В 1820 ампер установил что два параллельных проводника с током: Ампер, Андре Мари

Ампер, Андре Мари

 XPOHOC ВВЕДЕНИЕ В ПРОЕКТ ФОРУМ ХРОНОСА НОВОСТИ ХРОНОСА БИБЛИОТЕКА ХРОНОСА ИСТОРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ БИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЕ ТАБЛИЦЫ СТРАНЫ И ГОСУДАРСТВА ЭТНОНИМЫ РЕЛИГИИ МИРА СТАТЬИ НА ИСТОРИЧЕСКИЕ ТЕМЫ МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ КАРТА САЙТА АВТОРЫ ХРОНОСА Родственные проекты: РУМЯНЦЕВСКИЙ МУЗЕЙ ДОКУМЕНТЫ XX ВЕКА ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ ПРАВИТЕЛИ МИРА ВОЙНА 1812 ГОДА ПЕРВАЯ МИРОВАЯ СЛАВЯНСТВО ЭТНОЦИКЛОПЕДИЯ АПСУАРА РУССКОЕ ПОЛЕ

Андре Мари Ампер Ампер (Ampere) Андре Мари (AMPERE Andre-Marie)  (1775-1836), французский ученый, иностранный член Петербургской АН (1830), один из основоположников электродинамики. Предложил правило, названное его именем, открыл (1820) механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера). Построил первую теорию магнетизма. Ампер (Ampere Andre Marie) — знаменитый математик и естествоиспытатель, родившийся в Лионе 22 янв. 1775 г.; по смерти своего отца, гильотинированного в 1793 г., А. был сперва репетитором в политехнической школе в Париже, затем занимал сначала кафедру физики в Бурге, а с 1805 года кафедру математики в парижской политехнической школе, где он проявил себя и на литературном поприще, впервые выступив с сочинением: «Considerations sur la theorie mathematique dujeu» (Лион, 1802 г.). В 1814 г. он сделался членом академии наук, в 1824 г. — профессором экспериментальной физики в College ае France; умер 10-го июня 1836 г. в Марселе. Математика, механика и физика обязаны А. важными исследованиями; его электродинамическая теория стяжала ему неувядаемую славу. Его взгляд на единую первоначальную сущность электричества и магнетизма, в чем он по существу сходился с датским физиком Эрштедтом, превосходно изложен им в «Recueil d’observations lectrodynamiques» (Париж, 1822), в «Precis de la theorie des phenomenes electrodynamiques» (Париж, 1824 г.) и в «Theorio des phenomenes electrodynamiques». Разносторонний талант А. не остался безучастным и в истории развитая химии, которая отводить ему одну из почетных страниц и считает его, совместно с Авогадро автором важнейшего закона современной химии. В честь этого ученого единица силы гальванического тока названа «ампером», а измерительные приборы-«амперометрами». (Ср. Оствальд, «Klassiker der exacten Wissenschaften ј8». «Die Grnindlagen der Molekulartbeorie», Abhandlangen v. A. Avogadro und Ampere, 1889). Кроме этого Амперу принадлежит еще труд «Essais sui la philosophie des Sciences» (2 т., 1834-43; 2-е издание, 1857). Ср. Бартелеми и Сентилер, «Philosophie ае deux Amperes» (Париж, 1866 г. ). .  Ф.А. Брокгауз, И.А. Ефрон Энциклопедический словарь.   Ампер, став позже воистину великим учёным, начинал свою карьеру репетитором. И нет в том ничего зазорного. И не только во времена Ампера, но тем более сегодня. Вообще мы живём во время странных и нездоровых парадоксов. Оказывается, что заказать контрольную у репетитора и сдать её учителю есть зло великое. И это в то самое время, когда на всю Ивановскую провозглашается, что государственные чиновники, медицинские работники и школьные учителя с вузовскими преподавателями — всего лишь работники, так сказать, сферы услуг! И возмущает вовсе тут не то, что это на самом деле не так (особенно, конечно, в части «услужливых» чиновников бюрократического аппарата). Возмущает, что всех нас заставляют поверить в эту ложь. Помогать школьникам и студентам за деньги это, видите ли, плохо. А с высокой трибуны, будучи госчиновником высокого уровня, врать, что «в России олигархов не существует» это нормально. Вот до чего доводит плюрализм в одной голове!   Ампер Андре Мари Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 года. Его отец Жан-Жак Ампер вместе со своими братьями торговал лионскими шелками. Мать Жанна Сарсе — дочь одного из крупных лионских торговцев. Детство Андре прошло в небольшом поместье Полемье, купленном отцом в окрестностях Лиона. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математическим наукам. Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков. В возрасте тринадцати лет, он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике. В 1793 году в Лионе вспыхнул мятеж, который вскоре был подавлен. За сочувствие мятежникам был обезглавлен Жан-Жак Ампер. По приговору суда почти все имущество было конфисковано. Ампер решил переселиться в Лион и давать частные уроки математики. В 1802 году Ампера пригласили преподавать физику и химию в Центральную школу города Бурк-ан-Бреса, в шестидесяти километрах от Лиона. В конце 1804 года Ампер покинул Лион и переехал в Париж, где он получил должность преподавателя Политехнической школы. Основная задача школы заключалась в подготовке высокообразованных технических специалистов с глубокими знаниями физико-математических наук. В 1807 году Ампер был назначен профессором Политехнической школы. В 1808 году он получил место главного инспектора университетов. Время расцвета научной деятельности Ампера приходится на 1814-1824 годы и связано с Академией наук, в число членов которой он был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики. Практически до 1820 года основные интересы ученого сосредоточивались на проблемах математики, механики и химии. Вопросами физики в то время он занимался очень мало. Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники. Не оставляет он и занятий химией. К его достижениям в области химии отнестится открытие, независимо от Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов. В 1820 году физик Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто свойство электрического тока — создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление и открыл взаимодействие токов. Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты. Ампер решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике. В 1826 году выходит из печати «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В 1824 году Ампер был избран на должность профессора Коллеж де Франс. Ему предоставили кафедру общей и экспериментальной физики. В 1835 году он опубликовал работу, в которой доказал сходство между световым и тепловым излучениями и показал, что все излучения при поглощении превращаются в тепло. Ампер разработал систему классификации наук, которую намеревался изложить в двухтомном сочинении. В 1834 году вышел первый том «Опыты философии наук или аналитического изложения естественной классификации всех человеческих знаний». Ампер ввел такие слова, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид». Ампер высказал мысль о том, что, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именовать ее «кибернетикой». Ампер умер от воспаления легких 10 июля 1836 года в Марселе во время инспекционной поездки. Там же он и был похоронен. Далее читайте: Ученые с мировым именем.

Магнитного поля — Студопедия

И Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции для

Магнитное поле и его характеристики. Законы Ампера

Все мы слышали слова “магнитное поле”, знаем, что постоянные магниты притягивают металлы, знаем, что стрелка компаса ориентируется вдоль магнитного поля Земли. Сейчас мы более детально познакомимся с тем, что мы называем “магнитное поле”. Итак, учение о магнетизме ведёт своё начало с опытов датского физика Х. Эрстеда, который в 1820 г. обнаружил, что проводник с током оказывает ориентирующее воздействие на магнитную стрелку. Схема опыта Эрстеда показана на рис. 3.1. При включении тока через прямолинейный проводник магнитная стрелка устанавливалась перпендикулярно току. При смене направления тока в проводнике изменялось и направление магнитной стрелки. В том же 1820 г. французский физик Ампер установил, что два параллельных прямых проводника с током, размещённых на некотором расстоянии R друг от друга, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если токи в этих проводниках противоположно направлены. Он же установил и формулу силы, приходящейся на единицу длины каждого проводника. Сейчас выражение для этой силы записывается в виде

. (3.1)

Здесь I₁ и I₂ – токи в проводниках, m₀ = 4p·10^-7 Г/м – так называемая магнитная постоянная. Так было показано, что электрические токи могут создавать магнитное поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между током и постоянным магнитом – как в опыте Х.Эрстеда и между токами – как в опыте Ампера. Из опытов Эрстеда и Ампера следовало, что магнитное поле должно иметь направление и, следовательно, величина, характеризующая это поле, должна быть векторной. По историческим причинам, основной силовой характеристикой магнитного поля была названа величина, которая называется «магнитная индукция» и обозначается В.Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Эта величина названа в честь сербского физика Н. Тесла.Ампер же установил и закон, который определяет силу, действующую на элемент тока Idl в магнитном поле

dF = I [d l,B]. (3.2)

Квадратные скобки в формуле (3.2) обозначают векторное произведение. Модуль векторного произведения (3.2) определяется как

dF = IdlBsina , (3. 3)

где a – угол между векторами dl и B. Здесь же отметим, что направление силы перпендикулярно плоскости, в которой лежат перемножаемые векторы и определяется правилом правого винта для определения направления векторного произведения.

Из выражения (3.3) следует и определение величины Тесла. А именно, если положить a = 90⁰, то sina = 1, и тогда из формулы (3.3) следует, что , или , или магнитному полю с индукцией в 1 Тл соответствует сила в 1 Н, действующая на кусок прямолинейного проводника в 1 м, по которому течёт ток силой в 1 А при взаимно перпендикулярном расположении проводника и магнитного поля.

Так как магнитное поле является силовым, то его можно графически изобразить при помощи линий магнитной индукции, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением индукции магнитного поля в этой же точке. Подчеркнём, что основная силовая характеристика магнитного поля – это индукция. В этом смысле индукция магнитного поля аналогична напряжённости электрического поля. Кроме того, имеется и вспомогательная характеристика магнитного поля, которая называется напряжённостью магнитного поля, и эта величина аналогична электрическому смещению для электрического поля. Для однородной изотропной среды связь между напряжённостью и индукцией магнитного поля имеет следующий вид:

. (3.4)

Здесь m – так называемая магнитная проницаемость среды, о которой мы будем говорить позднее.

Из опытов Эрстеда и Ампера следовало, что магнитное поле создаётся электрическими токами. Французские физики Био и Савар попытались установить закон, определяющий связь между током и создаваемым этим током магнитным полем. Они проделали много опытов, собрали большой фактический материал, но не смогли установить искомую зависимость из своих результатов. Тогда они обратились за помощью к тогда уже известному другому французскому учёному Лапласу. Лаплас проанализировал результаты опытов Био и Савара и предложил формулу, которая сейчас называется законом Био-Савара-Лапласа, и которая вместе с принципом суперпозиции для магнитного поля позволяет определить магнитное поле, создаваемое любым проводником в произвольной точке:

. (3.5)

Здесь Idl – произведение силы тока на элементарный вектор dl, совпадающий по направлению с током на данном участке проводника, называется элементом тока, r – вектор, проведенный от элемента тока Idl в точку, где вычисляется магнитная индукция. Рис.3.2 поясняет формулу Био-Савара-Лапласа. Из формулы (3.4) и рис.3.2 видно, что направление магнитного поля связано с направлением тока в проводнике правилом правого винта. Таким образом, вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоскости, проходящей через вектор dl и точку, в которой вычисляется магнитная индукция. Чтобы получить индукцию, созданную всем проводником, нужно просуммировать в данной точке магнитные поля, создаваемые каждым элементом тока этого проводника. Если имеется несколько проводников, то необходимо векторно сложить в данной точке магнитные поля, создаваемые каждым проводником в отдельности. Модуль выражения (3.4) определяется как

, (3.6)

где a – угол между векторами dl и r.

Как уже отмечалось, для магнитного поля, так же как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции, который утверждает, что магнитное поле, созданное в некоторой точке несколькими токами, равно векторной сумме полей, создаваемых в этой точке каждым из токов в отдельности:

. (3.7)

Формулу (3.7) можно преобразовать следующим образом

. (3.8)

Здесь q – заряд электрона, n – концентрация, – скорость направленного движения электронов в проводнике. Она совпадает по направлению с вектором dl, поэтому мы имеем право в векторном произведении перенести значок вектора с вектора dl на вектор скорости. Мы также воспользовались тем, что сила тока может быть записана как плотность тока, умноженная на площадь поперечного сечения проводника , а также тем, что произведение поперечного сечения проводника на его бесконечно малую длину dl равно элементу объёма dV, а произведение концентрации зарядов на объём равно количеству зарядов в этом объёме N:

. (3.9)

С учётом сделанных замечаний получим индукцию магнитного поля, создаваемого движущимся со скоростью зарядом:

. (3.10)

Необходимо отметить, что формула (3.10) справедлива при условии , где с – скорость распространения света в вакууме.

Из выражения (3.5) видно, что величина магнитного поля обратно пропорциональна квадрату расстояния до элемента тока, создающего это поле. Вспомним, что и основная силовая характеристика электрического поля – напряжённость электрического поля – также обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника этого поля – электрического заряда:

. (3.11)

Такая зависимость не является случайной, а отражает глубокую связь между электрическими и магнитными явлениями. В частности, в курсе теоретической физики доказывается, что магнитное взаимодействие токов является следствием закона Кулона и инвариантности заряда. Инвариантность заряда означает, что его величина не зависит от скорости движения заряда. Также доказывается, что электрическое и магнитное поля неразрывно связаны и образуют единое электромагнитное поле. Можно так выбрать систему отсчёта, что магнитное поле будет равно нулю. Этот вывод также следует и из формулы (3.9). Соответственно, также можно выбрать такую систему отсчёта, в которой электрическое поле будет равно нулю. Во всех остальных системах отсчёта будет наблюдаться единое электромагнитное поле, как совокупность электрического и магнитного полей.

Теперь воспользуемся законом Ампера для расчёта силы взаимодействия, приходящейся на единицу длины двух параллельных токов. В самом деле, пусть у нас есть два параллельных проводника, с расстоянием между ними R, по которым в одном и том же направлении текут токи I₁и I₂ (рис.3.3). Ток I₁ создаёт в месте нахождения второго проводника магнитное поле B₁, и ток I₂ создаёт в месте нахождения первого проводника магнитное поле B₂. По закону Ампера, на элемент тока I₂dl действует сила dF₁=I₂B₁dl. Здесь учтено, что sina=1. На основании формулы (3.14)

.

Окончательно, таким образом, получаем, что

. (3.12)

Аналогичным образом можно показать, что

. (3.13)

Направления сил указаны на рис. 3.1/3. Таким образом, получили, что два параллельных проводника, по которым текут токи в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу с одинаковыми силами, приходящимися на единицу длины этих проводников и задаваемыми формулой (3.1). Если токи направлены в разные стороны, то, рассуждая аналогичным образом, можно показать, что проводники будут отталкиваться с силой, также определяемой формулой (3.1).

