Закон Ампера

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Ампера закон.jpg
Взаємодія двох елементарних струмів: а — паралельних, б — антипаралельних (всі відрізки (вектори) лежать в одній площині)

Закон Ампера — закон взаємодії постійних струмів. Установив Андре-Марі Ампер 1820 року. Із закону Ампера виходить, що паралельні провідники з постійними струмами, що течуть в одному напрямі, притягуються, а в протилежному — відштовхуються. Законом Ампера називають також закон, що визначає силу, з якою магнітне поле діє на малий відрізок провідника із струмом.

Сила Ампера — це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Сила Ампера залежить від сили струму , елемента (частини) довжини провідника , кута між напрямом струму і напрямом ліній магнітного поля та магнітної індукції , і задається формулою

У векторній формі силу Ампера записують так:

.

Фізичний зміст закону Ампера[ред. | ред. код]

Під законом Ампера мають на увазі сукупність тверджень і формул, що характеризують силовий вплив на провідник зі струмом з боку магнітного поля — можливо, створеного іншим провідником зі струмом. Закон визначає:

  • силу дії малого відрізка провідника зі струмом на інший малий відрізок зі струмом :
,
де і  — радіус-вектори елементів довжини провідників і , а  — сила дії елемента (яукий створює поле в точці ) на елемент ;  — магнітна стала;
  • силу взаємодії двох провідних замкнутих контурів форми і зі струмами і :
,
де і  — радіус-вектори, які пробігають усі точки контурів , , а  — сила, з якою контур діє на контур . По суті, це інтегрування виразу з попереднього пункту;
  • силу, з якою магнітне поле діє на відрізок провідника зі струмом (A), плоску ділянку зі струмом (А/м) або малий об'єм зі струмом (А/м2):
.
Напрямок сили визначають за правилом обчислення векторного добутку. Її модуль у разі проводу знаходять як , де  — кут між і напрямком струму. Сила найбільша, коли провідник перпендикулярний до ліній магнітної індукції (). Інтегрування дозволяє отримати силу дії поля на об'єкт у цілому.

Випадок двох паралельних провідників[ред. | ред. код]

Два нескінченних паралельних провідники зі струмами у вакуумі

Найвідомішим прикладом, що ілюструє силу Ампера, є така задача. У вакуумі на відстані один від одного розташовані два нескінченних паралельних провідника, в яких в одному напрямку течуть струми і . Потрібно знайти силу, яка діє на одиницю довжини провідника.

За законом Біо — Савара — Лапласа нескінченний провідник зі струмом у точці на відстані створює магнітне поле з індукцією

,

де  — магнітна стал,  — одиничний вектор уздовж кола, віссю симетрії якого є провід зі струмом .

За законом Ампера знайдемо силу, з якою перший провідник діє на малу ділянку другого:

За правилом лівої руки, спрямована в бік першого провідника (аналогічно, сила , яка діє на перший провідник, спрямована в бік другого провідника). Отже, провідники притягуються.

Модуль цієї сили ( — відстань між провідниками):

Інтегруємо за ділянкою провідника довжини (межі інтегрування за від 0 до ):

Якщо  — одинична довжина, то цей вираз задає шукану силу взаємодії.

Прояви закону Ампера[ред. | ред. код]

  • Електродинамічна деформація шин (струмопроводів) трифазного змінного струму на підстанціях під дією струмів короткого замикання.
  • Розсування струмопроводів рейкотрона під час пострілу.

Застосування[ред. | ред. код]

Будь-які вузли в електротехніці, де під дією електромагнітного поля відбувається рух будь-яких елементів, використовують закон Ампера. Принцип роботи електромеханічних машин (рух частини обмотки ротора відносно частини обмотки статора) ґрунтується на використанні закону Ампера, і найпоширений агрегат — це електродвигун, або, що конструктивно майже те саме — генератор. Саме під дією сили Ампера відбувається обертання ротора, оскільки на його обмотку діє магнітне поле статора, приводячи в рух. Будь-які транспортні засоби на електротязі для обертання валів, на яких розміщено колеса, використовують силу Ампера (трамваї, електрокари, електропоїзди тощо).

