Взаимодействие параллельных токов формула силы взаимодействия. §16.Магнитное поле
Одним из проявлений магнитного поля является его силовое воздействие на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Ампером было установлено, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого , действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля:
F = IBℓsinα (15.22)
[α - угол между направлением тока в проводнике и индукцией магнитного поля].
Эта формула оказывается справедливой для прямолинейного проводника и однородного поля.
Если проводник имеет произвольную форму и поле неоднородно то выражение (3.125) принимает вид
dF = IBdℓsinα (15.23)
или в векторной форме
(15.24)
Произведение Idℓ называют элементом тока. Соотношения (15.23), (15.24) выражают закон Ампера.
Для определения направления силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, применяется правило левой руки
: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле
(рис. 15.10).
Эта сила всегда перпендикулярна плоскости, в которой лежат проводник и вектор . Зная направление и модуль силы, действующей на любой участок dℓ проводника, можно вычислить силу, действующую на весь проводник. Для этого нужно найти сумму сил, действующих на все
участки проводника:
Используя закон Ампера, рассмотрим взаимодействие параллельных проводников с током (рис. 15.11). Предположим, что в однородной изотропной среде, относительная магнитная проницаемость которой μ, на расстоянии d друг от друга расположены два проводника. Пусть по одному из них течет ток I 1 а по другому - I 2 водном направлении.
Выделим на проводнике 2 элемент dℓ 2 . На этот элемент будет действовать сила Ампера
dF i = В 1 I 2 ·dℓ i
[ 
- индукция магнитного поля, создаваемого первым проводником в месте нахождения второго проводника].
Вектор направлен перпендикулярно направлению току I, поэтому sinα=1. Учитывая это, находим
(15.25)
Применяя правило левой руки, определяем направление этой силы. Чтобы определить силу F 12 , т. е. силу, действующую со стороны проводника 1 на проводник 2, нужно просуммировать все элементарные силы dF i
Сила, с которой с которой взаимодействуют два проводника пропорциональна произведению токов, текущих по проводникам, и обратно пропорциональна расстоянию между ними.
Если по проводникам текут токи в одинаковых направлениях, то проводники притягиваются, а в противоположных – отталкиваются.
Закон Ампера является основным в учении о магнетизме и играет такую же роль, как и закон Кулона в электростатике.
15.5 Контур с током в магнитном поле. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле
Контур с током, имеющий стороны а и ℓ, помещен в магнитное поле
(рис. 15.12). На каждую сторону контура действует сила Ампера. На горизонтальные стороны ℓ контура действуют силы, которые растягивают или сжимают) контур, не поворачивая его.
На каждую из вертикальных сторон а действует сила F = IВа. Эти силы создают пару сил, момент которой
М = Fℓcosφ (15. 27)
[φ- угол между вектором и стороной контура ℓ.
Момент сил стремится повернуть контур так, чтобы поток Ф, пронизывающий контур, был максимальным. Подставляя в формулу (15.27) выражение для силы, имеем
М = IBaℓcosφ= ISBcosφ= p m Bcos(π/2-α)= = p m B sinα (15.28)
Величину IS называют магнитным моментом контура p m .. Вектор p m совпадает с направлением положительной нормали к плоскости контура.
Механический момент М, действующий на контур с током в однородном магнитном поле, пропорционален магнитному моменту р m контура, индукции В магнитного поля и синусу угла между направлением векторов p m (нормалью к контуру) и .
В векторной форме соотношение (15.28) имеет вид
М = (15.29)
Рассмотрим проводник длиной ℓ с током I, помещённый в однородное внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура и который может свободно перемещаться в этом поле под действием силы Ампера (рис. 15.13).
Под действием этой силы проводник переместится параллельно самому себе на отрезок из положения 1 в положение 2. работа, совершаемая магнитным полем, равна
dA=Fdx=IBℓdx=IBdS=IdФ, (15.30)
так как ℓdx = dS – площадь пересекаемая проводником при его перемещении в магнитном поле, ВdS = dФ – поток вектора магнитной индукции, пронизывающий эту площадь. Таким образом,
dA= IdФ, (15.31)
т.е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересечённый движущимся проводником.
Работа по перемещения проводника с током I из точки 1 в точку 2 определяется по формуле:
(15.32)
Работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле также определяется по формуле. Формула остаётся справедливой для контура любой формы в произвольном магнитном поле.
§ 15.5. Сила Лоренца. Движение частицы в магнитном поле. Эффект Холла
Движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитное поле, которое распространяется в вакууме со скоростью света. При движении заряда во внешнем магнитном поле возникает силовое взаимодействие магнитных полей, определяемое по закону Ампера. Процесс взаимодействия магнитных полей исследовался Лоренцем, который вывел формулу для расчета силы, действующей со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. Лоренц является создателем классической электронной теории. Широко известны его работы в области электродинамики, термодинамики, статической механики, оптики, теории излучения, атомной физики. За исследования влияния магнетизма на процессы излучения в 1902 г. был удостоен Нобелевской премии.
Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд называется силой Лоренца и , равна
F л = qυВsinα (15.33)
где q – заряд частица; - скорость частицы; В – индукция магнитного поля, α- угол между направлением скорости частицы и вектором магнитной индукции.
Эта сила перпендикулярна векторам и .
Направление силы Лоренца, определяется по правилу левой руки : если расположить левую ладонь так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения положительного заряда, а вектор магнитного поля входил в ладонь, то отставленный большой палец покажет направление силы Лоренца, действующей на данный заряд.