3.4 Закон Ампера. В 1820 году Ампер установил, что сила с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током dl, равна (3.4.

Лекция 7 Магнитное поле

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления Лекция 7 Магнитное поле ВСГУТУ, кафедра «Физика» План Магнитная индукция Магнитное поле движущегося заряда Действие магнитного поля

Подробнее

Тема 2.

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Тема.. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. Магнитное поле и его характеристики. Закон Био Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля 3. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 4. Магнитная постоянная.

Подробнее

Лекция 5. Магнитное поле в вакууме.

Лекция 5 Магнитное поле в вакууме Вектор индукции магнитного поля Закон Био-Савара Принцип суперпозиции магнитных полей Поле прямого и кругового токов Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля

Подробнее

Решение задач по теме «Магнетизм»

Решение задач по теме «Магнетизм» Магнитное поле- это особая форма материи, которая возникает вокруг любой заряженной движущейся частицы. Электрический ток- это упорядоченное движение заряженных частиц

Подробнее

Основные теоретические сведения

Тема: Основы электростатики Д/З -4 Сав 3. 4. Д-Я План:. Основные понятия и определения. основные характеристики электростатического поля 3. графическое изображение электростатического поля 4. закон Кулона

Подробнее

Таким образом, мы пришли к закону (5).

Конспект лекций по курсу общей физики Часть II Электричество и магнетизм Лекция. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ (продолжение).4. Теорема Остроградского Гаусса. Применение теоремы Докажем теорему для частного

Подробнее

Лекция 2.5 Магнитное поле

План Лекция.5 Магнитное поле 1) Магнитная индукция ) Закон Био Савара Лапласа 3) Закон Ампера 4) Магнитная постоянная 5) Магнитное поле движущегося заряда 6) Действие магнитного поля на движущийся заряд

Подробнее

ЭЛЕКТРОСТАТИКА И МАГНИТОСТАТИКА

Агентство образования администрации Красноярского края Красноярский государственный университет Заочная естественно-научная школа при КрасГУ Физика: Модуль 4 для 10 класса. Учебно-методическая часть. /

Подробнее

Магнитные взаимодействия

Магнитные взаимодействия В пространстве, окружающем намагниченные тела, возникает магнитное поле. Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке вполне определенным

Подробнее

Глава 11 Магнитное поле 88

Глава Магнитное поле 88 Магнитное поле и его характеристики Важнейшей особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды Характер взаимодействия

Подробнее

Магнитное поле токов

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Магнитное поле токов В основе учения о магнитном поле лежат два экспериментальных наблюдения: 1) магнитное поле действует на движущиеся заряды; ) магнитное поле

Подробнее

Экзамен.

Закон Ампера и сила Ампера. I c

Постоянное магнитное поле. Факультатив. Магнитные полюса и направление магнитного поля. Магнитные заряды. 1. Назовем северным полюсом магнитной стрелки конец, который показывает на север. 2. Северный полюс

Подробнее

1.3. Теорема Гаусса.

1 1.3. Теорема Гаусса. 1.3.1. Поток вектора через поверхность. Поток вектора через поверхность одно из важнейших понятий любого векторного поля, в частности электрического d d. Рассмотрим маленькую площадку

Подробнее

Магнитное поле. Тест 1

Магнитное поле. Тест 1 1. Магнитное поле: чем создается, чем обнаруживается. 1.1 Магнитное поле создается (выберите правильные варианты ответа): 1) заряженными частицами 2)!!! постоянными магнитами 3)!!!

Подробнее

Экзамен.

Закон Био-Савара (-Лапласа).

Экзамен Закон Био-Савара (-Лапласа) I dl, db поле элемента тока Idl, где вектор, направленный из элемента тока в точку наблюдения Другие формы закона Био-Савара: 1 j, db dv 1 i, db ds q [ V,] B магнитное

Подробнее

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ для студентов специальностей 903, 906, 907, 908, 910 Лабораторная работа

Подробнее

4. Электромагнитная индукция

1 4 Электромагнитная индукция 41 Закон электромагнитной индукции Правило Ленца В 1831 г Фарадей открыл одно из наиболее фундаментальных явлений в электродинамике явление электромагнитной индукции: в замкнутом

Подробнее

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Лекция 2.5.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Лекция 2.5. План 1.Магнитные взаимодействия 2.Закон Био-Савара-Лапласа 3.Магнитное поле движущегося заряда 4.Напряженность магнитного поля 5.Магнитное поле прямого тока 6. Магнитное поле

Подробнее

) (Плотность линий поля E ) ~ E, здесь ds

Экзамен. Линии электрического поля E. Линия векторного поля это линия, касательная в каждой точке к которой совпадает с направлением векторного поля. В физике к линиям поля есть дополнительное требование.

Подробнее

Магнитное поле. Лукьянов И.В.

Магнитное поле. Лукьянов И.В. Содержание: 1. Магнитное поле в вакууме. 2. Электромагнитная индукция. 3. Магнитное поле в веществе. Магнитное поле в вакууме. Содержание раздела: 1. Понятие магнитного поля

Подробнее

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ГЛАВА 7 Введение в электродинамику 7 Основные понятия и величины электродинамики Электрический заряд Плотность заряда и плотность тока Многие наблюдаемые макроскопические

Подробнее

ФИЗИКА МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

9 ФИЗИКА МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ СИЛА ЛОРЕНЦА И СИЛА АМПЕРА Все проявления магнетизма в природе и технике могут быть сведены к фундаментальному взаимодействию

Подробнее

Теоретическая справка к лекции 5

Теоретическая справка к лекции 5 Электрический заряд. 19 Элементарный электрический заряд e 1, 6 1 Кл. Заряд электрона отрицательный ( e e), заряд протона положительный ( p N e электронов и N P протонов

Подробнее

Тема 9. Электромагнетизм

1 Тема 9. Электромагнетизм 01. Магнитное поле создается постоянными магнитами и движущимися зарядами (токами) и изображается с помощью силовых линий линий вектора магнитной индукции. Рис. 9.1 Силовые линии

Подробнее

15).Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов.

В
1820 году французский физик Андре Ампер
установил, что два проводника, расположенные
параллельно друг другу, испытывают
взаимное притяжение при пропускании
через них электрического тока в одном
направлении
и отталкиваются, если токи имеют
противоположные направления.

Сила,
с которой магнитное поле действует на
проводник с током, называется силой
Ампера.

Экспериментально
установлено, что модуль силы
Ампера  пропорционален
длине l проводника с током,
значению
тока i и зависит от ориентации проводника
в магнитном поле.

Опыт
показывает, что при расположении
проводника с током под углом a к
вектору магнитной индукции  для
нахождения модуля силы Ампера следует
применять выражение

F
= lBl sin a.

Направление
вектора силы Ампера определяется
правилом левой руки, в соответствии с
которым необходимо расположить левую
руку так, чтобы четыре пальца указывали
направление тока в проводнике, а вектор
магнитной индукции  входил
бы в ладонь перпендикулярно. Тогда
большой палец, отогнутый под прямым
углом в плоскости ладони, будет указывать
направление вектора силы Ампера.

Одним
из важных примеров магнитного
взаимодействия токов является
взаимодействие параллельных токов.
Закономерности этого явления были
экспериментально установлены Ампером.
Если по двум параллельным проводникам
электрические токи текут в одну и ту же
сторону, то наблюдается взаимное
притяжение проводников. В случае, когда
токи текут в противоположных направлениях,
проводники отталкиваются.Взаимодействие
токов вызывается их магнитными полями:
магнитное поле одного тока действует
силой Ампера на другой ток и наоборот.

16).Действие магнитного поля на движущийся заряд.

Магнитное
поле не
действует на покоящийся электрический
заряд. В
этом существенное отличие магнитного
поля от электрического. Магнитное
поле действует только на движущиеся в
нем заряды.

Так
как по действию силы Лоренца можно найти
модуль и направление вектора В,
то выражение для силы Лоренца может
быть использовано (наравне с другими)
для определения вектора магнитной
индукции В.

Сила
Лоренца всегда перпендикулярна скорости
движения заряженной частицы, поэтому
она изменяет только направление этой
скорости, не изменяя ее модуля.
Следовательно, сила Лоренца работы не
совершает. Иными словами, постоянное
магнитное поле не совершает работы над
движущейся в нем заряженной частицей
и кинетическая энергия этой частицы
при движении в магнитном поле не
изменяется.

Если
на движущийся электрический заряд
помимо магнитного поля с индукцией В действует
и электрическое поле с напряженностью Е,
то результирующая сила F,
приложенная к заряду, равна векторной сумме
сил — силы, действующей со стороны
электрического поля, и силы Лоренца:

Это
выражение называется формулой
Лоренца.
Скорость v в
этой формуле есть скорость заряда
относительно магнитного поля.

Андре Мари Ампер — Ученые-физики — Каталог статей

Андре Мари Ампер (1775 — 1836) — французский физик, математик, химик, член Парижской АН (1814), иностранный член Петербургской АН (1830), один из основоположников электродинамики. Выдающийся ученый в честь которого названа одна из основных электрических величин — единица силы тока — ампер. Автор самого термина «электродинамика» как наименования учения об электричестве и магнетизме, один из основоположников этого учения.

Основные труды Ампера в области электродинамики. Автор первой теории магнетизма. Предложил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера).

Ампер провел ряд экспериментов по исследованию взаимодействия между электрическим током и магнитом, для которых сконструировал большое количество приборов. Обнаружил действие магнитного поля Земли на движущиеся проводники с током.

Открыл (1820) механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера). Сводил все магнитные взаимодействия к взаимодействию скрытых в телах круговых молекулярных электрических токов, эквивалентных плоским магнитам (теорема Ампера). Утверждал, что большой магнит состоит из огромного количества элементарных плоских магнитов. Последовательно проводил чисто токовую природу магнетизма.

Андре Мари Ампер открыл (1822) магнитный эффект катушки с током (соленоида). Высказал идею об эквивалентности соленоида с током и постоянного магнита. Предложил помещать металлический сердечник из мягкого железа для усиления магнитного поля. Высказал идею использования электромагнитных явлений для передачи информации (1820). Ампер изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф (1829). Сформулировал понятие «кинематика». Проводил также исследования по философии и ботанике.

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775, Лион. Скончался 10 июня 1836, в Марселе.

Детство и юность

Предки Андре Мари Ампера были ремесленниками, жившими в окрестностях Лиона. Их профессиональный и культурный уровень быстро возрастал от поколения к поколению, и прадед ученого, Жан Жозеф был не только опытным каменотесом, но и выполнял сложные строительные и реставрационные работы, а его сын Франсуа уже стал типичным просвещенным городским буржуа, представителем довольно зажиточного третьего сословия, и женился на дворянке. Отец Андре Мари, Жан Жак Ампер получил хорошее образование, владел древними языками, составил себе прекрасную библиотеку, живо интересовался идеями просветителей. Воспитывая детей, он вдохновлялся педагогическими принципами Жан Жака Руссо. Его политическим идеалом была конституционная монархия.

Революция застала Жан Жака Ампера на купленной незадолго до этого должности королевского прокурора и королевского советника в Лионе. Падение Бастилии семья Амперов встретила с энтузиазмом. Но вскоре на нее обрушилась беда. Жан Жак придерживался умеренных взглядов, и поплатился за это. В Лионе начал свирепствовать одержимый мистическими идеями лютый якобинец, который клеветал на ни в чем не повинных людей и именем революции вместе со своими подручными обрушивал на них кары. Лионцы восстали против зверств якобинцев, восстание было подавлено и жирондист Жан Жак Ампер (хотя его действия, фактически, были, как раз, продиктованы намерением спасти вожаков-якобинцев от ярости толпы) был гильотинирован 24 ноября 1793 г. Это было страшное потрясение для Андре Мари и всей его семьи (к тому же перенесшей недавно еще один удар — от туберкулеза умерла Антуанетта, старшая из сестер).

Можно сказать, что спасли Андре Мари, вернули его к жизни книги. Читать он начал примерно с четырех лет, в 14 лет залпом прочитал все 20 томов «Энциклопедии» Дени Дидро и Жана Лерона Д’Аламбера, чтобы читать труды Бернулли и Эйлера, в несколько недель изучил латинский язык. Чтение вообще было не только главным, но и единственным источником его знаний.

Других учителей у Ампера не было, он никогда не ходил в школу, не сдал за всю свою жизнь ни одного экзамена. Но он постоянно и много черпал из книг. И Ампер не просто читал, он изучал, творчески усваивая прочитанное. Не случайно уже в 12-14 лет он начал представлять математические мемуары в Лионскую академию, писал научные труды по ботанике, изобретал новые конструкции воздушных змеев, трудился над созданием нового международного языка и даже совмещал все это с сочинением эпической поэмы.

Перенесенные душевные травмы почти на два года выбили Андре Мари из колеи. Только к 20 годам он вновь обретает тягу к книгам и знаниям. Но Ампер по-прежнему, на взгляд многих окружающих, ведет себя странно. Часто бродит в одиночестве, неуклюжий и неряшливо одетый, порой громко и размеренно скандируя латинские стихи, или разговаривая сам с собой. К тому же, он очень близорук (он узнает об этом только приобретя очки, что стало для него знаменательным событием!).

Наверное, одним из главных импульсов, вернувших Ампера к активной жизни, стала его встреча с золотоволосой Катрин Каррон. Ампер влюбился срезу и навсегда, но согласия на свадьбу удалось добиться только через три года. Большую поддержку Амперу оказала Элиза, сестра Катрин, раньше других понявшая и оценившая его редкостные душевные качества. В августе 1800 г. родился сын Амперов, которого в честь деда назвали Жан Жаком.

В Бурге и Лионе

Еще до женитьбы Андре Ампер начал преподавать, давая частные уроки по математике. Теперь же ему удалось выхлопотать место учителя в Центральной школе г. Бурга. Пройдя в феврале 1802 собеседование в Комиссии, он был признан подготовленным для проведения занятий. Обстановка в бургской школе была убогой, и Ампер пытался хотя бы немного усовершенствовать физический и химический кабинеты, хотя денег для этого ни у школы, ни, тем более, у учителя не было. Жалование было очень небольшим, а приходилось жить отдельно от жены и ребенка, оставшихся в Лионе. Хотя чем могла помогала мать Ампера, ему приходилось искать дополнительного заработка, давая еще уроки в частном пансионе Дюпра и Оливье.

