у проводника В магнитные линии направлены от нас (отметка «х»).

2) Определим направление силы Ампера, действующая на проводник В.

3) Приходим к выводу: проводник В привлекается к проводнику А.

Ответ: два параллельных проводника, в которых текут токи одного направления, действительно притягиваются.

Задача 2. Прямой проводник (стержень) длиной 0,1 м массой 40 г находится в горизонтальном однородном магнитном поле индукцией 0,5 Тл. Стержень расположен перпендикулярно магнитных линий поля). Ток какой силы и в каком направлении следует пропустить в стержне, чтобы он не давил на опору (завис в магнитном поле)?

Стержень не будет давить на опору, если сила Ампера уравновесит силу тяжести. Это произойдет при следующих условиях:

1. сила Ампера будет направлена ​​противоположно силе тяжести (то есть вертикально вверх)
2. значение силы Ампера равна значению силы тяжести FA = Fтяж

Направление тока определим, воспользовавшись правилом левой руки.

Определим направление тока. Для этого расположим левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а отогнутый на 90 ° большой палец был направлен вертикально вверх. Четыре вытянутые пальцы укажут направление от нас. Итак, ток в проводнике следует направить от нас.

Учитываем, что FA = Fтяж. FA= BIlsinα, где sin α = 1; Fтяж = mg

Из последнего выражения найдем силу тока: I = mg/Bl

Проверим единицу, найдем значение искомой величины.

Ответ: I = 8 А; Ток в направлении от нас.

Подводим итоги

Силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называют силой Ампера. Значение силы Ампера вычисляют по формуле: FA= BIlsinα, где B — индукция магнитного поля; I — сила тока в проводнике; l — длина активной части проводника; α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Для определения направления магнитной силы Ампера используют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутые пальцы указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90 ° большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Ампера, видео

И в завершение небольшой видео урок о силе Ампера.

Источник