С изменением знака заряда направление силы изменяется на противоположное.
Анализируя выражение (3.146), можно сделать выводы:
1. Если скорость заряда =0; F л =0. Магнитное поле не действует на неподвижную частицу.
2. Если частица влетает в магнитное поле параллельно его силовым линиям . α=0°, sin0°=0; F л =0. Магнитное поле не действует на неподвижную заряженную частицу; Частица будет продолжать двигаться равномерно и прямолинейно с той же скоростью, которая у неё была.
3. Если частица влетает перпендикулярно силовым линиям магнитного поля ┴ . α=90°, sin90°=1; F л =qυВ. Сила Лоренца искривляет траекторию движения, выполняя роль центростремительной силы.
Очень важным является использование этого явления при исследовании космических частиц для определения знака заряда. Попадание летящей частицы в магнитное поле вызывает изменение ее траектории в зависимости от знака заряда (рис. 3.59). На рис. 3.59 вектор индукции магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа (от нас). Частица будет двигаться по окружности, радиус R которой можно определить из равенства центростремительной силы и силы Лоренца:
Чем больше скорость частицы, тем больше радиус окружности, по которой она движется, период же обращения ни от скорости, ни от радиуса окружности не зависит.
(15.36)
4. Если частица движется под углом β к линиям , то траектория движения частицы будет винтовой линией (спиралью), охватывающей силовые линии магнитного поля (рис. 3.60).
Шаг h спирали определяется υ т -тангенциальной составляющей скорости υ частицы. Радиус спирали зависит от υ n -нормальной составляющей скорости υ.
В 1892 г. Лоренц получает формулу силы, с которой электромагнитное поле действует на любую находящуюся в нём заряженную частицу:
(15.37)
Эта сила называется электромагнитной силой Лоренца , а данное выражение является одним из основных законов классической электродинамики.
Когда электрический заряд движется одновременно в электрическом и магнитном полях, то результирующая сила, действующая на частицу, равна
F = qυВsinα+ qE (15.38)
В этом случае сила имеет две составляющие: от воздействия магнитного и электрического полей. Между этими составляющими имеется принципиальная разница. Электрическое поле изменяет величину скорости, а следовательно, и кинетическую энергию частицы, однородное магнитное поле изменяет только направление ее движения.
Эффект Холла
Американский ученый Э. Холл обнаружил, что в проводнике, помещенном в магнитное поле, возникает разность потенциалов (поперечная) в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции В и току I, вследствие действия силы Лоренца на заряды, движущиеся в этом проводнике (рис. 3.62).
Опыт показывает, что поперечная разность потенциалов пропорциональна плотности тока j, магнитной индукции и расстоянию d между электродами:
Допустим, что электроны движутся с упорядоченной средней скоростью υ и на каждый электрон действует сила Лоренца, равная еВυ. Под ее действием электроны смещаются так, что одна из граней образца зарядится отрицательно, другая - положительно и внутри образца возникнет электрическое поле, т. е. е υ В = еЕ.
Следовательно, поперечная разность потенциалов равна
Среднюю скорость υ электронов можно выразить через плотность тока j, так как j=neυ , поэтому
Приравнивая это выражение формуле (15.39), получаем .
Постоянная Холла зависит от концентрации электронов.
По измеренному значению постоянной Холла можно: 1) определить концентрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряде носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников, так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда носителей тока. Применяется для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчик Холла
Примеры решения задач
Пример. Прямоугольная рамка со сторонами а= 5см и b=10см, состоящая из N=20 витков, помещена во внешнее однородное магнитное поле с индукцией В=0,2 Тл. Нормаль к рамке составляет с направлением магнитного поля угол . Определите вращающий момент сил, действующий на рамку, если по ней течёт ток I=2А.
Дано : а= 5см=0,05м; b=10см=0,1м; N=20; В=0,2 Тл; . ; I=2А.
Найти : М.
Решение. Механический момент, действующий на рамку с током, помещённую в однородное магнитное поле,
,
- магнитный момент рамки с током. Модуль M=p m Bsinα.
Поскольку рамка состоит N из витков, то M=Np m Bsinα (1)
где магнитный момент рамки с током
p m =IS=Ia b. (2)
Подставив формулу (2) в выражение (1), найдём искомый вращающий момент
M=NIBa bsinα.
Ответ: М=0,02 Н∙м
Пример. По тонкому проволочному кольцу течёт ток. Определите, во сколько раз изменится индукция в центре контура, если проводнику придать форму квадрата, не изменяя силы тока в проводнике.
Решение. Вектор в центре кругового тока направлен при выбранном направлении тока (см.рисунок), согласно правилу правого винта, перпендикулярно чертежу к нам (на рисунке это обозначено точкой в кружочке). Его модуль
где I– сила тока; R- радиус кольца; μ 0 - магнитная постоянная; μ - магнитная проницаемость среды.
Сторона квадрата, вписанная в кольцо, равна (длина окружности кольца 2πR). Вектор в центре квадрата направлен также перпендикулярно чертежу к нам. Магнитная индукция в центре квадрата равна сумме магнитных индукций, создаваемых каждой стороной квадрата. Тогда модуль , согласно закону Био-Савара-Лапласа,
Из формул (1) и (2) получим отношение
Ответ :
Пример. По двум бесконечно длинным прямым параллельным проводникам, находящимся в вакууме на расстоянии R=30см, текут одинаковые токи одного направления. Определите магнитную индукцию В поля, создаваемого токами в точке А, лежащей на прямой, соединяющей проводники и лежащей на расстоянии r=20см правее правого провода (см.рисунок). Сила тока в проводниках равна 20А.