Несмотря на большую педагогическую нагрузку, Ампер не оставляет научную работу. Именно в это время во вступительной лекции в Центральной школе в 1802, а еще раньше — на заседании Лионской академии, в присутствии Вольта, он впервые высказывает мысль, что магнитные и электрические явления могут быть объяснены, исходя из единых принципов.

Не ослабевают и его усилия в области математики. Здесь на первый план выходят исследования по теории вероятностей. Они были замечены в Академии наук, где, в частности, на них обратил внимание Пьер Симон Лаплас. Это явилось основанием для признания Ампера подходящим на должность преподавателя в открывавшемся тогда Лионском лицее. Его кандидатура была выдвинута Д’Аламбером. В апреле 1803 декретом Консульства Ампер был назначен на желанное для него место преподавателя лицея. Однако, Ампер оставался в Лионе меньше двух лет.

Уже в середине октября 1804 он был зачислен на должность репетитора Политехнической школы в Париже и переехал туда.

Первое десятилетие в Париже

Переезд в Париж произошел вскоре после того, как Ампер овдовел. Потеря обожаемой жены повергла его в отчаяние и религиозное смятение. Может быть, еще и поэтому Ампер, несмотря на мольбы его матери, поспешил оставить Лион, чтобы начать в Париже преподавание в организованной десять лет назад Политехнической школе.

Начав работать репетитором, Ампер уже в 1807 приступил к самостоятельным занятиям, а вскоре он стал профессором математического анализа. Вскоре в Политехнической школе появился 24-летний Араго, с которым Ампер проводил впоследствии важные совместные исследования. Отношение к Амперу коллег, среди которых было немало действительно крупных ученых, было вполне благожелательным, его работа шла успешно, но душевная рана, нанесенная потерей жены, была мучительной. Движимые лучшими чувствами друзья Ампера познакомили его с семейством, в котором была дочь «на выданье», 26-летняя Жанна Франсуаза. Жертвой торгашеской алчности и грубого эгоизма этой женщины и всего ее семейства вскоре и стал доверчивый, простодушный и беззащитный в своей наивности Ампер, которого через некоторое время попросту выгнали из дома, и ему пришлось обрести временный кров в Министерстве внутренних дел.

Число профессиональных обязанностей Ампера тем временем возрастало. Он назначается на должность профессора математического анализа и экзаменатора по механике в первом отделении Политехнической школы, работает (до 1810) в Консультативном бюро искусств и ремесел и с осени 1808 в должности главного инспектора университета. Эта последняя работа, взяться за которую Ампера вынудили стесненные материальные обстоятельства, требовала постоянных разъездов, отнимала особенно много времени и сил. Он отдал этой изнурительной работе 28 лет, и последняя командировка закончилась на дороге в Марсель в 1836 г. его кончиной.

Перегрузка работой и житейские невзгоды не могли не отразиться на научной продуктивности Ампера. Это особенно заметно на его исследованиях в области математики, хотя за ним сохранялось почетное право посещать заседания Академии наук и представлять мемуары. В меньшей мере спад научной активности коснулся химии, с видными представителями которой Ампер плодотворно общался. Почти весь 1808 его увлекали идеи, которые впоследствии стали относить к области атомистики

Но периодом резкого взлета научной активности, временем его главных достижений оказались годы после его избрания в 1814 в Академию наук.

После избрания в Академию

Ампер был избран в число членов Парижской Академии наук по секции геометрии 28 ноября 1814. Круг его научных и педагогических интересов к тому времени уже вполне определился, и ничто, казалось бы, не предвещало здесь заметных изменений. Но пора этих изменений уже приближалась, близилось второе десятилетие девятнадцатого века, время самых главных научных свершений Ампера. В 1820 Ампер узнал об опытах, которые незадолго до того проводил датский физик Ганс Христиан Эрстед. Он обнаружил, что протекающий по проводу ток оказывает воздействие на расположенную возле провода магнитную стрелку.

4 и 11 сентября Араго сделал в Париже сообщение об этих работах Эрстеда и даже повторил некоторые из его экспериментов. Большого интереса у академиков это, впрочем, не вызвало, но Ампера захватило полностью. Вопреки своему обыкновению, он выступил здесь не только как теоретик, но занялся в маленькой комнатке своей скромной квартиры проведением опытов, для чего даже собственноручно изготовил столик; эта реликвия сохраняется поныне в Коллеж де Франс. Он отложил все остальные дела и 18 и 25 сентября 1820 сделал свои первые сообщения об электромагнетизме. Фактически за эти две недели Ампер пришел к своим самым главным научным результатам. Влияние этих трудов Ампера на многие отрасли науки — от физики атома и элементарных частиц до электротехники и геофизики — невозможно переоценить.

В 1785-88 гг. Шарль Огюстен Кулон провел свои классические экспериментальные исследования законов взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Эти опыты были в русле той грандиозной научной программы, которая была намечена трудами самого Ньютона, имея в качестве великого образца закон всемирного тяготения, изучать все возможные типы имеющихся в природе сил.

Многим тогда казалось, что между электричеством и магнетизмом — полный параллелизм: что есть электрические, а есть и магнитные заряды, и у мира электрических явлений есть во всем подобный ему мир явлений магнитных. Открытие Эрстеда многими толковалось тогда так, что под действием тока провод, по которому этот ток протекает, намагничивается, а потому и действует на магнитную стрелку. Ампер выдвинул принципиально новую, радикальную и даже, на первый взгляд, дерзкую идею: никаких магнитных зарядов в природе вообще не существует, есть только электрические заряды, и магнетизм возникает только из-за движения электрических зарядов, т. е. из-за электрических токов.

Прошло без малого двести лет с того момента, когда Ампер выступил с этой гипотезой, и, казалось бы, пора разобраться, был ли он прав (и тогда название «гипотеза» делается неуместным), или же от нее нужно отказаться. Первое впечатление: гипотезе Ампера противоречит даже сам факт существования постоянных магнитов: ведь никаких токов, ответственных за возникновение магнетизма, здесь, вроде бы, нет! Ампер возражает: магнетизм порождается огромным числом крошечных электрических атомных контуров тока (можно только поражаться, что такая глубочайшая идея могла появиться в ту пору, когда не только еще не знали ничего об устройстве атомов, но даже еще не существовало и слово «электрон»!) Каждый такой контур выступает как «магнитный листок» — элементарный магнитный двухполюсник. Этим и объясняется, почему магнитные заряды одного знака — «магнитные монополи», в отличие от монополей электрических, в природе не встречаются.

Почему же все-таки и поныне «гипотеза»? Ведь уже не раз казалось, что найдены «магниты», в которых электрических зарядов нет. Вот, к примеру, нейтрон. У этой частицы нулевой электрический заряд, но есть магнитный момент. Опять «момент», т. е. опять магнитный двухполюсник, и его появление вновь объясняется в нынешней теории элементарных частиц «микроскопическими» токами, только теперь уже не внутри атома, а внутри нейтрона. Так можно ли уверенно утверждать, что магнетизм всегда порождается движением электрических зарядов? Гипотеза Ампера в такой заостренной формулировке принимается не всеми теоретиками. Больше того, некоторые варианты теории говорят о том, что магнитные монополи («однополюсники») должны проявляться, но только при огромных, недостижимых для нас сегодня энергиях.

Гипотеза Ампера явилась важным принципиальным шагом к утверждению идеи о единстве природы. Но она поставила перед исследователями ряд новых вопросов. В первую очередь, потребовалось дать полную и замкнутую теорию взаимодействия токов. Эту задачу с подлинным блеском, действуя как теоретик и как экспериментатор, решил сам Ампер. Чтобы найти, как взаимодействуют токи в различных контурах, ему пришлось сформулировать законы магнитного взаимодействия отдельных элементов тока («Закон Ампера») и воздействия токов на магниты («правило Ампера»). По существу, была создана новая наука об электричестве и магнетизме, и даже термин «Электродинамика» был введен одним из замечательных ученых прошлого, Андре Мари Ампером. (В. И. Григорьев)

Еще об Андре Мари Ампере:

Французский ученый Ампер в истории науки известен, главным образом, как основоположник электродинамики. Между тем он был универсальным ученым, имеющим заслуги и в области математики, химии, биологии и даже в лингвистике и философии. Это был блестящий ум, поражавший своими энциклопедическими знаниями всех близко знавших его людей.

Исключительные способности Андре проявились еще в раннем возрасте. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Читал мальчик все подряд, что находил в отцовской библиотеке. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математическим наукам. Но как раз в этой области отцовской библиотеки явно не хватало, и Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.

Родители пригласили к Андре учителя математики. Уже при первой встрече он понял, с каким необыкновенным учеником имеет дело «Знаешь ли ты, как производится извлечение корней?» — спросил он Андре «Нет, — ответил мальчик, — но зато я умею интегрировать!» Вскоре учитель отказался от уроков, так как его знаний явно не хватало для обучения такого ученика.

Изучение трудов классиков математики и физики было для юного Ампера творческим процессом. Он не только читал, но и критически воспринимал прочитанное. У него возникали свои мысли, свои оригинальные идеи. Именно в этот период, в возрасте тринадцати лет, он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике.

В 1789 году началась Великая французская буржуазная революция. Эти события сыграли трагическую роль в жизни Ампера. В 1793 году в Лионе вспыхнул мятеж, который вскоре был подавлен. За сочувствие мятежникам был обезглавлен Жан-Жак Ампер. Смерть отца Андре переживал очень тяжело; он был близок к потере рассудка Лишь год спустя, с трудом обретя душевное равновесие, он смог вернуться к своим занятиям.

Казнь отца имела и другие последствия. По приговору суда почти все имущество семьи было конфисковано, и ее материальное положение резко ухудшилось. Андре пришлось думать о средствах к существованию. Он решил переселиться в Лион и давать частные уроки математики до тех пор, пока не удастся устроиться штатным преподавателем в какое-либо учебное заведение.

В 1799 году Ампер женился на Катрин Каррон. В следующем году у них родился сын, названный в честь отца — Жан-Жаком. Позднее он стал одним из известнейших историков французской литературы. Это радостное событие было омрачено болезнью Катрин. Расходы на жизнь неуклонно росли. Несмотря на все старания и экономию, средств, заработанных частными уроками, не хватало. Наконец, в 1802 году Ампера пригласили преподавать физику и химию в Центральную школу старинного провинциального города Бурк-ан-Бреса, в шестидесяти километрах от Лиона. С этого момента началась его регулярная преподавательская деятельность, продолжавшаяся всю жизнь.

Ампер мечтал перестроить традиционное преподавание курса физики. Вместо этого — скучные преподаватели-чиновники, убогая лаборатория и бедный физический кабинет, повседневные будничные заботы. Однако он много работал, восполняя пробелы в своих знаниях Вместе с тем его не покидала надежда возвратиться в Лион к жене и сыну. И вскоре она осуществилась. 4 апреля 1803 года Ампер был назначен преподавателем математики Лионского лицея. Счастливым он возвратился в Лион, но вскоре тяжелый удар обрушился на Ампера — умерла его жена.

В конце 1804 года Ампер покинул Лион и переехал в Париж, где он получил должность преподавателя знаменитой Политехнической школы. Эта высшая школа была организована в 1794 году и вскоре стала национальной гордостью Франции. Основная задача школы заключалась в подготовке высокообразованных технических специалистов с глубокими знаниями физико-математических наук.

В Париже Ампер чувствовал себя одиноким. Он находился всецело во власти воспоминаний о своей недолгой счастливой жизни. Это — главная тема его писем к родным и друзьям. Он и ранее слыл чудаковатым и рассеянным человеком. Теперь же эти черты его характера стали еще более заметными. К ним прибавилась чрезмерная неуравновешенность. Все это мешало ему хорошо излагать своим слушателям материал, которым он в действительности владел превосходно.

Несколько важных событий произошло в жизни Ампера в это время: в 1806 году он вступил во второй брак, в 1807 году был назначен профессором Политехнической школы. В 1808 году ученый получил место главного инспектора университетов. Все это улучшило его материальное положение и принесло некоторое успокоение, но ненадолго. Второй брак был очень неудачным, его новая жена Женни Пото оказалась весьма вздорной и ограниченной особой. Ампер прилагал много усилий, чтобы как-то примириться с ней во имя дочери, рожденной от этого брака. Однако его усилия оказались тщетными. К переживаниям на этой почве прибавились новые — в 1809 году скончалась мать Ампера. Эти печальные события не могли не сказаться на его научной деятельности. Тем не менее в период между 1809 и 1814 годами Ампер опубликовал несколько ценных работ по теории рядов.

Время расцвета научной деятельности Ампера приходится на 1814— 1824 годы и связано, главным образом, с Академией наук, в число членов которой он был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики.

Практически до 1820 года основные интересы ученого сосредоточивались на проблемах математики, механики и химии. Вопросами физики в то время он занимался очень мало: известны лишь две работы этого периода, посвященные оптике и молекулярно-кинетической теории газов. Что же касается математики, то именно в этой области Ампер достиг результатов, которые и дали основание выдвинуть его кандидатуру в Академию по математическому отделению.

Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники. Уже его первая опубликованная математическая работа, посвященная теории вероятностей, носила, по существу, прикладной характер и называлась «Соображения о математической теории игры» (1802). Вопросы теории вероятностей интересовали его и в дальнейшем.

В исследовании многих проблем физики и механики большое значение имеют так называемые дифференциальные уравнения в частных производных. Решение таких уравнений связано со значительными математическими трудностями, над преодолением которых работали крупнейшие математики. Свой вклад в математическую физику, как называют этот раздел науки, внес и Ампер. Только в одном 1814 году он выполнил несколько работ, получивших высокую оценку видных французских математиков, в частности, Далласа, Лагранжа и Пуассона.

Не оставляет он и занятий химией. К его достижениям в области химии следует отнести открытие, независимо от Амедео Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов. Его по праву следует называть законом Авогадро-Ампера. Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств. Но не эти исследования, интересные сами по себе, и не его математические работы сделали имя Ампера знаменитым. Классиком науки, всемирно известным ученым он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма.

В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока — создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед — открыл взаимодействие токов.

Ампер установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.

О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В докладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты.

Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил Ампера один из его противников. — Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Ампер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».