Також магнітне поле рухає механізми електрозапорів (електродвері, розсувні ворота, двері ліфта). Іншими словами: будь-які пристрої, які працюють на електриці і мають рухомі вузли, засновані на експлуатації закону Ампера.

Також, він застосовується в багатьох інших видах електротехніки, наприклад, у динамічному гучномовці (динаміку): в ньому для збудження мембрани, яка формує звукові коливання, використовують постійний магніт, на нього під дією електромагнітного поля, створюваного розташованим поруч провідником зі струмом, діє сила Ампера, яка змінюється відповідно до потрібної звукової частоти.

Також:

Сила Ампера і третій закон Ньютона[ред. | ред. код]

Нехай є два тонких провідники зі струмами і , що мають форму кривих і , які задані радіус-векторами і .

Для сил взаємодії нескінченно малих ділянок цих провідників третій закон Ньютона не виконується. А саме, сила Ампера для впливу елемента першого провідника на елемент другого не дорівнює взятій із протилежним знаком силі, що діє з боку елемента другого провідника на елемент першого :

.

Тут і  — поле, створюване ділянкою першого і ділянкою другого проводу, відповідно. Цей факт ні в якому разі не компрометує динаміки Ньютона, оскільки постійний струм може протікати тільки по замкнутому контуру — і, отже, третій закон Ньютона зобов'язаний діяти тільки для сил, з якими взаємодіють два замкнутих провідники зі струмом. На відміну від окремих елементів, для замкнутих контурів закон Ньютона виконується:

,

де і  — поле, створюване цілком першим і цілком другим проводом (а не їх окремими ділянками). Поле в кожному випадку знаходять з використанням формули Біо — Савара — Лапласа.

Детальніший виклад

Нехай є два тонких провідники зі струмами і , що мають форму кривих і , які задані радіус-векторами та . Силу, що діє на елемент струму одного дроту з боку елемента струму іншого дроту, знаходять за законом Біо — Савара — Лапласа: елемент струму , розташований у точці < math>\mathbf{r}_1</math>, створює в точці елементарне магнітне поле

.

За законом Ампера сила, що діє з боку поля на елемент струму , розташований у точці , дорівнює

Елемент струму , розташований у точці , створює в точці елементарне магнітне поле

.

Сила Ампера, що діє з боку поля на елемент струму , розташований у точці , дорівнює

У загальному випадку для довільних і сили і навіть не колінеарні, а отже, не підлягають третьому закону Ньютона: .

Цей результат, однак, не вказує на неспроможність динаміки Ньютона в цьому випадку. Загалом, постійний струм може текти лише по замкнутому контуру. Тому третій закон Ньютона має діяти тільки для сил, з якими взаємодіють два замкнуті провідники зі струмом. Можна переконатися, що для таких провідників третій закон Ньютона виконується.

Нехай криві і замкнуті. Тоді струм створює в точці магнітне поле

де інтегрування за виконується в напрямку струму . Сила Ампера, що діє з боку поля на контур зі струмом , дорівнює

де інтегрування за виконується в напрямку струму . Порядок інтегрування несуттєвий.

Аналогічно сила Ампера, що діє з боку поля , створюваного струмом , на контур зі струмом , дорівнює

Рівність еквівалентна рівності

.

Щоб довести цю останню рівність, зауважимо, що вираз для сили Ампера дуже схожий на вираз для циркуляції магнітного поля за замкнутим контуром, у якому зовнішній скалярний добуток замінили векторним добутком.