Дано :μ=1; R=30см=0,3м; r=20см=0,2м; I 1 = I 2 =I=20 А.
Найти : B.
Решение.
Пусть токи направлены перпендикулярно плоскости чертежа от 
нам, что обозначено на рисунке крестиками. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводники с токами. Их направление задаётся правилом правого винта. Вектор в каждой точке направлен по касательной к линии магнитной индукции (см. рисунок).
Согласно принципу суперпозиции, магнитная индукция результирующего поля в точке А
где и - магнитная индукция полей в этой точке, создаваемые первым и вторым проводниками. Векторы и и сонаправлены, поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей
В=В 1 +В 2 . (1)
Магнитная индукция полей, создаваемых бесконечно длинными прямыми проводниками с током I 1 и I 2 ,
, 
(2)
где μ 0 – магнитная постоянная; μ- магнитная проницаемость среды.
Подставив выражение (2) в формулу (1) и учитывая, что I 1 =I 2 =I и μ=1 (для вакуума), получим искомое выражение для магнитной индукции в точке А:
Ответ: В=28 мкТл.
Пример. По двум бесконечно длинным прямым параллельным проводникам находящимся в вакууме, расстояние между которыми d=15см, текут токи I 1 =70A и I 2 =50A в одном направлении. Определите магнитную индукцию В поля, в точке А, лежащей удалённой на r 1 =10см от первого и r 1 =20см от второго проводников.
Дано :μ=1; d=15см=0,15 м; I 1 =70A; I 2 =50A; r 1 =10см=0,1м; r 2 =20см=0,2м.
Найти : B.
Решение. Пусть токи направлены перпендикулярно плоскости чертежа к нам. Векторы магнитной индукции направлены по касательной к линиям магнитной индукции.
Согласно принципу суперпозиции, магнитная индукция в точке А (см.рисунок)
где и - соответственно магнитные индукции полей, создаваемые проводниками с током I 1 и I 2
(направления векторов и и токов I 1 и I 2
показаны на рисунке). Модуль вектора по теореме косинусов,
.
Подставив эти выражения в формулу (1), найдём искомое В:
.
Ответ: В=178 мкТл.
Пример. В одной плоскости с бесконечно прямым проводником с током
I=10 A расположена прямоугольная проволочная рамка (сторона а=25см, b=10см), по которой протекает ток I 1 =2А. Длинные стороны рамки параллельны прямому току, причём ближайшая из них находится от прямого тока на расстоянии с=10см и ток в ней сонаправлен току I. Определите силы, действующие на каждую из сторон рамки.
Дано :I=10A; а=25см=0.25м; b=10 см=0.10 м;; I 1 =2 A; с=10см=0,1м.
Найти : F 1 ; F 2 ; F 3 ; F 4 ;
Решение.
Прямоугольная рамка находится в неоднородном поле прямого тока с индукцией
(рассматриваем случай вакуумa), где r – расстояние от прямого тока до рассматриваемой точки.
Сила, с которой действует поле прямого тока, может быть найдена суммированием элементарных сил, определяемых законом Ампера,
Вектор в пределах рамки направлен перпендикулярно её плоскости за чертёж, и в пределах каждой стороны угол . Это означает, что в пределах одной стороны элементарные силы параллельны друг другу и сложение векторов
Можно заменить сложением их модулей:
(2)
где интегрирование ведётся по соответствующей стороне рамки
Короткие стороны рамки расположены одинаково относительно провода, а потому действующие на них силы численно равны, но направлены противоположно. Их направление, впрочем как и направление других сил (см.рисунок), определяется по правилу левой руки. Вдоль каждой из коротких сторон прямоугольника магнитная индукция изменяется [см. формулу (1)]. Тогда, произведя интегрирование [с учётом (2)],
.
Длинные стороны рамки параллельны прямому току, находясь от него соответственно на расстояниях с и с+b. Тогда
;
,
где и 
.
Ответ: F 1 =10 мкН; F 2 =2,77 мкН; F 3 =5 мкН; F 4 =2,77 мкН.
Пример. Электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов U=1 кВ, влетает в однородное магнитное поле с индукцией В=3мТл перпендикулярно линиям магнитной индукции. Определите: 1) силу, действующую на электрон; 2) радиус окружности, по которой электрон движется; 3) период обращения электрона.
Дано : m=9,11∙10 -31 кг; е=1,6∙10 -19 Кл; U=1кВ=1∙10 3 В; В=3мТл=3∙10 -3 Тл; α=90º.
Найти : 1)F; 2) R; 3) T.
Решение. При движении электрона в магнитном поле со скоростью υ на него действует сила Лоренца
F л =eυBsinα,
где α – угол между векторами и (в нашем случае α=90º). Тогда
При прохождении ускоряющей разности потенциалов работа сил электростатического поля идёт на сообщение электрону кинетической энергии ,
Подставив выражение (2) в формулу (1), найдём искомую силу, действующую на электрон,
Из механики известно, что постоянная сила, перпендикулярна скорости, а ею и является сила Лоренца (1), вызывает движение по окружности. Она сообщает электрону нормальное ускорение , где R – радиус окружности. По второму закону Ньютона F=ma, где F=eυB. Тогда
откуда искомый радиус окружности с учётом (2)
Период обращения электрона
Подставив выражение (3) и (2) в формулу (4), найдём искомый период обращения электрона
Ответ: 1)F=9∙10 -15 Н; 2) R=3,56 см; 3) T=11,9 нс.