Несмотря на нападки своих научных противников. Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Джеймса Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.

С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время. Ампер сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью… Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами».

Слава Ампера быстро росла, особенно лестно ученые отзывались о его экспериментальных работах по электромагнетизму. Его посещали знаменитые физики, он получил ряд приглашений из других стран выступить с докладами о своих работах. Но здоровье его было подорвано, неустойчивым было и материальное положение. Его тяготила работа в Политехнической школе и инспекторские обязанности. Он по-прежнему мечтал читать курс физики, а не математики, и читать нетрадиционно, включив в курс новый раздел — электродинамику, творцом которой он сам являлся. Наиболее подходящим местом для этого было одно из старейших учебных заведений Франции — Коллеж де Франс. После многих неприятностей и интриг в 1824 году Ампер был избран на должность профессора Коллеж де Франс. Ему предоставили кафедру общей и экспериментальной физики.

Последние годы жизни Ампера были омрачены многими семейными и служебными неприятностями, тяжело отражавшимися на его и без того слабом здоровье. Внешние признаки успеха не принесли материального благополучия. Он по-прежнему был вынужден уделять много времени чтению лекций в ущерб своим научным занятиям. Но науку он не оставлял.

В 1835 году Ампер опубликовал работу, в которой доказал сходство между световым и тепловым излучениями и показал, что все излучения при поглощении превращаются в тепло. К этому же времени относится увлечение Ампера геологией и биологией. Он принял активное участие в научных спорах между знаменитыми учеными Кювье и Сент-Иллером, предшественниками эволюционной теории Чарлза Дарвина, и опубликовал две биологические работы, в которых изложил свою точку зрения на процессе эволюции. На одном из диспутов противники идеи эволюции живой при роды спросили Ампера, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки. На это Ампер ответил: «Я убедился в том, что человек возник по закону, общему для всех животных».

Другим увлечением Ампера была классификация наук. Эта важная в методологическом и общенаучном плане проблема интересовала Ампера давно, еще со времени его работы в Бурк-ан-Бресе. Он разработал свою систему классификации наук, которую намеревался изложить в двухтомном сочинении. В 1834 году вышел первый том «Опыты философии наук или аналитического изложения естественной классификации всех человеческих знаний». Второй том был издан сыном Ампера уже после его смерти.

Ампер был большим мастером изобретать новые научные термины. Именно он ввел в обиход ученых такие слова, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид». Ампер высказал мысль о том, что в будущем, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именовать ее «кибернетикой» Предвидение Ампера оправдалось.

Андре мари ампер презентация

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемИнесса Закутина

Похожие презентации

Презентация на тему: » Знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель. Андре-Мари Ампер – Нюьтон электричества.» — Транскрипт:

1 Знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель. Андре-Мари Ампер – Нюьтон электричества

2 Биография Ампер Андре Мари – родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Отец его имел хорошую библиотеку, и еще четырнадцатилетним мальчиком Ампер прочитал с большим увлечением все 20 томов знаменитой «Энциклопедии» Дидро и Даламбера. Когда библиотека отца была исчерпана, Ампер стал ездить в городскую библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.

3 С 1803 г. Ампера назначают преподавателем Лионского лицея. Научные склонности Ампера проявились рано. В 13 лет он представил в Лионскую академию сочинение о квадратуре круга, считая, что нашел решение старинной задачи о построении квадрата, равного по площади кругу. В 1802 г. Ампер публикует работу по теории вероятностей «Соображения о математической теории игры», после чего в 1804 г. ему было предложено место, правда, пока репетитора, в Политехнической школе Парижа. В 1807 г. он стал ее профессором.

4 Жизнь Ампера была тяжелой, его все время преследовали несчастья: казнь отца, потеря первой жены, неудачный второй брак, несложившаяся жизнь сына и т. д. Работая преподавателем, Ампер не бросил занятия математикой, и в 1814 г. за ряд интересных работ был избран членом Парижской академии наук.

5 С 1820 г., с того памятного заседания академии 4 сентября, Ампер усиленно занялся электричеством, разработав его новый раздел – электродинамику. Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 г., когда вышел в свет его основной, обобщающий все опыты труд под названием «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта».

6 Трудная жизнь великого французского ученого не стала легче несмотря на его известность. Он по-прежнему был вынужден тратить свои последние деньги на покупку необходимого оборудования. Он умер в Марселе в 1836 г. по дороге на юг, где надеялся поправить свое никуда не годное здоровье. В 1881 году первый международный конгресс электриков принял постановление о наименовании единицы силы электрического тока ампер в память Андре-Мари Ампера.

7 Труды и заслуги В 1816 году Ампер опубликовал свою классификацию химических элементов, первую в истории химии серьёзную попытку расположить химические элементы по их сходству между собой. С 1820 по 1826 год Ампер опубликовал ряд теоретических и экспериментальных трудов по электродинамике и почти еженедельно выступал с докладами к Академии наук. В 1822 году он выпустил Сборник наблюдений по электромагнетизму, в 1823 году – Конспект теории электродинамических явлений и, наконец, в 1826 году – знаменитую Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта.

8 Начиная с 1820 года, когда приобрело известность открытие Эрстедом действия тока на магнитную стрелку, Ампер всецело посвящает себя проблемам электродинамики. В том же году он открывает магнитное взаимодействие токов.

9 Ампер устанавливает закон взаимодействия токов. Параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных отталкиваются.

11 Сила действия однородного маг­нитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником: F=B*I** sin a закон Ампера.

12 Ампер открыл магнитный эффект катушки с током – «соленоида»

13 Ампер ввёл в науку термины «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток», «кибернетика»

14 Ампер предложил принять за направление постоянного электрического тока то, в котором перемещается «положительное электричество».

Великиий ФИЗИК Андре Ампер

Биография Андре-Мари АМПЕР (Ampère) (22.01.1775 – 10.06.1836) Андре-Мари Ампер – французский физик, математик и химик. Он родился в Лионе в семье коммерсанта. В прекрасной библиотеке его отца были произведения известных философов, ученых и писателей. Юный Андре мог целыми днями просиживать там с книгой, благодаря чему он, никогда не посещавший школу, сумел приобрести обширные и глубокие знания.

Биография В 11 лет он уже принялся за чтение знаменитой 20-томной «Энциклопедии» Дидро и Д’Аламбера и за три года проштудировал ее всю. Юношу интересовала изящная словесность, и он даже писал стихи, но физико-математические науки оказались гораздо привлекательнее.

Биография Когда книг отца стало недостаточно, Андре Ампер начал посещать библиотеку Лионского колледжа. Однако многие труды великих ученых были написаны на латинском языке, которого он не знал. В течение несколько месяцев Андре самостоятельно изучил латынь, и произведения классиков науки XVII-XVIII вв. стали ему доступны.

Достижения И вот результат упорных занятий. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики — дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию!

Биография В 1793 г. в Лионе вспыхнул мятеж, который был жестоко подавлен. За сочувствие бунтовщикам был казнен и отец Андре Ампера. Имущество семьи было конфисковано, и юноша стал зарабатывать на жизнь частными уроками математики. Чтобы продолжать научные занятия, ему приходилось работать, начиная с четырех часов утра.

Андре Ампер как преподрватель В 1802 г. Андре Амперу исполнилось 27 лет. Он начинает преподавать физику и химию – сначала в Лионе, а через два года – в знаменитой Политехнической школе (Эколь политехник) в Париже. Еще через 10 лет Ампер избирается в Парижскую академию наук, а с 1824 г. он – профессор Нормальной школы (Эколь нормаль) – главного высшего учебного заведения Парижа.

Изобретения Начиная с 1820 года, когда приобрело известность открытие Эрстедом действия тока на магнитную стрелку, Ампер всецело посвящает себя проблемам электродинамики. В том же году он открывает магнитное взаимодействие токов, устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера) и делает вывод, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.

Открытия Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током – «соленоида». Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток» и даже… «кибернетика». Ампер предложил принять за направление постоянного электрического тока то, в котором перемещается «положительное электричество».

«Он был так же прост, как и велик». Ампер умер от воспаления легких в возрасте 61 года. На его надгробном памятнике высечены слова: «Он был так же добр и так же прост, как и велик».Единица силы электрического тока, введенная в 1881 г., названа ампер (А) в честь Андре-Мари Ампера.

Огромный вклад в науку Классический труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта» (1826 г.) внес огромный вклад в науку об электричестве. Вот почему Ампера впоследствии стали называть «Ньютоном электричества».В последние годы жизни Ампер увлекся геологией и биологией, активно участвовал в дискуссиях об эволюции в мире живых организмов. На вопрос одного из собеседников, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки, Ампер ответил: «Я убедился в том, что человек возник по закону, общему для всех животных».

Андре-Мари Ампер Презентация ученика 11 «А» класса Сахибова Альсате Александра.

Учёный высказал гениальную идею: единственной причиной действия проводника с током на магнитную стрелку является движущееся электричество; магнетизм—лишь одно из его многочисленных проявлений. Не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В магните есть множество элементарных круговых токов, текущих в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Андре-Мари Ампер высказал гениальную идею: единственной причиной действия проводника с током на магнитную стрелку является движущееся электричество; магнетизм—лишь одно из его многочисленных проявлений. Не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В магните есть множество элементарных круговых токов, текущих в плоскостях, перпендикулярных к его оси. АВ — неподвижный проводник, ECDF — подвижный проводник, укрепленный на стеклянной оси EF. Для зашиты от воздушных колебаний прибор накрыт стеклянным колпаком. (Рисунок Ампера).

Андре Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления

Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. На основании своих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи Тогда все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов, никаких особых магнитных зарядов в природе нет.

Зако?н Ампе?ра — закон взаимодействия постоянных токов. Установлен Андре Мари Ампером в 1820. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила , с которой магнитное поле действует на элемент объёма dV проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией : . Если ток течёт по тонкому проводнику, то , где — «элемент длины» проводника — вектор, по модулю равный dl и совпадающий по направлению с током. Тогда предыдущее равенство можно переписать следующим образом: Сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию : .

Направление силы определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила левой руки. Модуль силы Ампера можно найти по формуле: , где ? — угол между векторами магнитной индукции и тока. Сила dF максимальна когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции .

Два бесконечных параллельных проводника в вакууме Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии r друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи I1 и I2. Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника. Бесконечный проводник с током I1 в точке на расстоянии r создаёт магнитное поле с индукцией: (по закону Био — Савара — Лапласа). Теперь по закону Ампера найдём силу, с которой первый проводник действует на второй: По правилу буравчика, направлена в сторону первого проводника (аналогично и для , а значит, проводники притягиваются). Модуль данной силы (r — расстояние между проводниками): Интегрируем, учитывая только проводник единичной длины (пределы l от 0 до 1): Два параллельных проводника

В математической формулировке для магнитостатики теорема имеет[2]следующий вид[1][3]: Здесь — вектор магнитной индукции, — плотность тока; интегрирование слева производится по произвольному замкнутому контуру, справа — по произвольной поверхности, натянутой на этот контур. Данная форма носит название интегральной, поскольку в явном виде содержит интегрирование. Теорема может быть также представлена в дифференциальной форме[4]: Эквивалентность интегральной и дифференциальной форм следует из теоремы Стокса[5]. Приведённая выше форма справедлива для вакуума. В случае применения её в среде (веществе), она будет корректна только в случае, если под j понимать вообще все токи, то есть учитывать и «микроскопические» токи, текущие веществе, включая «микроскопические» токи, текущие в областях размерами порядка размера молекулы (см. диамагнетики) и магнитные моменты микрочастиц (см.например ферромагнетики). Поэтому в веществе, если не пренебрегать его магнитными свойствами, часто удобно из полного тока выделить ток намагничения (см. связанные токи), выразив его через величину намагниченности I и введя вектор напряжённости магнитного поля

Тогда теорема о циркуляции запишется в форме[6] где под (в отличие от в формуле выше) имеются в виду т. н. свободные токи, в которых ток намагничения исключен (что бывает удобно практически, поскольку – это обычно уже в сущности макроскопические токи, которые не связаны с намагничением вещества и которые в принципе нетрудно непосредственно измерить)[7]. В динамическом случае – то есть в общем случае классической электродинамики – когда поля меняются во времени (а в средах при этом меняется и их поляризация) – и речь тогда идет об обобщенной теореме, включающей , – всё сказанное выше относится и к микроскопическим токам, связанным с изменениями поляризации диэлектрика. Эта часть токов тогда учитывается в члене

Данная теорема позволяет весьма просто находить величину магнитного поля во всём пространстве по заданным токам .

Глава 22. Магнитные взаимодействия. Магнитная индукция.Силы Лоренца и Ампера

Если заряд движется, то наряду с электрическим полем он создает еще одно поле — магнитное, которое действует на другие движущиеся заряды. В результате возникает дополнительное (наряду с кулоновским) взаимодействие движущихся электрических зарядов, которое называется магнитным. В результате магнитного взаимодействия возникает взаимодействие проводников с током.

В 1820 г. датский физик Х. Эрстед обнаружил, что проводник с током действует на магнитную стрелку. После этого стало ясно, что магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов и токов и взаимодействие постоянных магнитов имеют одну и ту же природу. На основании подробных исследований А. Ампер установил, что взаимодействие постоянных магнитов между собой и с токами можно объяснить, если предположить, что внутри магнитов есть электрические токи (в настоящее время известно, что эти токи имеют внутримолекулярную природу).

Для характеристики магнитного поля вводится векторная величина, которая называется индукцией магнитного поля и которая позволяет найти силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды. Как правило, эту величину обозначают буквой . Для нахождения индукции в каждой точке магнитного поля, созданного проводником с током, используется закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции. Закон Био-Савара-Лапласа позволяет найти поле , созданное бесконечно малым элементом проводника, а принцип суперпозиции требует сложить векторы индукции, созданные всеми элементами проводников. Закон Био-Савара-Лапласа в школьный курс физики, однако, не входит. В задачи ЕГЭ входят только вопросы, связанные с направлением вектора магнитной индукции (но не с величиной). Существует несколько вариантов правила нахождения направления вектора . Наиболее удобным является правило буравчика — оно более универсально, чем правило левой руки. Правило буравчика утверждает, что если вкручивать правыйбуравчик¹ по току в проводнике, то направление движения ручки в каждой точке пространства покажет направление вектора индукции магнитного поля в этой точке. Относительно величины достаточно помнить, что чем дальше от проводника, тем меньше индукция, и что внутри бесконечной катушки (бесконечного соленоида) магнитное поле направлено вдоль оси катушки и однородно.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора в этой точке. Линии магнитной индукции проводят так, что их густота в каждой области пространства пропорциональна величине индукции в этой области. В отличие от силовых линий электрического поля линии магнитной индукции всегда являются замкнутыми.