Користуючись тотожністю Лагранжа, подвійний векторний добуток у лівій частині рівності, що доводиться, можна записати так:

Тоді ліва частина рівності, що доводиться, набуде вигляду:

Розглянемо окремо інтеграл , який можна переписати в такому вигляді:

Виконавши заміну змінної у внутрішньому інтегралі на , де вектор змінюється за замкнутим контуром , виявимо, що внутрішній інтеграл є циркуляцією градієнтного поля за замкнутим контуром. Отже, він дорівнює нулю:

Отже, і весь подвійний криволінійний інтеграл дорівнює нулю. У такому разі для сили можна записати:

Вираз для сили можна отримати з виразу для сили , просто з міркувань симетрії. Для цього проведемо заміну індексів: 2 міняємо на 1, а 1 — на 2. У такому разі для сили можна записати:

Теперь цілком очевидно, що . Отже, сила Ампера в разі замкнутих провідників підпорядкована третьому закону Ньютона.

Деякі історичні аспекти[ред. | ред. код]

Виявлення ефекту[ред. | ред. код]

1820 року Ганс Крістіан Ерстед відкрив, що провід, яким іде струм, створює магнітне поле і змушує відхилятися стрілку компаса. Він помітив, що магнітне поле перпендикулярне до струму, а не паралельне йому, як можна було б очікувати. Ампер, натхненний демонстрацією досліду Ерстеда, виявив, що два паралельні провідники, якими тече струм, притягуються або відштовхуються залежно від того, в одному чи різних напрямках по них тече струм. Таким чином, струм не тільки створює магнітне поле, але магнітне поле діє на струм. Вже через тиждень після оголошення Ерстедом про свій дослід, Ампер запропонував пояснення: провідник діє на магніт, тому що в магніті тече струм по безлічі маленьких замкнутих траєкторій[1][2].

Підбір формули для сили[ред. | ред. код]

Закон взаємодії двох елементарних електричних струмів, відомий як закон Ампера, насправді пізніше запропонував Герман Грассман (тобто його було б правильніше називати законом Грассмана).

Оригінальний закон Ампера мав дещо іншу форму: сила, що діє з боку елемента струму , розташованого в точці , на елемент струму , розташований у точці , дорівнює

.

Силу, що діє з боку елемента струму , розташованого в точці , на елемент струму , розташований у точці , можна отримати з формули сили просто з міркувань симетрії, замінивши індекси: 2 на 1, а 1 на 2.

При цьому , тобто, оригінальний закон Ампера задовольняє третьому закону Ньютона вже в диференціальній формі. Ампер, перепробувавши низку виразів, зупинився саме на такому.

Якщо при розгляді якоїсь задачі розрахунку сили взаємодії (реально, несталих) незамкнутих струмів з порушенням третього закону Ньютона миритися не можна, є варіант використати оригінальний закон Ампера. У разі закону Грассмана при цьому доводиться включати до розгляду додаткову фізичну сутність — магнітне поле, щоб компенсувати недотримання третього закону.

Можна довести, що в інтегральній формі оригінального закону Ампера сили, з якими взаємодіють два замкнуті провідники з постійними струмами, виходять тими самими, що й у законі Грассмана.

Доведення

Щоб довести це, запишемо силу в такому вигляді:

Очевидно, щоб сила вийшла тією ж, що й у законі Грассмана, достатньо довести, що другий доданок дорівнює нулю. Далі другий доданок будемо розглядати без жодних коефіцієнтів перед знаками інтегралів, оскільки ці коефіцієнти в загальному випадку нулю не дорівнюють, і тому нулю має дорівнювати сам подвійний криволінійний інтеграл.

Отже, позначимо . А довести слід, що

Припустимо, що в інтегрування проводиться спочатку за контуром . В цьому випадку можна зробити заміну змінної: , де вектор змінюється за замкнутим контуром . Тоді можна записати

Тепер при інтегрированні за контуром отримаємо деяку векторну функцію від , яку потім проінтегруємо за контуром .