Пример. Протон, обладая скоростью υ=10 4 м/с, влетает в однородное магнитное поле с индукцией В=10мТл под углом α=60º к направлению линий магнитной индукции. Определите радиус R и шаг h винтовой линии, по которой будет двигаться протон..
Дано : υ=10 4 м/с; е=1,6∙10 -19 Кл; m=1,67∙10 -27 кг; В=10мТл=10∙10 -3 Тл; α=60º.
Найти :R; h.
Решение. Движение протона в однородном магнитном поле со скоростью , направленной под углом α к вектору , происходит по винтовой линии (см. рисунок). Для доказательства этого разложим вектор скорости на составляющие, параллельную (υ х =υcosα) и перпендикулярную (υ у =υsinα) вектору индукции.
Движение в направлении поля происходит с равномерной скоростью υ х, а в направлении, перпендикулярном вектору , под действием силы Лоренца – по окружности ( =const, υ х =const). В результате сложения двух движений траектория результирующего движения протона – винтовая линия (спираль).
Сила Лоренца сообщает протону нормальное ускорение (R- радиус окружности). По второму закону Ньютона, F=ma n , где F л =eυ y B– сила Лоренца. Тогда
Откуда искомый радиус винтовой линии, по которой будет двигаться протон,
Шаг винтовой линии равен расстоянию, пройденному протоном вдоль оси ох за время одного полного оборота, т.е.
h=υ x T= υTcosα, (1)
где период вращения
(2)
Подставив формулу (2) в выражение (1), найдём искомый шаг винтовой линии
Ответ: R=9.04мм; h=3,28 см.
Пример. Между пластинами плоского конденсатора, находящегося в вакууме, создано однородное магнитное поле напряжённостью Н=2кА/м. Электрон движется в конденсаторе параллельно пластинам конденсатора и перпендикулярно направлению магнитного поля со скоростью υ=2 Мм/с. Определите напряжение U, приложенное к конденсатору, если расстояние d между его пластинами составляет 1,99 см..
Дано : μ=1; Н=2кА/м=2∙10 3 А/м; υ=2Мм/с=2∙10 6 м/с; d=1,99 см=1.99∙10 -2 м).
Найти :U.
Решение.
Предположим, что магнитное поле направлено перпендикулярно чертежу от нас. Что указано на рисунке крестиками. Электрон может двигаться перпендикулярно направлению магнитного поля и параллельно пластинам конденсатора (при выбранных направлении магнитного поля и зарядах на пластинах) только так, как указано на рисунке. При этом кулоновская сила (У- напряжённость электрического поля) уравновешивается силой Лоренца F л =eυB (её направление определяется по правилу левой руки). Тогда
Формула, выражающая связь между магнитной индукцией и напряжённость магнитного поля
Для случая вакуума (μ=1) имеет вид В=μ 0 Н, Подставив эту формулу в выражение (1), найдём искомое напряжение на пластинах конденсатора
Ответ: U=100 B.
Пример. Через сечение медной пластинки (плотность меди ρ=8,93 г/см 3) толщиной d=0,1 мм пропускается ток I =5 А. Пластинка с током помещается в однородное магнитное поле с индукцией В=0,5 Тл, перпендикулярное направлению тока и ребру пластинки. Определите возникающую в пластинке поперечную (холловскую) разность потенциалов, если концентрация n свободных электронов равна концентрации n" атомов проводника.
Дано : ρ=8,93 г/см 3 =8,93∙10 3 кг/м 3 ; d=0,1мм=1∙10 -4 м; I=5A; В=0,5 Тл; n = n" ; М=63,5∙10 -3 кг/моль.
Найти :Δφ..
Решение. На рисунке показана металлическая пластинка с током плотностью в магнитном поле , перпендикулярном (как в условии задачи). При данном направлении скорость носителей тока в металлах – электронов – направлена справа налево. Электроны испытывают действие силы Лоренца, которая в данном случае направлена вверх. У верхнего края пластинки возникает повышенная концентрация электронов (он зарядится отрицательно), а у нижнего – их недостаток (зарядится положительно). Поэтому между краями пластинки возникает дополнительное поперечное электрическое поле, направленное снизу вверх.
В случае стационарного распределения зарядов в поперечном направлении (напряженность Е В поперечного поля достигнет такой величины, что его действие на заряды уравновесит силу Лоренца)
или Δφ=υВα (1)
где а – ширина пластинки; Δφ - поперечная (холловская) разность потенциалов.
Сила тока
I=jS=neυS=neυa d, (2)
где S –площадь поперечного сечения пластинки толщиной d; n- концентрация электронов; υ - средняя скорость упорядоченного движения электронов.
Подставив (2) в (1), получим
Согласно условию задачи, концентрация свободных электронов равна концентрации атомов проводника. Следовательно,
, (4)
где N A =6,02∙10 23 моль -1 – постоянная Авогадро; V m - молярный объём меди; М – молярная масса меди; ρ- её плотность.
Подставив формулу (4) в выражение (3), найдём искомую
Пример. Магнитная индукция В на оси тороида без сердечника (внешний диаметр тороида d 1 =60 см, внутренний – d 2 =40см), содержащего N=200 витков, составляет 0,16 мТл. Пользуясь теоремой о циркуляции вектора , определите силу тока в обмотке тороида..
