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 экспериментально установил, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса.

Открытие Эрстеда

Электрический ток порождает магнитное поле.

Внешне электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Заслуга окончательного слияния двух этих понятий принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу, разрабатывавшему единую теорию электромагнитных волн с 1850-х годов и до самой его безвременной кончины в 1879 году. Однако появлению уравнений Максвелла предшествовала целая череда открытий первой половины XIX века, начало которой положил датский физик Ханс Кристиан Эрстед.

Эрстеду были свойственны два качества, которые принято считать помехой для успешной карьеры исследователя, а именно, страстное увлечение философией и сильное желание донести науку до понимания масс. В начале своей стажировки в Париже, например, он серьезно подмочил свою научную репутацию, яростно защищая взгляды немецких философов-обскурантистов. На этом фоне и его доводы в пользу наличия связи между электричеством и магнетизмом были восприняты, по крайней мере, современниками, как очередное мистическое пустозвонство. Эрстед утверждал, например, что магнетизм возникает в результате неизбежного конфликта между положительным и отрицательным аспектом электричества.

Чем бы ученый ни руководствовался, но в 1820 году в Копенгагенском университете состоялась его лекция с демонстрацией, на которой он использовал только что изобретенную электрическую батарею в качестве источника тока. На этой лекции Эрстед продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом. Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, прежде всего Ампера, а также Био и Савара (см. Закон Био—Савара), на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.

За преданность Эрстеда делу популяризации науки и публичную демонстрацию только что открытого явления Американская ассоциация учителей физики назвала премию, присуждаемую учителю года, «медалью Эрстеда».

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 $2\pi rB$ , где $2\pi r$ — 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 2x10^–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 6x10²³ электронов.

Энциклопедия Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания».
Джеймс Трефил — профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США), один из наиболее известных западных авторов научно-популярных книг.

Комментарии: 0

Похожее

Закон Био — Савара

Магнитное поле в точке пространства, создаваемое малым отрезком проводника, по которому течет электрический ток, пропорционально силе тока, обратно пропорционально квадрату расстояния от этой точки до проводника и направлено перпендикулярно по отношению и к току, и к направлению на проводник.
Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. По своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения Ньютона, если заменить в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона, на постоянную Кулона. И для этого сходства есть все причины. Согласно современной квантовой теории поля и электрические, и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя элементарными частицами-энергоносителями — фотонами или гравитонами соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у двух этих сил много общего.
Уравнения Максвелла

К середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описывающих электрические и магнитные явления и связи между ними. В частности, были известны: закон Кулона, описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами; теорема Гаусса, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов; закон Био—Савара, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами; законы электромагнитной индукции Фарадея, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках. Эти четыре группы законов и были обобщены Джеймсом Максвеллом, которому удалось объединить их в стройную систему, состоящую из четырех уравнений и исчерпывающим образом описывающую все измеримые характеристики электромагнитных полей и электрических токов.
Законы электромагнитной индукции Фарадея

Изменение магнитного потока, проходящего через площадь, приводит к возникновению электрического поля вдоль контура, ограничивающего эту площадь. Интенсивность этого электрического поля пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Правило Ленца

Индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.
Теорема Гаусса о потоке напряженности электрического поля через замкнутую поверхность

Поток напряженности электрического поля, проходящий через замкнутую поверхность, пропорционален суммарному электрическому заряду, содержащемуся внутри этой поверхности.
Спектр электромагнитного излучения

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.
Электродвигатели постоянного и переменного тока

Электродвигатель постоянного тока. Универсальный электродвигатель постоянного и переменного тока. Электродвигатель постоянного тока с тремя катушками. Бесщеточный электродвигатель постоянного тока. Шаговый электродвигатель. Асинхронный электродвигатель. Вращающееся магнитное поле и синхронная скорость. Однофазный асинхронный электродвигатель. Подключение по схеме «звезда» и «треугольник». Синхронный электродвигатель. Генератор переменного тока.
Электромагнитные волны и уравнения Максвелла

Эмиль Ахмедов

Мой рассказ будет больше историческим: я расскажу о том, как возникла теория Максвелла и понятие электромагнитных волн. Были известны законы Кулона, закон Био — Савара, разные законы индукции Фарадея и другие. Этот набор экспериментальных данных Максвелл попытался описать теоретически. Насколько мне известно, его труд состоит из примерно шестисот страниц. Он пытался чисто механически объяснить законы Фарадея, описывая электромагнитное поле как набор шестеренок с разными сортами зацеплений. В XIX веке механическое описание природы было очень популярно. Большая часть этих шестисот страниц пропала, поскольку в них не было никаких конструктивных утверждений. Может, я немного преувеличиваю, но единственное конструктивное, что было в этом труде Максвелла, — это его уравнения, формулы.
Большой Адронный Коллайдер как инструмент развития математики

Алексей Семихатов

Отчаянные по степени научной смелости и сложности эксперименты на Большом Адронном Коллайдере – это попытка оживить процесс познания Вселенной средствами чистой логики. Этот процесс начался в тот момент, когда Ньютон угадал, что Луна подчиняется в точности тому же закону движения, что и яблоко. С тех пор рафинированный логический анализ – математика – приобрел «непостижимую эффективность» в своей способности делать предсказания, которые непременно сбываются.

Далее >>>

∀ x, y, z

Закон Ампера

Теги

Похожее