На электрический заряд величиной , движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией , со стороны магнитного поля действует сила, которая называется силой Лоренца

где — угол между скоростью и вектором индукции. Направление силы Лоренца определяется следующим образом (см. рисунок).

1. Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы скорости заряда и индукции магнитного поля (на рисунке эта плоскость показана тонким пунктиром).

2. Выбор между двумя перпендикулярными направлениями осуществляется с помощью правила буравчика (или правила левой руки): если вращать правый буравчик так, что его ручка движется от вектора к вектору , то направление его вкручивания указывает направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд (траектория ручки буравчика показана на рисунке изогнутой стрелкой).

3. Для отрицательного заряда направление силы Лоренца противоположно.

Можно также определять направление силы Лоренца по правилу левой руки: левую руку нужно расположить так, чтобы вектор входил в ладонь, направление четырех пальцев совпадало с направлением вектора скорости заряда, тогда направление отогнутого под прямым углом к четырем пальцам большого пальца покажет направление силы, действующей на положительный заряд (на отрицательный заряд действует сила противоположного направления).

Поскольку магнитное поле действует на движущиеся заряды, то магнитное поле действует и на проводник, по которому течет электрический ток. Если в магнитном поле с индукцией находится проводник длиной , по которому течет ток , то на этот проводник действует сила

где — угол между током и вектором индукции. Направлен вектор силы (22.2) перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектор и проводник, причем в таком направлении, что если поставить правый буравчик перпендикулярно указанной плоскости и вращать его так, что ручка вращается от тока к вектору , то направление его вкручивания покажет направление силы (см. рисунок; плоскость в которой лежат проводник и вектор индукции обозначена тонким пунктиром, движение ручки буравчика — изогнутой стрелкой). Также для нахождения направления силы можно использовать правило левой руки. Сила (22.2), действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.

Рассмотрим теперь задачи.

Правильный ответ в задаче 22.1.1 — 4 (магнитное поле создается движущимися заряженными телами), в задаче 22.1.2 — 2 (в магнитном веществе есть незатухающие электрические токи). Что же касается того, заряжен магнит или нет, то от этого существование магнитного поля (если магнит покоится) не зависит.

В задаче 22.1.3 следует воспользоваться правилом буравчика. Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то в точке его ручка будет двигаться за чертеж. Следовательно, за чертеж направлен в точке и вектор индукции магнитного поля (ответ 1).

Если вкручивать буравчик по току в кольце (в любой точке кольца), то ручка буравчика в центре кольца будет двигаться за чертеж. Поэтому правильный ответ в задаче 22.1.4 — 3.

Поскольку угол между скоростью заряда и вектором магнитной индукции равен нулю (задача 22.1.5), то согласно формуле (22.1) сила Лоренца, действующая на этот заряд, равна нулю (ответ 4).

Применим к проводнику с током из задачи 22.1.6 формулу (22.2) для силы Ампера. Имеем (ответ 2).

Как следует из формулы (22.2) сила Ампера равна нулю, если угол между током и индукцией равен нулю или 180°. Из приведенных на рисунке в задаче 22.1.7 проводников, таковым является только проводник 1. Поэтому на него магнитное поле не действует (ответ 1).

Применяем к частице из задачи 22.1.8 (см. рисунок) правила нахождения направления силы Лоренца (пункты 1-3 после формулы (22.1)). Во-первых, сила Лоренца направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы скорости заряда и индукции магнитного поля — т.е. либо за чертеж, либо на нас. Во-вторых, при вращении ручки буравчика, поставленного на чертеж в ту точку, где находится заряд, от вектора к вектору (в направлении меньшего угла между ними), буравчик будет «выкручиваться» из чертежа. А по-скольку частица заряжена положительно, сила Лоренца направлена «на нас» (ответ 1).

В задаче 22.1.10 следует сначала найти направление вектора магнитной индукции поля провода в той точке, где находится заряд, а затем использовать правила для силы Лоренца (формула (22.1) и текст за ней). Согласно результатам задачи 22.1.3, вектор в той точке, где находится заряд, направлен за чертеж (см. рисунок).

Вектор силы Лоренца направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы и , т.е. либо к проводу, либо от него. Ставим буравчик перпендикулярно этой плоскости и вращаем его так, что ручка движется от вектора к вектору (см. рисунок; буравчик нужно вращать по часовой стрелке, если смотреть снизу). При таком вращении буравчик будет вкручиваться вверх. А поскольку электрон заряжен отрицательно, то действующая на него сила направлена противоположно, т.е. от провода (ответ 2).

В задаче 22.2.1 используем принцип суперпозиции. Ток в горизонтальном кольце создает поле в его центре с индукцией, направленной вверх, ток в вертикальном кольце — с индукцией, направленной вправо (см. задачу 22.1.4.). Результат сложения этих векторов — индукция суммарного магнитного поля — направлена на «северо-восток» (ответ 1).

Ток в верхнем проводе (задача 22.2.2) создает поле с индукцией, направленной «за чертеж», ток в нижнем — «на нас». Результат их сложения зависит от величин этих векторов. Поскольку поле нижнего провода в точке больше поля верхнего (меньше расстояние), то вектор суммы направлен «на нас» (ответ 1).

Сила Лоренца в любой момент времени перпендикулярна скорости частицы. Поэтому угол между бесконечно малым перемещением частицы в любой момент времени и силой Лоренца, действующей на частицу в этот момент времени, — прямой. А поскольку в формулу для работы силы на бесконечно малом участке перемещения входит косинус угла между силой и перемещением, то работа силы Лоренца равна нулю (задача 22.2.3 — ответ 3). Из этих рассуждений и теоремы об изменении кинетической энергии следует, что заряженная частица, движущаяся под действием магнитного поля, изменяет направление, но не величину своей скорости.

Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, то она движется по окружности, причем эта окружность лежит в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона Ньютона для этой частицы

где и — масса частицы и ее заряд, — ускорение, — скорость, которая не изменяется по величине (см. предыдущую задачу), — индукция магнитного поля. В формуле (22.3) использовано известное выражение для центростремительного ускорения . Из формулы (22.3) получаем для радиуса окружности

Применяя формулу (22.4) к задаче 22.2.4 находим отношение радиусов окружности первой и второй частиц

(ответ 2).

Найдем сначала скорости протона и -частицы, ускоренных одним и тем же напряжением (задача 22.2.5). По теореме об изменении кинетической энергии имеем

где и — масса частицы и ее заряд, — скорость, которую частица приобретает после разгона (здесь предполагается, что начальная скорость частицы равна нулю). Из этой формулы находим отношение скоростей протона и -частицы , ускоренных одним и тем же напряжением

Поскольку заряд протона вдвое меньше заряда -частицы, а масса вчетверо меньше, то . Теперь из формулы (22.4) находим отношение радиусов окружности протона и  -частицы, ускоренных одним и тем же электрическим напряжением и движущихся в одном и том же магнитном поле

(ответ 4).

Период обращения заряженной частицы в магнитном поле (задача 22.2.6) можно найти из следующих соображений. В однородном магнитном поле частица движется по окружности и за период проходит путь, равный длине этой окружности , где — ее радиус. Используя формулу (22.4) для радиуса траектории, получим для периода обращения

где — скорость частицы, — ее масса, — заряд, — индукция магнитного поля. Отсюда заключаем, что период обращения заряженной частицы в магнитном поле не зависит от ее скорости (ответ 3).

Индукция магнитного поля в задаче 22.2.7 должна быть направлена так, чтобы сила Лоренца, действующая на электрон, была направлена к центру окружности, по которой он движется (см. рисунок). А поскольку сила Лоренца перпендикулярна скорости и индукции, то вектор индукции может быть направлен в этой ситуации только «за чертеж» или «на нас». Воспользуемся далее правилом буравчика (см. текст после формулы (22.1)): если вращать буравчик так, что его ручка будет вращаться от скорости заряда к индукции магнитного поля , то направление его вкручивания указывает направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд. Для электрона ( < 0) направление силы противоположно. Непосредственной проверкой убеждаемся, что вектор индукции направлен «за чертеж» (ответ 4).

В области среднего провода (задача 22.2.8) ток в верхнем проводе создает магнитное поле с индукцией, направленной «от нас», ток в нижнем — «на нас» (см. задачу 22.1.3). Но ток в нижнем проводе вдвое меньше тока в верхнем, а индукция поля — пропорциональна току. Поэтому индукция суммарного поля верхнего и нижнего проводов в области среднего провода направлена «от нас». Согласно правилам нахождения направления силы Ампера (см. текст после формулы (22.2)) находим, что сила, действующая на средний провод со стороны магнитного поля верхнего и нижнего проводов, направлена вверх (ответ 1). Отметим, что из приведенных рассуждений также следует, что два параллельных провода, по которым текут токи одинакового направления притягиваются, противоположного — отталкиваются.

В задаче 22.2.9 магнитное поле действует на рамку следующим образом. На стороны и , которые параллельны линиям индукции, поле не действует. На стороны и действуют силы Ампера, равные по величине , где — ток в рамке, — индукция магнитного поля, — длина стороны. Сила, действующая на сторону , направлена «на нас», на сторону — «от нас». Поскольку суммарная сила, действующая на рамку, равна нулю, как целое рамка перемещаться в пространстве не будет, а будет вращаться вокруг оси, показанной на рисунке пунктиром (ответ 4).

Задача 22.2.10 по формуле (22.2) находим силы Ампера, действующие на стороны треугольника

где — ток в контуре, и — длины сторон и , — индукция магнитного поля (последняя из приведенных формул следует из того, что сторона параллельна линиям индукции). Из теоремы синусов для треугольника

заключаем, что , а из правил для направления силы Ампера — что один из векторов или направлен «за чертеж», один — «на нас» (в зависимости от направления тока в контуре). Поэтому правильный ответ в задаче — 3.

Андре-Мари Ампер: основатель электромагнетизма

Что изобрел Андре-Мари Ампер?

Андре-Мари Ампер (1775-1836), французский физик, основал науку электродинамику, ныне известную как электромагнетизм.

Датский физик Ганс Кристиан Эрстед случайно в 1820 году обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется при изменении тока в соседнем проводе — явление, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом.

В сентябре и октябре 1820 года Ампер, под влиянием открытия Эрстеда, провел серию экспериментов, направленных на выяснение точной природы взаимосвязи между электрическим током и магнетизмом, а также взаимосвязей, управляющих поведением электрических токов в различных типы проводников. Среди прочего, Ампер показал, что два параллельных провода, по которым проходят электрические токи, магнитно притягиваются друг к другу, если токи идут в одном направлении, и отталкиваются, если токи идут в противоположных направлениях.

Эти эксперименты привели Ампера к формулированию своего знаменитого закона электромагнетизма, названного в честь него Закон Ампера , который математически описывает магнитную силу между двумя электрическими токами.

Его исследования, о которых еженедельно сообщается перед Académie des Sciences , положили начало новой науке электродинамике.

Он также был первым человеком, который разработал методы измерения электричества для проведения своих экспериментов. Ампер построил инструмент, использующий свободно движущуюся намагниченную стрелку (компас) для измерения потока электричества.Более поздняя доработка этого прибора известна как гальванометр.

По сути, простой современный гальванометр — это прибор, в котором свободная вращающаяся катушка и прикрепленная к нему игла помещаются в магнитное поле постоянного магнита. Когда электрический ток проходит через катушку, на нее возникает крутящий момент из-за взаимодействия тока с магнитным полем. В результате катушка поворачивается, и стрелка отклоняется пропорционально току, проходящему через катушку.

Единица измерения электрического тока, ампер, , названа в честь Андре-Мари Ампера.

Повторите эксперименты Андре-Мари Ампера

Предупреждение : эксперименты с электричеством следует проводить под наблюдением учителей или взрослых, знакомых с процедурами электробезопасности.

Чтобы следовать по стопам Ампера, мы, прежде всего, должны повторить эксперимент Эрстеда.

Эксперимент 1

В 1820 году Эрстед демонстрировал нагревательные эффекты токов, протекающих через провод и стрелку компаса, случайно оказавшуюся под отклоненной проводящей проволокой.

Чтобы повторить этот эксперимент, положите карманный компас на стол лицевой стороной вверх. Подождите, пока он не укажет на север. Проложите середину 30-сантиметрового достаточно толстого провода, изолированного или неизолированного, над стрелкой компаса, также в направлении север-юг. Согните концы проволоки так, чтобы они были вплотную друг к другу. Если провод не оголен, соскоблите его концы и прикрепите их к клеммам аккумулятора. Игла будет сильно отклоняться. Повторите этот короткий эксперимент, поменяв местами подключения батареи.Теперь игла вращается в противоположном направлении.

Подробнее:
http: //www-istp.gsfc.nasa.gov …
http: //www.physicsdemos …

Эксперимент 2

Под влиянием интуитивной прозорливости Эрстеда Ампер пришел к выводу, что если провод с током оказывает магнитное воздействие на стрелку компаса, два таких провода также должны магнитно взаимодействовать. Он обнаружил, что параллельные токи, текущие по проводам в одном направлении, притягиваются друг к другу, в то время как токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются.

Подробнее: http://dev.physicslab.org …

Эти, два первых, эксперимента качественно демонстрируют закон Ампера (закон Ампера).

Эксперимент 3

Ампер продолжил свои исследования и обнаружил, что сила между двумя длинными прямыми параллельными токами обратно пропорциональна расстоянию между ними и пропорциональна силе тока, протекающего в каждом.

Чтобы проверить этот закон, он использовал простые токовые весы (прибор, используемый для измерения силы между двумя токоведущими проводами), который состоял из двух фиксированных, прямых, вертикальных и параллельных носителей тока (проводов) и чувствительной пружинной шкалы.Он мог регулировать расстояние между проводами и измерять различные токи, проходящие через них, с помощью простого гальванометра с компасом, а также измерять силу, действующую между проводами, с помощью своей пружинной шкалы.

Для получения дополнительной информации:
http: //books.google.com … (Lerner J., Physics For Scientists & Engineers Vol.2, pp 795-797.)