Дано : d 1 =60 см =0,6 м; d 2 =40 см =0,4 м; N=200; B=0,16 мТл=0,16∙10 -3 Тл.
Найти : I.
Решение. Циркуляция вектора
, (1)
т.е. равна алгебраической сумме токов, охватываемых контуром, вдоль которого вычисляется циркуляция, умноженной на магнитную постоянную. В качестве контура выберем окружность, расположенную так же, как и линия магнитной индукции, т.е. окружность некоторым радиусом r, центр которой лежит на оси
тороида. Из условия симметрии следует, что модуль вектора во всех точках линии магнитной индукции одинаков, а поэтому выражение (1) можно записать в виде
(2)
(учли, что сила тока во всех витках одинакова, а контур охватывает число токов, равное числу витков тороида). Для средней линии тороида). Для средней линии тороида . Подставив r в (2), получим искомую силу тока:
.
Ответ : I=1 A
Пример. В одной плоскости с бесконечным прямолинейным проводом, по которому течёт ток I=10А, расположена квадратная рамка со стороной а=15 см. Определите магнитный поток Ф, пронизывающий рамку, если две стороны рамки параллельны проводу, а расстояние d от провода до ближайшей стороны рамки составляет 2 см.
Дано : I=10А ; а=15 см =0,15 м; d=2 см=0,02м.
Найти : Ф.
Решение.
Магнитный поток Ф сквозь поверхность площадью вычисляется по формуле:
Квадратная рамка находится в неоднородном поле прямого тока с индукцией
(рассматриваем случай вакуума), где х – расстояние от провода до рассматриваемой точки.
Магнитное поле создаётся прямым током (направление показано на рисунке), и вектор перпендикулярен плоскости рамки (направлен перпендикулярно чертежу от нас, что на рисунке изображено крестиками), поэтому для всех точек рамки В n =В.
Площадь рамки разобьём на узкие элементарные площадки шириной dx и площадью a dx (см. рисунок), в пределах которых магнитную индукцию можно считать постоянной. Тогда поток сквозь элементарную площадку
. (1)
Проинтегрировав выражение (1) в пределах от до, найдём искомый магнитный поток
.
Ответ : Ф=0,25 мкВб
Пример. Круговой проводящий контур радиусом r=6см и током I=2А установился в магнитном поле так, что плоскость контура перпендикулярна направлению однородного магнитного поля с индукцией В=10мТл. Определите работу, которую следует совершить, чтобы медленно повернуть контур на угол относительно ос, совпадающий с диаметром контура..
Дано : r=6 см =0,06 м; I=2 А ; B=10 мТл=10∙10 -3 Тл; .
Найти : А вн.
Решение. Работа сил поля по перемещению замкнутого проводника с током I
A=I(Ф 2 -Ф 1), (1)
где Ф 1 и Ф 2 - потоки магнитной индукции, пронизывающие контуры в начальном и конечном положениях. Ток в контуре считаем постоянным, так как при медленном повороте контура в магнитном поле индукционными токами можно пренебречь.
Поток магнитной индукции сквозь плоский контур площадью S в однородном магнитном поле с индукцией В
где α– угол между вектором нормали к поверхности контура и вектором магнитной индукции .
В начальном положении, рис. a , контура (контур установился свободно) поток магнитной индукции максимален (α=0; cosα=1) и Ф 1 =BS (S- площадь контура), а в конечном положении, рис. б ( ; cosα=0), Ф 2 =0.
Тогда, подставив эти выражения в формулу (1), найдём, что
(учли, что площадь кругового контура S=πr 2).
Работа внешних сил направлена против сил поля (равна ей по модулю, но противоположна по знаку), поэтому искомая работа
A вн =πIBr 2 .
Ответ: А вн =226 мкДж.
На магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. Французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи). Характеристика, для описания магнитного поля - вектор магнитной индукции . Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле. За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора . Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Δl этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции: F ~ IΔl sin α
Эта сила называется силой Ампера . Она достигает максимального по модулю значения F max , когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора определяется следующим образом: модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δl:
В общем случае сила Ампера выражается соотношением: F = IBΔl sin α
Это соотношение принято называть законом Ампера. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).
Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10 –4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки. Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в системе СИ для определения единицы силы тока – ампера: Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2·10 –7 H на каждый метр длины. Формула, выражающая закон магнитного взаимодействия параллельных токов, имеет вид:
14. Закон Био-Савара-Лапласа. Вектор магнитной индукции. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.
Закон Био Савара Лапласа определяет величину модуля вектора магнитной индукции в точке выбранной произвольно находящейся в магнитном поле. Поле при этом создано постоянным током на некотором участке.
Магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока:
Элемент
тока длины dl создает
поле с магнитной индукцией:
или в векторной
форме:
Здесь I – ток; – вектор, совпадающий с элементарным участком тока и направленный в ту сторону, куда течет ток; – радиус-вектор, проведенный от элемента тока в точку, в которой мы определяем ; r – модуль радиус-вектора; k
Вектор магнитной индукции - это основная силовая характеристика магнитного поля (обозначается ). Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через и точку, в которой вычисляется поле.
Направление связано с направлением « правилом буравчика »: направление вращения головки винта дает направление , поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.
Таким образом, закон Био–Савара–Лапласа устанавливает величину и направление вектора в произвольной точке магнитного поля, созданного проводником с током I.