Можна довести, що можна подати у вигляді , де обидва градієнти беруться за змінною . Доведення тривіальне, достатньо провести процедуру взяття градієнтів.

Далі за тотожністю Лагранжа можна записати:

Тут нуль вийшов як ротор градієнтного поля. У результаті вийшов повний диференціал векторної функції

. Значит, теперь можно представить в виде . Цей інтеграл можна взяти, проінтегрувавши окремо кожну проєкцію. Наприклад проінтегруємо проєкцію x.

Інтеграл від повного диференціала за будь-яким замкнутим контуром дорівнює нулю: , тому набуде вигляду:

Цього разу потрібно інтегрувати спочатку за контуром . Зробимо заміну змінної: , де вектор змінюється за замкнутим контуром . Тоді можна записати

де градієнт знову береться за змінною .

Оскільки у виразі знову з'явилася циркуляція градієнтного поля за замкнутим контуром, то .

Аналогічно можна записати для інших двох проєкцій:

Отже, .

Максвелл запропонував найзагальнішу форму закону взаємодії двох елементарних провідників зі струмом, у якій є коефіцієнт k (його не можна визначити без деяких припущень, що базуються на експериментах, у яких активний струм утворює замкнутий контур)[3]:

У своїй теорії Ампер узяв , Гаус прийняв , як Грассман і Клаузіус. У неефірних електронних теоріях Вебер прийняв , а Ріман прийняв . Рітц у своїй теорії залишив невизначеним.

Для сили взаємодії двох замкнутих контурів і з виходить стандартний вираз.

Подробиці розрахунку

Тут перші два доданки об'єднано за тотожністю Лагранжа, третій доданок при інтегруванні за замкнутим контуром і дасть нуль. Справді,

Таким чином, отримуємо форму закону Ампера, дану Максвеллом:

Хоча сила завжди однакова за різних , момент сили може відрізнятися. Наприклад, при взаємодії двох нескінченних проводів, які перетинаються під прямим кутом, сила взаємодії дорівнюватиме нулю. Якщо розрахувати моменти сил, що діють на кожен із проводів, за формулою Грассмана, жоден з них не буде рівним нулю (хоча їх сума буде рівною нулю). Якщо ж розрахувати моменти сил за оригінальним законом Ампера, кожен з них дорівнюватиме нулю.

Закон Ампера як релятивістський ефект[ред. | ред. код]

Електричний струм у провіднику це рух зарядів відносно інших зарядів. Цей рух приводить в СТО до ефектів, які в класичній фізиці пояснюють окремою фізичною сутністю — магнетизмом. У СТО ці ефекти не вимагають уведення магнетизму, і, в першому наближенні, достатньо розгляду кулонівських взаємодій. Для опису закону Ампера в рамках СТО провідник описують прямою з деякою лінійною густиною додатних зарядів і прямою з рухомими зарядами. Заряд інваріантний, тому ефект лоренцевого скорочення довжини створює різницю між густиною додатних і від'ємних зарядів у спочатку нейтральному металевому проводі. Звідси і виникнення сили притягання або відштовхування між двома провідниками зі струмом.[4][5]

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Etienne Klein, Marc Lachieze-Rey. The Quest for Unity: The Adventure of Physics. — New York : Oxford University Press, 1999. — С. 43-44. — ISBN 0-19-512085-X.
  2. Roger G Newton. From Clockwork to Crapshoot: A History of Physics. — The Belknap Press of Harward University Press, 2007. — С. 137. — ISBN 978-0-674-03487-7.
  3. Maxwell, James Clerk. Treatise on Electricity and Magnetism. — Oxford, 1904. — С. 173.
  4. Лекция 1. Магнитостатика. Релятивистский характер магнитного поля. // Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ). Архів оригіналу за 28 грудня 2018. Процитовано 10 січня 2022. 
  5. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 496 с. С.120

Джерела[ред. | ред. код]