Хотя эта установка выглядит простой, для ее реализации требуются некоторые продвинутые механические навыки. Вместо этого для этого эффекта также можно использовать современный баланс тока.

Для получения дополнительной информации:
http: //oldkampalass.com …
http: //ocw.mit.edu …
http: //www.usna.edu …
http: //www.millersville .edu …
http: //web.me.com …

Этот эксперимент демонстрирует закон силы Ампера (не путать с законом оборота Ампера)

Эксперимент 4

Вы можете измерить токи в вышеупомянутых экспериментах с помощью современного амперметра или попробовать исторический метод Ампера. Как указывалось выше, Ампер использовал для измерения тока намагниченную движущуюся стрелку или гальванометр компаса.Вы можете построить один или использовать коммерческий компас, но помните, что получить точные результаты будет не так просто.

Еще одна идея: можно собрать такой прибор (коммерческий или самодельный компас) и поэкспериментировать с ним. Вы можете попробовать узнать, какова его точность по сравнению с современными измерителями тока. Вы можете попробовать разные провода (площадь поперечного сечения, материал) и разное количество витков катушки.

В основном, гальванометр Ampere с подвижной стрелкой представлял собой компас, обернутый катушкой с проволокой.Чем сильнее ток, проходящий через провод, тем сильнее будет отклонение иглы. Или, точнее, тангенс угла отклонения стрелки пропорционален силе тока в катушке, и поэтому эти измерители называются касательными гальванометрами.

Несколько полезных ссылок для этого эксперимента:
http: //www.hometrainingtools.com …
http: //www.al.com …
http: //www.madsci.org …
http: //scs.sk.ca …
http: // virtuallabs.ket.org …

Ссылки и ресурсы
Магниты и магнетизм — Проекты и эксперименты на научной ярмарке
Гальванометры — Тегеранский университет
Циркулярный закон Ампера — Википедия
Новая наука электродинамики: 1820 — Sparkmuseum
Закон Ампера — Гиперфизика тока

André-Marie Ampère, 1827. Мемуары по математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенные из опыта
Книги
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp

Магнитные поля, создаваемые токами: закон Ампера

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Вычислить ток, создающий магнитное поле.
• Используйте правило правой руки 2, чтобы определить направление тока или направление контуров магнитного поля.

Какой ток нужен для создания значительного магнитного поля, возможно, такого же сильного, как поле Земли? Геодезисты скажут вам, что воздушные линии электропередач создают магнитные поля, которые мешают показаниям их компаса. Действительно, когда Эрстед в 1820 году обнаружил, что ток в проводе воздействует на стрелку компаса, он не имел дела с очень большими токами.Как форма проводов, по которым проходит ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Ранее мы отметили, что токовая петля создает магнитное поле, подобное магнитному полю, но как насчет прямого провода или тороида (бублика)? Как направление создаваемого током поля связано с направлением тока? Ответы на эти вопросы исследуются в этом разделе вместе с кратким обсуждением закона, регулирующего поля, создаваемые токами.

Магнитное поле, создаваемое длинным прямым токопроводящим проводом: Правило правой руки 2

Магнитные поля имеют направление и величину.Как отмечалось ранее, один из способов исследовать направление магнитного поля — это использовать компасы, как показано для длинного прямого токоведущего провода на рисунке 1. Датчики Холла могут определять величину поля. Поле вокруг длинной прямой проволоки находится в виде кольцевых петель. Правило правой руки 2 (RHR-2) возникло в результате этого исследования и справедливо для любого текущего сегмента — указывает большим пальцем в направлении тока, и пальцы сгибаются в направлении петель магнитного поля , созданных Это.

Рис. 1. (a) Компасы, помещенные рядом с длинным прямым проводом с током, показывают, что силовые линии образуют круговые петли с центром на проводе. (b) Правило 2 для правой руки гласит, что если большой палец правой руки указывает в направлении тока, пальцы сгибаются в направлении поля. Это правило согласуется с полем, отображаемым для длинного прямого провода, и действительно для любого текущего сегмента.

Напряженность (величина) магнитного поля , создаваемая длинным прямым проводом с током , экспериментально определена как

[латекс] B = \ frac {{\ mu} _ {0} I} {2 \ pi r} \ left (\ text {длинный прямой провод} \ right) \\ [/ latex],

, где I — ток, r — кратчайшее расстояние до провода, а константа [латекс] {\ mu} _ {0} = 4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} \ text {T } \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex] — это проницаемость свободного пространства .( μ ₀ — одна из основных констант в природе. Позже мы увидим, что μ ₀ связано со скоростью света.) Поскольку провод очень длинный, величина поля зависит только от на расстоянии от провода r , а не на расстоянии вдоль провода.

Пример 1. Расчет тока, создающего магнитное поле

Найдите ток в длинном прямом проводе, который создаст магнитное поле, вдвое превышающее земное, на расстоянии 5.0 см от проволоки.

Стратегия

Поле Земли составляет около 5,0 × 10 ⁻⁵ Тл, поэтому здесь B из-за проволоки принимается равным 1,0 × 10 ⁻⁴ Тл. Уравнение [латекс] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2 \ pi r} \\ [/ latex] можно использовать, чтобы найти I , так как все остальные величины известны.

Раствор

Решение для I и ввод известных значений дает

[латекс] \ begin {array} {lll} I & = & \ frac {2 \ pi rB} {\ mu _ {0}} = \ frac {2 \ pi \ left (5.{-7} \ text {T} \ cdot \ text {m / A}} \\ & = & 25 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Таким образом, умеренно большой ток создает значительное магнитное поле на расстоянии 5,0 см от длинного прямого провода. Обратите внимание, что ответ состоит только из двух цифр, поскольку поле Земли в этом примере указано только из двух цифр.

Закон Ампера и другие

Магнитное поле длинного прямого провода имеет большее значение, чем вы можете сначала подумать. Каждый сегмент тока создает магнитное поле, подобное тому, которое имеет длинный прямой провод, а полное поле тока любой формы является векторной суммой полей, создаваемых каждым сегментом. Формальное определение направления и величины поля, создаваемого каждым сегментом, называется законом Био-Савара . Интегральное исчисление необходимо для суммирования поля для тока произвольной формы. В результате получается более полный закон, называемый законом Ампера , который связывает магнитное поле и ток в общем виде.Закон Ампера, в свою очередь, является частью уравнений Максвелла , которые дают полную теорию всех электромагнитных явлений. Рассмотрение того, как уравнения Максвелла выглядят для разных наблюдателей, привело к современной теории относительности и к осознанию того, что электрические и магнитные поля являются разными проявлениями одного и того же. Большая часть этого выходит за рамки этого текста как на математическом уровне, требующем вычислений, так и в объеме места, которое может быть отведено под него. Но для заинтересованного студента, и особенно для тех, кто продолжает заниматься физикой, инженерией или подобными занятиями, дальнейшее углубление в эти вопросы откроет описания природы, как элегантные, так и глубокие.В этом тексте мы будем иметь в виду общие особенности, такие как RHR-2 и правила для силовых линий магнитного поля, перечисленные в Магнитных полях и линиях магнитного поля, концентрируясь при этом на полях, создаваемых в определенных важных ситуациях.

Установление связей: относительность

Слушая все, что мы делаем об Эйнштейне, иногда складывается впечатление, что он из ничего изобрел теорию относительности. Напротив, одной из мотиваций Эйнштейна было решить трудности, связанные с пониманием того, как разные наблюдатели видят магнитные и электрические поля.

Магнитное поле, создаваемое токонесущей круговой петлей

Магнитное поле рядом с токоведущей петлей показано на рисунке 2. Как направление, так и величина магнитного поля, создаваемого токоведущей петлей, являются сложными. RHR-2 можно использовать для определения направления поля около петли, но для получения более подробной информации необходимы картографирование с помощью компасов и правила о силовых линиях, приведенные в разделах «Магнитные поля» и «Магнитные линии поля».Существует простая формула для напряженности магнитного поля в центре круговой петли . Это

[латекс] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2R} \ left (\ text {в центре петли} \ right) \\ [/ latex],

, где R — радиус петли. Это уравнение очень похоже на уравнение для прямого провода, но действительно только в центре круговой петли провода. Сходство уравнений указывает на то, что аналогичная напряженность поля может быть получена в центре петли.Один из способов получить большее поле — иметь N петель; тогда поле будет B = Nμ ₀ I / (2 R ). Обратите внимание, что чем больше петля, тем меньше поле в ее центре, потому что ток дальше.

Рис. 2. (a) RHR-2 показывает направление магнитного поля внутри и снаружи токоведущей петли. (б) Более подробное картирование с помощью компасов или зонда Холла завершает картину. Поле похоже на поле стержневого магнита.

Магнитное поле, создаваемое токопроводящим соленоидом

Соленоид представляет собой длинную катушку провода (с множеством витков или петель, в отличие от плоской петли). Из-за своей формы поле внутри соленоида может быть как очень однородным, так и очень сильным. Поле сразу за катушками почти равно нулю. На рисунке 3 показано, как поле выглядит и как его направление задается RHR-2.

Рис. 3. (a) Из-за своей формы поле внутри соленоида длиной l заметно однородно по величине и направлению, на что указывают прямые и равномерно разнесенные силовые линии.Поле вне катушек почти равно нулю. (b) Этот разрез показывает магнитное поле, создаваемое током в соленоиде.

Магнитное поле внутри соленоида с током очень однородно по направлению и величине. Только ближе к концам он начинает ослабевать и менять направление. Поле снаружи имеет те же сложности, что и плоские петли и стержневые магниты, но напряженность магнитного поля внутри соленоида просто равна

[латекс] B = {\ mu} _ {0} nI \ left (\ text {внутри соленоида} \ right) \\ [/ latex],

, где n — количество петель на единицу длины соленоида ( n = N / l , где N — количество петель, а l — длина).Обратите внимание, что B — это напряженность поля в любом месте однородной внутренней части, а не только в центре. Как следует из примера 2, с соленоидами возможны большие однородные поля, распределенные по большому объему.

Пример 2. Расчет напряженности поля внутри соленоида

Что такое поле внутри соленоида длиной 2,00 м, имеющего 2000 петель и пропускающего ток 1600 А?

Стратегия

Чтобы найти напряженность поля внутри соленоида, мы используем [латекс] B = {\ mu} _ {0} nI \\ [/ latex].{-1} \ right) \ left (1600 \ text {A} \ right) \\ & = & 2.01 \ text {T} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это большая напряженность поля, которая может быть установлена ​​над соленоидом большого диаметра, например, при использовании в медицине магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако очень большой ток указывает на то, что поля такой силы нелегко получить. Такой большой ток через 1000 петель, сжатых до метра, приведет к значительному нагреву.Более высокие токи могут быть достигнуты с помощью сверхпроводящих проводов, хотя это дорого. Существует верхний предел тока, поскольку сверхпроводящее состояние нарушается очень сильными магнитными полями.

Есть интересные варианты плоской катушки и соленоида. Например, тороидальная катушка, используемая для удержания реактивных частиц в токамаках, очень похожа на соленоид, изогнутый в круг. Поле внутри тороида очень сильное, но круглое. Заряженные частицы движутся по кругу, следуя силовым линиям, и сталкиваются друг с другом, возможно, вызывая синтез.Но заряженные частицы не пересекают силовые линии и не покидают тороид. Целый ряд форм катушек используется для создания всевозможных форм магнитного поля. Добавление ферромагнитных материалов создает большую напряженность поля и может существенно повлиять на форму поля. Ферромагнитные материалы имеют тенденцию улавливать магнитные поля (силовые линии изгибаются в ферромагнитный материал, оставляя более слабые поля за его пределами) и используются в качестве экранов для устройств, на которые неблагоприятно влияют магнитные поля, в том числе магнитное поле Земли. {- 7} \ text {T } \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex] — проницаемость свободного пространства.

Концептуальные вопросы

1. Сделайте чертеж и используйте RHR-2, чтобы найти направление магнитного поля токовой петли в двигателе (например, на Рисунке 1 из «Крутящий момент на токовой петле»). Затем покажите, что направление крутящего момента на петле такое же, как и при отталкивании одинаковых полюсов и притяжении разных полюсов.

Глоссарий

Правое правило 2 (RHR-2):

правило для определения направления магнитного поля, создаваемого токоведущим проводом: направьте большой палец правой руки в направлении тока, а пальцы согнуты в направлении петель магнитного поля

Напряженность (величина) магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом с током:

определяется как [latex] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2 \ pi r} \\ [/ latex], где I — ток, r — кратчайшее расстояние до провода, а μ ₀ — проницаемость свободного пространства

проницаемость свободного пространства:

— мера способности материала, в данном случае свободного пространства, поддерживать магнитное поле; константа [латекс] \ mu_ {0} = 4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} T \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex]

Напряженность магнитного поля в центре круговой петли:

определяется как [латекс] B = \ frac {{\ mu} _ {0} I} {2R} \\ [/ latex], где R — радиус петли

соленоид:

Тонкая проволока, намотанная на катушку, которая создает магнитное поле при прохождении через нее электрического тока

Напряженность магнитного поля внутри соленоида:

определяется как [латекс] B = {\ mu} _ {0} \ text {nI} \\ [/ latex], где n — количество петель на единицу длины соленоида n = N / l , где N — количество петель и l — длина)

Закон Био-Савара:

физический закон, который описывает магнитное поле, создаваемое электрическим током, с помощью специального уравнения

Закон Ампера:

физический закон, который гласит, что магнитное поле вокруг электрического тока пропорционально току; каждый сегмент тока создает магнитное поле, подобное тому, которое имеет длинный прямой провод, а общее поле тока любой формы представляет собой векторную сумму полей, создаваемых каждым сегментом

Уравнения Максвелла:

Набор из четырех уравнений, описывающих электромагнитные явления

Ampère закладывает основы электродинамики (сентябрь 1820 — январь 1821) · Histoire de l’électricité et du magnétisme (сайт Ampère)

Accueil> Исторический парк… de la boussole à la Fée électricité> Des lois pour le courant: Ampère, Ohm et quelques autres …> Ампер закладывает основы электродинамики (сентябрь 1820 — январь 1821)

Французский

Кристин Блондель и Бертран Вольф
Перевод Эндрю Бутрика

Случай из жизни Ампера?