Модуль
вектора определяется
соотношением:
где α – угол между и ; k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц.
В
международной системе единиц СИ закон
Био–Савара–Лапласа для вакуума можно
записать так:
где 
–
магнитная постоянная.
Теорема
о циркуляции вектора
: циркуляция
вектора магнитной индукции равна току,
охваченному контуром, умноженному
на магнитную постоянную.
,
Взаимодействие неподвижных зарядов описывается законом Кулона. Однако закон Кулона недостаточен для анализа взаимодействия движущихся зарядов. В опытах Ампера впервые появилось сообщение о том, что движущиеся заряды (токи) создают в пространстве некоторое поле, приводя к взаимодействию этих токов. Было установлено, что токи противоположных направлений отталкиваются, а одного направления – притягиваются. Поскольку оказалось, что поле тока, действует на магнитную стрелку точно так же, как и поле постоянного магнита, то это поле тока называли магнитным. Поле тока называется магнитным полем. Впоследствии было установлено, что у этих полей одна и та же природа.
Взаимодействие элементов тока .
Закон взаимодействия токов был открыт экспереметально задолго до создания теории относительности. Он значительно сложнее закона Кулона, описывающего взаимодействие неподвижных точечных зарядов. Этим и объясняется, что в его исследовании приняли участие многие ученые, а существенный вклад внесли Био (1774 — 1862), Савар (1791 — 1841), Ампер (1775 — 1836) и Лаплас(1749 — 1827).
В 1820 г. Х. К. Эрстед (1777 — 1851) открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. В этом же году Био и Савар сформулировали закон для силы dF , с которой элемент тока I DL действует на магнитный полюс, удаленный на расстояние R от элемента тока:
DF I dL (16.1)
Где – угол, характеризующий взаимную ориентацию элемента тока и магнитного полюса. Функция вскоре была найдена экспериментально. Функция F (R ) Теоретически была выведена Лапласом в виде
F (R ) 1/r. (16.2)
Таким образом, усилиями Био, Савара и Лапласа была найдена формула, описывающая силу действия тока на магнитный полюс. В окончательном виде закон Био-Савара-Лапласа был сформулирован в 1826г. В виде формулы для силы, действующей на магнитный полюс, поскольку понятия напряженности поля еще не существовало.
В 1820г. Ампер открыл взаимодействие токов – притяжение или отталкивание параллельных токов. Им была доказана эквивалентность соленоида и постоянного магнита. Это позволило четко поставить задачу исследования: свести все магнитные взаимодействия к взаимодействию элементов тока и найти закон, играющий в магнетизме роль, аналогичную закону Кулона в электричестве. Ампер по своему образованию и склонностям был теоретиком и математиком. Тем не менее при исследовании взаимодействия элементов тока он выполнил очень скрупулезные экспериментальные работы, сконструировав ряд хитроумных устройств. Станок Ампера для демонстраци сил взаимодействия элементов тока. К сожалению, ни в публикациях, ни в его бумагах не осталось описания пути, каким он пришел к открытию. Однако формула Ампера для силы отличается от (16.2) наличием в правой части полного дифференциала. Это отличие несущественно при вычислении силы взаимодействия замкнутых токов, поскольку интеграл от полного дифференциала по замкнутому контуру равен нулю. Учитывая, что в экспериментах измеряется не сила взаимодействия элементов тока, а сила взаимодействия замкнутых токов, можно с полным основанием считать Ампера автором закона магнитного взаимодействия токов. Используемая в настоящее время формула для взаимодействия токов. Используемая в настоящее время формула для взаимодействия элементов тока была получена в 1844г. Грассманом (1809 — 1877).
Если ввести 2 элемента тока и , то сила, с которой элемент тока действует на элемент тока будет определяться следующей формулой:
, (16.2)
Точно также можно записать:
(16.3)
Легко видеть:
Так как векторы и имеют между собой угол не равный 180°, то очевидно 
, т. е. III-ий закон Ньютона для элементов тока не выполняется. Но если вычислить силу, с которой ток , текущий по замкнутому контуру , действует на ток , текущий по замкнутому контуру :
, (16.4)
А затем вычислить , то , т. е. для токов Ш-ий закон Ньютона выполняется.
Описание взаимодействия токов с помощью магнитного поля.
В полной аналогии с электростатикой взаимодействие элементов тока представляется двумя стадиями: элемент тока в месте нахождения элемента создает магнитное поле, которое действует на элемент с силой . Поэтому элемент тока создает в точке нахождения элемента тока магнитное поле с индукцией
. (16.5)
На элемент , находящийся в точке с магнитной индукцией , действует сила
(16.6)
Соотношение (16.5), которое описывает порождение магнитного поля током, называется законом Био-Савара. Проинтегрировав (16.5) получим:
(16.7)
Где — радиус-вектор, проведенный от элемента тока к точке, в которой вычисляется индукция .
Для объемных токов закон Био-Савара имеет вид:
, (16.8)
Где j – плотность тока.
Из опыта следует, что для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции, т. е.
Пример.
Дан прямой бесконечный ток J. Вычислим индукцию магнитного поля в точке М на расстоянии r от него.
= .
= 
= . (16.10)
Формула (16.10) определяет индукцию магнитного поля, созданного прямым током.
Направление вектора магнитной индукции Приведено на рисунках.
Сила Ампера и сила Лоренца.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера. Фактически эта сила
Или 
, где
Перейдем к силе, действующей на проводник с током длиной L
.
Тогда = и 
.
Но ток можно представить как , где — средняя скорость, n – концентрация частиц, S – площадь поперечного сечения. Тогда
, где . (16.12)
Так как , . Тогда , где 
— сила Лоренца, т. е. сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле. В векторном виде
При сила Лоренца равна нулю, т. е. она не действует на заряд, который движется вдоль направления . При , т. е. сила Лоренца перпендикулярна скорости: .
Как известно из механики, если сила перпендикулярна скорости, то частицы движутся по окружности радиуса R, т. е. ,
Сила взаимодействия параллельных токов. Закон Ампера
Если взять два проводника с электрическими токами, то они будут притягиваться друг к другу, если токи в них направлены одинаково и отталкиваться, если токи текут в противоположных направлениях. Сила взаимодействия, которая приходится на единицу длины проводника, если они параллельны, может быть выражена как:
где $I_1{,I}_2$ -- токи, которые текут в проводниках, $b$- расстояние между проводниками, $в\ системе\ СИ\ {\mu }_0=4\pi \cdot {10}^{-7}\frac{Гн}{м}\ (Генри\ на\ метр)$ магнитная постоянная.
Закон взаимодействия токов был установлен в 1820 г. Ампером. На основании закона Ампера устанавливают единицы силы тока в системах СИ и СГСМ. Так как ампер равен силе постоянного тока, который при течении по двум параллельным бесконечно длинным прямолинейным проводникам бесконечно малого кругового сечения, находящихся на расстоянии 1м друг от друга в вакууме вызывает силу взаимодействия этих проводников равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр длины.
Закон Ампера для проводника произвольной формы
Если проводник с током находится в магнитном поле, то на каждый носитель тока действует сила равная:
где $\overrightarrow{v}$ -- скорость теплового движения зарядов, $\overrightarrow{u}$ -- скорость упорядоченного их движения. От заряда, это действие передается проводнику, по которому заряд перемещается. Значит, на проводник с током, который находится в магнитном, поле действует сила.
Выберем элемент проводника с током длины $dl$. Найдем силу ($\overrightarrow{dF}$) с которой действует магнитное поле на выделенный элемент. Усредним выражение (2) по носителям тока, которые находятся в элементе:
где $\overrightarrow{B}$ -- вектор магнитной индукции в точке размещения элемента $dl$. Если n -- концентрация носителей тока в единице объема, S -- площадь поперечного сечения провода в данном месте, тогда N -- число движущихся зарядов в элементе $dl$, равное:
Умножим (3) на количество носителей тока, получим:
Зная, что:
где $\overrightarrow{j}$- вектор плотности тока, а $Sdl=dV$, можно записать:
Из (7) следует, что сила, действующая на единицу объема проводника равна, плотность силы ($f$):
Формулу (7) можно записать в виде:
где $\overrightarrow{j}Sd\overrightarrow{l}=Id\overrightarrow{l}.$
Формула (9) закон Ампера для проводника произвольной формы. Модуль силы Ампера из (9) очевидно равен:
где $\alpha $ -- угол между векторами $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{B}$. Сила Ампера направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{B}$. Силу, которая действует на провод конечной длины можно найти из (10) путем интегрирования по длине проводника:
Силы, которые действуют на проводники с токами, называют силами Ампера.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки (Левую руку надо расположить так, чтобы линии поля входили в ладонь, четыре пальца были направлены по току, тогда отогнутый на 900 большой палец укажет направление силы Ампера).
Пример 1
Задание: Прямой проводник массой m длиной l подвешен горизонтально на двух легких нитях в однородном магнитном поле, вектор индукции этого поля имеет горизонтальное направление перпендикулярное проводнику (рис.1). Найдите силу тока и его направление, который разорвет одну из нитей подвеса. Индукция поля B. Каждая нить разорвется при нагрузке N.
Для решения задачи изобразим силы, которые действуют на проводник (рис.2). Будем считать проводник однородным, тогда можно считать, что точка приложения всех сил - середина проводника. Для того, чтобы сила Ампера была направлена вниз, ток должен течь в направлении из точки А в точку В (рис.2) (На рис.1 магнитное поле изображено, направленным на нас, перпендикулярно плоскости рисунка).
В таком случае уравнение равновесия сил, приложенных к проводнику с током запишем как:
\[\overrightarrow{mg}+\overrightarrow{F_A}+2\overrightarrow{N}=0\ \left(1.1\right),\]
где $\overrightarrow{mg}$ -- сила тяжести, $\overrightarrow{F_A}$ -- сила Ампера, $\overrightarrow{N}$ -- реакция нити (их две).
Спроектируем (1.1) на ось X, получим:
Модуль силы Ампера для прямого конечного проводника с током равен:
где $\alpha =0$ -- угол между векторами магнитной индукции и направлением течения тока.
Подставим (1.3) в (1.2) выразим силу тока, получим:
Ответ: $I=\frac{2N-mg}{Bl}.$ Из точки А и точку В.
Пример 2
Задание: По проводнику в виде половины кольца радиуса R течет постоянный ток силы I. Проводник находится в однородном магнитном поле, индукция которого равна B, поле перпендикулярно плоскости, в которой лежит проводник. Найдите силу Ампера. Провода, которые подводят ток вне поля.
Пусть проводник находится в плоскости рисунка (рис.3), тогда линии поля перпендикулярны плоскости рисунка (от нас). Выделим на полукольце бесконечно малый элемент тока dl.