Покинув свою деревню Полеймье в 1797 году, чтобы заработать на жизнь в Лионе, молодой человек открыл дома небольшую лабораторию и давал частные уроки математики, физики и химии. Начиная с 1801 года, мотивированный объявлением Наполеона о присуждении ему главного приза в области гальванизма после открытия Вольта электрической батареи («Вольтовская батарея»), Ампер работал над электричеством и даже начал писать книгу на эту тему.Но он быстро отказался от физики в пользу математики. В 1804 году он был назначен ассистентом преподавателя («répétiteur») по анализу в Политехнической школе, и именно благодаря его математическим работам по теории игр он поступил в Академию наук в 1814 году. Тем не менее, хотя он стал будучи математиком, он интересовался не меньше вопросов химии, а также философскими, метафизическими и религиозными вопросами. Фактически, единственное исследование, которое занимало его практически без перерыва с 1802 года до его смерти в 1836 году, было поиском классификации наук.Ампер стремился уловить единство и основу всех человеческих знаний. Переходя от одного предмета к другому, он стремился понять методы каждой науки и ее отношение к другим наукам.

Между 1809 и 1814 годами, до работы в области электродинамики, Ампер был очарован химией, психологией и дебатами, которые взволновали Академию наук по поводу новой теории света Френеля. Он стал ярым защитником волновой теории света Френеля против корпускулярной теории Ньютона.Короче говоря, в 1820 году Ампер был математиком, который хотел сделать себе имя как философ, и чья самая важная работа, несомненно, была в области химии!

[Чтобы узнать больше о жизни и творчестве Ампера, см. Documents et études sur Ampère и Une vie en images ]

1820: Странный эксперимент появляется из северных туманов

Читатель немедленно испытывает искушение интерпретировать это как означающее «когда по проводу проходит ток», но «электрический конфликт», которому Эрстед приписывал магнитный эффект, имел мало общего с современной концепцией электрического тока.Как мы увидим ниже, именно из эксперимента Эрстеда Ампер пришел к определению «электрического тока» как циркуляции электрического флюида (жидкостей) в замкнутом контуре.

Итак, между электричеством и магнетизмом существует прямая связь. Эту связь искал Эрстед, который, чувствительный к «романтическому» видению природы, преобладавшему в то время в германских странах, долгое время поддерживал единство физических явлений. Он даже утверждал, что в основе этого единства лежит электричество.Но в Париже математики и физики, такие как Лаплас, Пуассон или Био, были убеждены в полной независимости между электричеством и магнетизмом. Конечно, Кулон показал, что электрические и магнитные силы подчиняются законам, идентичным законам Ньютона для гравитации, причем эти три силы уменьшаются пропорционально квадрату расстояния. Но вряд ли было больше причин верить в связь между электричеством и магнетизмом, чем верить в магнитное притяжение между Землей и Луной.

Более того, вращающийся характер наблюдаемого эффекта был поразительным. Ньютоновские силы, действующие между массами, между электрическими зарядами или между магнитными полюсами, направлены вдоль прямой линии, соединяющей взаимодействующие элементы. Эксперимент Эрстеда не укладывался в эти рамки. Если преодолеть магнитное воздействие Земли на иглу, что вскоре достигнет Ампера, игла фактически повернулась перпендикулярно проводу, как если бы ее приводил в движение вихрь, вращающийся вокруг проволоки.Вихри, которые вызвал Эрстед, восходили к тем, которые Декарт утверждал для объяснения небесных движений, и это, казалось, было шагом назад к устаревшей науке. Редко были те физики, которые соглашались с объяснением вихря Эрстеда.

Эксперимент Эрстеда: «важное событие в моей жизни»

Физик Франсуа Араго, посетивший Женеву в августе 1820 года, присутствовал на экспериментах Де Ла Рива. По возвращении в Париж, полный энтузиазма, он доложил об экспериментах на заседании Академии наук 4 сентября 1820 года.Но членов Института это не убедило, поскольку Ампер писал другу:

[теория электричества и магнетизма Кулона] «полностью исключила любую идею действия [одного на другой]. Предрассудки были таковы, что, когда г-н Араго рассказал об этих новых явлениях Институту, они отвергли их точно так же, как они отвергли идею падения камней с неба … Все решили, что это невозможно ». [ Ампер Жаку Ру-Бордье, 21 февраля 1821 года ]

Чтобы открыть глаза, Араго пришлось повторить эксперимент на следующей неделе.Ампер присутствовал. Это было отправной точкой для нескольких недель творчества, изобретений, необычайной страсти к исследованиям, в течение которых он заложил основы электродинамики:

«Все мои моменты были заняты важным событием в моей жизни. С тех пор, как я впервые услышал о прекрасном открытии М. Эрстеда … о действии гальванических токов на намагниченную иглу, я думал об этом постоянно. Все мое время было посвящено написанию великой теории об этих явлениях и всех тех теорий, уже известных о магните, и попыток проведения экспериментов, обозначенных этой теорией, все из которых оказались успешными и сделали мне известно так много новые факты…. и теперь существует новая теория магнита … Она не похожа ни на что, что было сказано о ней до сих пор ». [ Ампер своему сыну Жан-Жаку, 19-25 сентября 1820 г., ]

Расходящиеся направления исследований

Что это за «великая теория», о которой писал Ампер? Это было объединение двух областей физики путем сведения всех магнитных явлений к чисто электрическим явлениям. Эти электрические явления — взаимодействия между токами — впервые были продемонстрированы Ампером в продолжении его работы над экспериментом Эрстеда и были радикально новыми.Магнитные жидкости для Ампера стали «беспричинным предположением», которое можно было исключить из области науки.

Среди большинства других французских ученых преобладало ощущение, что с теориями Ньютона и Кулона физика превратилась в почти законченное здание, «науку возведенную, стабильную и невозможно повернуть вспять», как писал Био в 1824 году. Естественным процессом было преобразование неизвестного — эксперимент Эрстеда — в известное, то есть как свойства магнитных жидкостей. Поэтому Био предложил свести взаимодействие между проводником и компасом к чисто магнитным взаимодействиям, основываясь на принципе, согласно которому могут взаимодействовать только похожие объекты.Если проводящий провод действовал как магнитная игла, это потому, что он временно стал магнитом.

Открыв полностью личный подход к взаимодействию между электрическими токами , Ампер основал новую ветвь электричества: электродинамику . С 18 сентября он объявил свою фундаментальную гипотезу о существовании электрических токов в магнитах. Он вообразил, что обычная ориентация компаса может быть объяснена электрическими токами внутри Земли, аналогичными тем, которые, как он предполагал, находятся внутри магнитов.Он объявил — и экспериментально подтвердил, — что между электрическими токами существуют силы притяжения и отталкивания. По его мнению, математический закон, который нужно найти, будет тем, который дает взаимное действие между двумя небольшими элементами тока. Требовалось пересмотреть словарь электротехники:

«Термин электромагнитное действие , который я использую здесь только для соответствия обычаю, больше не может подходить для обозначения этого вида действия. Я думаю, что его следует называть электродинамическим действием .Этот термин выражает идею о том, что явления притяжения и отталкивания, которые характеризуют его, производятся электричеством, движущимся в проводниках [а не притягивающими или отталкивающими действиями электрических жидкостей в состоянии покоя], которые известны давно и должны отличаться от предыдущее с обозначением электростатическое действие «[Recueil d’abservations électrodynamiques, 1822, p. 200]

Одна неделя для объявления фундаментальных гипотез

Инструмент и «доброжелательность», предназначенные для светлого будущего

То, что здесь Ампер обозначает «энергией» тока, через несколько страниц будет называться его «интенсивностью»: «электрический ток существует везде [в цепи] с той же силой .«Но определение силы тока как потока электричества оставалось неявным. Кроме того, Ампер был немного поспешен, когда дал название« гальванометр »тому, что было просто концепцией инструмента. В рукописи своих мемуаров он назвал это вернее «гальваноскоп». Действительно, чтобы превратить его в измерительный прибор, все еще необходимо было уметь учитывать влияние земного магнетизма, действующего на компас. Именно этим несколько лет занимался итальянский физик Леопольдо Нобили. потом.

Сила тока, измеряемая, если не измеряемая, по углу отклонения иглы, как определить «направление» тока? Первоначальная идея Ампера о природе тока в металлическом проводе заключалась в том, что существуют два одновременных и противоположных тока: положительное электричество и отрицательное электричество. Он произвольно назвал направление тока положительным электричеством. Какая связь существует между этим — условным — направлением тока и магнитным эффектом? Ампер сформулировал простое правило, позволяющее избежать длинного списка возможных сценариев, составленного Эрстедом:

«Напряжение электричества» и «текущее электричество»: две категории явлений

Определение силы тока как потока электричества в 1820 году может предполагать, что Ампер придерживался идеи движения электричества в проводнике.Однако он задавался вопросом, согласно точке зрения, сходной с точкой зрения Эрстеда, не существует ли вместо этого постепенного, шаг за шагом распространения своего рода поляризации частиц проводника.

С другой стороны, вопрос о причине токов оставался открытым. Что касается батареи, Ампер поддержал ошибочный тезис Вольта, согласно которому электродвижущее действие было вызвано простым контактом двух разных металлов, но он отметил несостоятельность этой гипотезы, когда дело дошло до объяснения токов, ответственных за земной магнетизм.

Знаменитый закон

Ома, E = IR [U = RI по-французски], приучил нас к мысли о том, что напряжение E, приложенное к проводнику с сопротивлением R, является источником тока с силой I, протекающего через проводник [См. Страницу : La loi d’Ohm: delicate genèse d’une loi simple ]. Но для Ампера понятия напряжения и тока несовместимы. Эта ошибка, которая сохранялась до работы Ома, основывалась на простом экспериментальном наблюдении, хорошо известном с 1800 года: когда концы батареи соединяются «соединительным проводом», электрометр, подключенный к одному полюсу батареи, больше не регистрирует любое отклонение.С другой стороны, в проводе можно наблюдать эффекты сильного тока, вызванного тем, что сегодня называется коротким замыканием [Смотрите видео La pile de Volta en court-circuit ].

С самого начала своей книги « Mémoire … sur les effets du courant électrique » Ампер разделил электрические явления на две явно несвязанные категории:

«Электродвижущая сила проявляется посредством двух типов эффектов, […] я назову первое электрическое напряжение (« электрическое напряжение »), второе электрическое напряжение (« courant électrique »).Первый наблюдается, когда тела, между которыми происходит электродвижущее действие, отделены друг от друга непроводящими телами ».

В первом случае электродвижущее действие, будь то от машины трения или от батареи, является причиной разделения положительного и отрицательного электричества. Затем можно наблюдать эффекты электричества напряжения : притяжение легких тел, искр или отклонения электроскопа.

«Второй [эффект] заключается в том, что когда [эти два тела], напротив, образуют часть цепи с проводящими телами.«… Таким образом,« больше нет электрического напряжения, световые тела больше не притягиваются, и обычный электрометр больше не может служить для определения того, что происходит в теле ».

Электродвижущее действие порождает во втором случае «двойной ток, одно положительное электричество, другое отрицательное электричество». Затем наблюдаются эффекты текущего электричества и, в частности, магнитные эффекты, обнаруженные в эксперименте Эрстеда.

Утверждение (ошибочное), согласно которому в данном случае «электрического напряжения больше нет», позже будет смягчено.Ампер написал бы, что электрическое напряжение «исчезнет или, по крайней мере, станет очень маленьким ».

Другие вопросы, над которыми размышлял Ампер: как устанавливался постоянный ток? Почему «электродвижущее действие» не ускоряло электрические жидкости бесконечно? Может ли батарея поддерживать движение этих жидкостей бесконечно?

. Если таким образом вопрос о природе и причинах тока оставался в основном нерешенным, это нисколько не мешало ему изучать его эффекты.

«Гальванические спирали и спирали производят те же эффекты, что и магниты»

«Способ, которым я задумываю магниты»

«[Есть] на поверхности и внутри магнита столько электрических токов в плоскостях, перпендикулярных оси этого магнита, что можно представить серию линий, образующих замкнутые кривые [внутри магнита], не пересекая друг друга. .«

На этой диаграмме из книги, написанной вместе с Жаком Бабине, стрелки представляют направление, в котором макроскопические токи должны иметь внутри магнита, полюс которого расположен в точке A, является южным полюсом, а полюс, расположенным в точке B, является северным.

«Подобные токи, как я признаю, существуют на Земле»

По словам Ампера, Земля действует на компас как магнит, поэтому в ней должны циркулировать токи.О причине этих токов можно только догадываться, но свойства земного магнетизма, кажется, согласуются с идеей круговых токов.

Что говорит сегодняшняя наука?
Земное магнитное поле очень похоже на то, которое создается намагниченным стержнем, ось которого немного наклонена относительно полярной оси. Макроскопические токи, почти экваториальные, являются источником магнитного поля. Эффект «динамо», который генерирует эти токи внутри Земли и большинства звезд, в настоящее время является важным предметом изучения.

Взаимодействие двух прямых параллельных токов

Этот эксперимент является фундаментальным для теории Ампера. Для него это чистейшее проявление эффектов, производимых электричеством в движении .

Но это взаимодействие между токами не понималось его аудиторией как таковое.Это было слишком похоже на новую версию обычных электрических аттракционов. Кроме того, Ампер должен был подчеркнуть существенное различие: в то время как одинаково наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, одинаковые токи (текущие в одном направлении) притягиваются друг к другу. Кроме того, провод, подключенный к клеммам аккумулятора, не нес заметного заряда.

«фундаментальный факт»?

Чтобы поддержать фундаментальный характер взаимодействия между электрическими токами даже в чисто магнитных явлениях, Ампер прибег к интересному аргументу об историчности построения научного знания.

«Порядок, в котором обнаруживаются факты, не имеет ничего общего с их реальностью в природе», — утверждал он [ Ампер Саймону Шпейерту ван дер Эйку, 1821, ]. Если бы отклоняющее действие тока на компас, обнаруженное Эрстедом, было известно до магнитного действия Земли, можно было бы, естественно, «заключить, что причина была та же, и что вокруг Земли также был гальванический ток. … «. Точно так же, если бы действие электрического тока на намагниченную иглу было обнаружено до воздействия магнита на ту же иглу, можно было бы считать, что последняя действует как совокупность токов.