На элемент тока действует сила Ампера равная:
\\ \left(2.1\right).\]
Направление силы определяется по правилу левой руки. Выберем координатные оси (рис.3). Тогда элемент силы можно записать через его проекции (${dF}_x,{dF}_y$) как:
где $\overrightarrow{i}$ и $\overrightarrow{j}$ -- единичные орты. Тогда силу, которая действует на проводник, найдем как интеграл по длине провода L:
\[\overrightarrow{F}=\int\limits_L{d\overrightarrow{F}=}\overrightarrow{i}\int\limits_L{dF_x}+\overrightarrow{j}\int\limits_L{{dF}_y}\left(2.3\right).\]
Из-за симметрии интеграл $\int\limits_L{dF_x}=0.$ Тогда
\[\overrightarrow{F}=\overrightarrow{j}\int\limits_L{{dF}_y}\left(2.4\right).\]
Рассмотрев рис.3 запишем, что:
\[{dF}_y=dFcos\alpha \left(2.5\right),\]
где по закону Ампера для элемента тока запишем, что
По условию $\overrightarrow{dl}\bot \overrightarrow{B}$. Выразим длину дуги dl через радиус R угол $\alpha $, получим:
\[{dF}_y=IBRd\alpha cos\alpha \ \left(2.8\right).\]
Проведем интегрирование (2.4) при $-\frac{\pi }{2}\le \alpha \le \frac{\pi }{2}\ $подставив (2.8), получим:
\[\overrightarrow{F}=\overrightarrow{j}\int\limits^{\frac{\pi }{2}}_{-\frac{\pi }{2}}{IBRcos\alpha d\alpha }=\overrightarrow{j}IBR\int\limits^{\frac{\pi }{2}}_{-\frac{\pi }{2}}{cos\alpha d\alpha }=2IBR\overrightarrow{j}.\]
Ответ: $\overrightarrow{F}=2IBR\overrightarrow{j}.$
Сила Ампера
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная
F = I·L·B·sina
I - сила тока в проводнике;
B - модуль вектора индукции магнитного поля;
L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;
a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.
Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.
Максимальная сила Ампера равна:
Ей соответствует a = 900.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.
В ходе эксперимента мы наблюдали силу, которую нельзя обЪяснить в рамках электростатики. Когда в двух параллельных проводниках ток идет только в одном направлении, между ними существует сила притяжения. Когда токи идут в противоположных направлениях, провода отталкиваются друг от друга.
Фактическое значение этой силы действующей между параллельными токами, и ее зависимость от расстояния между проводами могут быть измерены с помощью простого устройства в виде весов. В виду отсутствия таковых, примим на веру, результаты опытов которые показывают, что эта сила обратно пропорциональна расстоянию между осями проводов: F (1/r).
Поскольку эта сила должна быть обусловлена каким – то влиянием, распространяющимся от одного провода к другому, то такая цилиндрическая геометрия создаст силу, зависящую обратно пропорционально первой степени расстояния. Вспомним, что электростатическое поле распространяется от заряженного провода тоже с зависимостью от расстояния вида 1/r.
Исходя из опытов видно также что сила взаимодействия между проводами зависит от произведения протекающих по ним токов. Из симметрии можно сделать вывод что если эта сила пропорциональна I1 , она должна быть пропорциональна и I2. То, что эта сила прямо пропорциональна каждому из токов, представляет собой просто экспериментальный факт.
Добавляя коэффициент пропорциональности, можем теперь записать формулу для силы взаимодействия двух параллельных проводов: F (l/r, F (I1 I2); следовательно,
Коэффициент пропорциональности будет содержать связанный с ним множетель 2(, не в саму константу.
Взаимодействие между двумя парралельными проводами выражается в виде силы на еденицу длины. Чем длиннее провода тем больше сила:
Расстояние r между осями проводов F/l измеряется в метрах. Сила на 1 метр длины измеряется в ньютонах на метр, и токи I1 I2 – в амперах.
В школьном курсе физики первым дается определение кулону через ампер, не давая при этом определения амперу, и затем принимается на веру значение константы, появляющейся в законе Кулона.
Только теперь возможно перейти ктому, чтобы рассмотреть определение ампера.
Когда полагается что уравнение для F/l определяет ампер. Константа называется магнитной постоянной. Она аналогична константе 0 - электрической постоянной. Однако в присвоении значений этим двум константам имеется операционное различие. Мы можем выбирать для какой-нибудь одной из них любое произвольное значение. Но затем вторая константа должна определяться на опыте, поскольку кулон и ампер связаны между собой.
Исходя теперь из выше описанной формулы значение ампера можно выразить словами: если взаимодействие на 1м длины двух длинных параллельных проводов, находящихся на расстоянии 1м друг от друга, равна 2*10-7 Н, то ток в каждом проводе равен 1А.
В случае, когда взаимодействующие провода находятся перпендикулярно друг к другу, имеется лиш очень небольшая область влияния, где провода проходят близко друг к другу, и поэтому можно ожидать, что будет мала и сила взаимодействия между проводами. На самом деле эта сила равна нулю. Поскольку силу можно считать положительной, когда токи параллельны, и отрицательной, когда токи антипараллельны, вполне правдоподобно, что эта сила должна быть равна нулю, когда провода перпендикулярны, ибо это нулевое значение лежит посередине между положительными и отрицательными значениями.
Единица измерения в СИ - 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.
Для измерения силы тока используют специальный прибор - амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).