Нужно «сломать курс, к которому привык следовать порядку, в котором были обнаружены факты […]» «Каждое научное объяснение состоит из открытия фундаментального факта (« fait primitif »), выраженного общий закон, который, будучи установленным, служит для вывода всех остальных … Этот способ сведения множества фактов к одному факту, подтвержденному экспериментом, и чей математический закон подтверждается его согласованием с совокупностью явления, это то, что я призываю объяснить , хотя причина первоначального фундаментального факта абсолютно неизвестна.»[Письма Ампера, к X, 1821 и Саймону Шпейерту ван дер Эйку, 1821 ]

Конечно, «фундаментальный факт» — это взаимодействие двух токов. Но для математика вроде Ампера объяснение предполагает не останавливаться на качественных аспектах этого действия. Также необходимо предоставить математический закон.

Поиск математического закона для взаимодействия двух элементов тока

Чтобы вычислить это фундаментальное взаимодействие между двумя электрическими токами, естественный подход Ампера, профессора анализа, состоял в мысленном разрезании каждого проводника на бесконечное множество маленьких прямолинейных элементов.Если кто-то знает силу, действующую между двумя бесконечно малыми токовыми элементами, взаимодействия между электрическими цепями различной формы и, следовательно, взаимодействия между цепями и магнитами или между магнитами, можно вывести путем интегрирования. Таким образом, Ампер придавал большое значение поиску этой основной формулы элемента.

Он сделал черновой набросок этой формулы еще в конце октября 1820 года. Ему казалось само собой разумеющимся, что стихийная сила должна подчиняться ньютоновскому принципу действия и противодействия и, следовательно, быть направлена ​​вдоль линии, соединяющей два течения. элементы.Ампер также предположил, что оно пропорционально, как и сила тяжести, обратной величине квадрата расстояния. Но, в отличие от силы тяжести, сила между любыми двумя элементами тока зависит от их взаимной ориентации, которая определяется тремя углами. В течение следующих месяцев Ампер будет искать математическое выражение этой силы как функции расстояния и этих углов.

Предложенная им «электродинамическая формула» изначально включала неопределенный фактор.Трудность огромна. Бесконечно малые элементы тока — это, по сути, математическая идеализация, а эксперименты всегда влекут за собой макроскопические схемы. Фактически, хотя всегда можно, по крайней мере теоретически, вывести из бесконечно малой силы, путем интегрирования сила, действующая между макроскопическими цепями, обратная от экспериментально наблюдаемых сил между частями макроскопических цепей к элементарному закону, довольно сложна. .

Это будет работа Ампера на протяжении нескольких лет [см. Страницу В поисках закона электродинамики Ньютона ], работа, часто прерываемая болезнями и профессиональными проблемами, и результатом которой станет великий синтез 1826 года, Mémoire sur Математическая теория электродинамических феноменов, уникальный детективный опыт [ Записка по математической теории электродинамических явлений, выведенная исключительно на основе эксперимента ].

Дополнительная литература

АМПЕР, Андре-Мари. Mémoire […] sur les effets des courants electriques, Annales de chimie et de Physique , 1820, vol. 15, стр. 59-75, с. 170-218.
АМПЕР, Андре-Мари. Recueil d’abservations électrodynamiques , Paris, 1822.
AMPERE, André-Marie. Теория [математика] электродинамических феноменов, уникальный опыт , Париж, 1826.
АМПЕР, Андре-Мари. Теория электро-динамических феноменов, уникальность опыта, в Société Française de Physique. Коллекция релевантных воспоминаний по телосложению. т. 2: Mémoires sur l’électrodynamique. 1ère partie . Париж: Готье-Виллар, 1885, стр. 1-193. [Voir le pdf]

БЛОНДЕЛЬ, Кристина. Avec Ampère le courant Passe, Les mathématiques, исследующие лес природы. Le cas du champ électromagnétique. Les Cahiers de Science & Vie , 67, 2002, 20-27.
ЛОКЕНЕ, Роберт. Ampère, encyclopédiste et métaphysicien. Les Ulis: EDP Sciences, 2008.
ХОФМАНН, Джеймс Р. Андре-Мари Ампер . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1996.
BLONDEL, Christine. Ampère et la création de l’électrodynamique , 1820-1827 . Париж: Национальная библиотека, 1982.

Библиография «вторичных источников» по ​​истории электричества.

Французская версия: март 2009 г. (английский перевод: январь 2013 г .; последняя редакция: март 2021 г.)

Магнитная сила между двумя параллельными проводниками — College Physics

Цели обучения

• Опишите влияние магнитной силы между двумя проводниками.
• Рассчитайте силу между двумя параллельными проводниками.

Можно ожидать, что между токоведущими проводами существуют значительные силы, поскольку обычные токи создают значительные магнитные поля, и эти поля оказывают значительные силы на обычные токи. Но вы не могли ожидать, что сила между проводами используется для определения ампер. Вы также можете удивиться, узнав, что эта сила имеет какое-то отношение к тому, почему большие автоматические выключатели сгорают, когда они пытаются отключить большие токи.

Силу между двумя длинными прямыми и параллельными проводниками, разделенными расстоянием, можно найти, применив то, что мы разработали в предыдущих разделах. (Рисунок) показывает провода, их токи, поля, которые они создают, и последующие силы, которые они оказывают друг на друга. Давайте рассмотрим поле, создаваемое проводом 1, и силу, которую он оказывает на провод 2 (назовем силу). Поле из-за на расстоянии дано равным

(a) Магнитное поле, создаваемое длинным прямым проводником, перпендикулярно параллельному проводнику, как показано RHR-2.(b) Вид сверху двух проводов, показанных на (a), с одной линией магнитного поля для каждого провода. RHR-1 показывает, что сила между параллельными проводниками притягивает, когда токи идут в одном направлении. Подобный анализ показывает, что сила отталкивания между токами в противоположных направлениях.

Это поле однородно вдоль провода 2 и перпендикулярно ему, поэтому сила, которую оно оказывает на провод 2, определяется выражением:

Согласно третьему закону Ньютона силы, действующие на провода, равны по величине, поэтому мы просто записываем величину.(Обратите внимание на это.) Поскольку провода очень длинные, их удобно рассматривать в терминах силы на единицу длины. Подстановка выражения для в последнее уравнение и перестановка членов дает

— сила на единицу длины между двумя параллельными токами, разделенными расстоянием. Сила притягивающая, если токи в одном направлении, и отталкивающая, если они в противоположных направлениях.

Эта сила отвечает за пинч-эффект в электрических дугах и плазме.Сила существует независимо от того, есть ток в проводах или нет. В электрической дуге, где токи движутся параллельно друг другу, существует притяжение, которое сжимает токи в трубку меньшего размера. В крупных автоматических выключателях, таких как те, которые используются в системах распределения электроэнергии по соседству, защемляющий эффект может концентрировать дугу между пластинами переключателя, пытаясь прервать большой ток, прожигать дыры и даже зажигать оборудование. Другой пример пинч-эффекта обнаружен в солнечной плазме, где струи ионизированного материала, такие как солнечные вспышки, формируются под действием магнитных сил.

Рабочее определение для ампера основано на силе между токоведущими проводами. Обратите внимание, что для параллельных проводов, разделенных расстоянием в 1 метр, каждый из которых несет 1 ампер, сила на метр составляет

Так точно по определению, и потому, что сила на метр точно. Это основа рабочего определения ампера.

Ампер

Официальное определение ампера:

Один ампер тока через каждый из двух параллельных проводов бесконечной длины, разделенных одним метром в пустом пространстве, свободном от других магнитных полей, вызывает силу точно на каждый провод.

Прямые провода бесконечной длины непрактичны, поэтому на практике токовый баланс строится с катушками проводов, разделенными на несколько сантиметров. Для определения силы тока измеряется сила. Это также дает нам метод измерения кулона. Мы измеряем заряд, протекающий при токе в один ампер за одну секунду. То есть, . Как для ампера, так и для кулонов метод измерения силы между проводниками на практике является наиболее точным.

Сводка раздела

• Сила между двумя параллельными токами и, разделенная расстоянием, имеет величину на единицу длины, определяемую выражением
• Сила притягивающая, если токи в одном направлении, и отталкивающая, если они в противоположных направлениях.

Концептуальные вопросы

Является ли сила притяжения или отталкивания между горячей и нейтральной линиями, свисающими с полюсов питания? Почему?

Если у вас есть три параллельных провода в одной плоскости, как на (Рисунок), с токами в двух внешних, идущих в противоположных направлениях, может ли средний провод отталкиваться обоими? Привлекают оба? Объяснять.

Три параллельных копланарных провода с токами во внешних двух в противоположных направлениях.

Предположим, что два длинных прямых провода проложены перпендикулярно друг другу, не касаясь друг друга.Оказывает ли одно чистое воздействие на другого? Если да, то в каком направлении? Придает ли одно значение крутящему моменту другому? Если да, то в каком направлении? Обоснуйте свои ответы, используя правила правой руки.

Используйте правила правой руки, чтобы показать, что сила между двумя петлями на (Рисунок) является притягивающей, если токи имеют одинаковое направление, и отталкивающей, если они находятся в противоположных направлениях. Согласуется ли это с одинаковыми полюсами петель, отталкивающими, и разными полюсами петель, притягивающими? Нарисуйте эскизы, чтобы обосновать свои ответы.

Две петли проводов, по которым проходят токи, могут оказывать друг на друга силы и моменты.

Если одна из петель на (Рисунок) немного наклонена относительно другой и их токи имеют одинаковое направление, каковы направления крутящих моментов, которые они оказывают друг на друга? Означает ли это, что полюса стержневых магнитоподобных полей, которые они создают, выровняются друг с другом, если петлям разрешено вращаться?

Силовые линии электрического поля могут быть экранированы эффектом клетки Фарадея.Можно ли использовать магнитное экранирование? Можем ли мы иметь гравитационную защиту?

Задачи и упражнения

(a) Горячий и нейтральный провода, подающие питание постоянного тока на пригородный легкорельсовый поезд, имеют ток 800 А и разделены на 75,0 см. Какова величина и направление силы между 50,0 м этих проводов? (b) Обсудите практические последствия этой силы, если таковые имеются.

(а) 8,53 Н, отталкивающая

(b) Эта сила является отталкивающей, поэтому никогда не существует риска соприкосновения двух проводов и короткого замыкания.

Сила на метр между двумя проводами соединительного кабеля, используемого для запуска застрявшего автомобиля, составляет 0,225 Н / м. а) Какой ток в проводах, если расстояние между ними составляет 2,00 см? б) Является ли сила притягательной или отталкивающей?

Отрезок провода длиной 2,50 м, подводящий ток к двигателю подводной подводной лодки, имеет ток 1000 А и испытывает силу отталкивания 4,00 Н от параллельного провода на расстоянии 5,00 см. Какое направление и величина тока в другом проводе?

400 А в обратном направлении

Провод, подающий 400 А к двигателю пригородного поезда, испытывает силу притяжения из-за параллельного провода, несущего 5.00 А к фаре. а) Как далеко друг от друга расположены провода? б) Направлены ли токи в одном направлении?

Шнур электроприбора переменного тока имеет горячий и нейтральный провода, разделенные на 3,00 мм, и пропускает ток 5,00 А. а) Какая средняя сила на метр между проводами шнура? б) Какое максимальное усилие на метр между проводами? (c) Являются ли силы притягательными или отталкивающими? (d) Нужны ли шнуры электроприборов какие-либо особые конструктивные особенности для компенсации этих сил?

(а)

б)

(c) Отталкивающий

(г) Нет, это очень маленькие силы

(рисунок) показывает длинный прямой провод рядом с прямоугольной токовой петлей.Каково направление и величина общей силы на петле?

Найдите направление и величину силы, которую испытывает каждый провод (рисунок) (a), используя сложение векторов.

Найдите направление и величину силы, которую испытывает каждый провод (рисунок) (b), используя сложение векторов.

ампер: История | NIST

Андре-Мари Ампер
История ампера началась, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнетизм и электричество — два аспекта одного и того же.В 1820 году он показал, что стрелку компаса можно отклонить с севера, поместив ее рядом с электрическим током. Как обнаружил Эрстед, ток в проводе создает магнитное поле, которое окружает провод и влияет на другие близлежащие поля, такие как поля стержневого магнита.

Французский математик и физик Андре-Мари Ампер был вдохновлен этой демонстрацией, чтобы установить связь между электричеством и магнетизмом. Он обнаружил, что если вы поместите два провода параллельно друг другу и пропустите через них ток, провода будут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться, в зависимости от того, текут ли токи в одном или противоположных направлениях.Это потому, что каждый провод генерирует магнитное поле. Чем длиннее провода и чем выше токи, проходящие через них, тем больше магнитное отталкивание или притяжение.

До 2019 года определение SI следовало этой схеме. Если бы он был установлен в идеальных условиях с проводами на расстоянии 1 метра друг от друга, ток в 1 ампер привел бы к силе между проводами в 2 × 10 ^-7 ньютонов. Это немного — примерно десятимиллионная веса среднего яблока.Но это есть.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

На протяжении столетия люди продолжали разрабатывать правила, регулирующие электромагнетизм (ЭМ). В 1861 году ученые начали предлагать системы единиц для ЭМ. Эти системы включали блоки тока, напряжения и сопротивления. Однако разные ученые использовали разные системы единиц. В какой-то момент одновременно использовалось четырех различных систем ЭМ. Ученые хотели создать систему единиц, доступную для всех.

Выбор ампер

В 1893 году научный комитет под названием Международный электротехнический конгресс (МЭК) собрался в Чикаго и остановился на двух единицах измерения, которые послужили основой для других: ом для сопротивления и ампер для тока. Решение Конгресса было официально принято на Международной конференции ученых, собравшейся в Лондоне в 1908 году.

В Национальном бюро стандартов (предшественник NIST) в 1903 году ученый Ф.А.Вольф (справа) работает в масляной ванне, наблюдая за датчиком температуры, чтобы измерить температурный отклик нескольких ячеек Вестона, используемых для калибровки вольтметров.Его коллега слева, похоже, создает ртутные термометры, которые использовались в эксперименте.

Кредит:
NIST

Ом был одним из первых блоков, созданных для электричества. Возможно, это одна из самых простых электрических величин, которую можно представить, поскольку, например, провода разной длины могут иметь разное сопротивление. Но реализация стандарта ома была окольным процессом, начиная с «ртутной единицы Сименса» 1860 года, обозначенной пропусканием электричества через столб чистой ртути длиной 1 метр, до использования различных электрических компонентов, таких как катушки, индукторы и конденсаторы, и, наконец, в 1990-е — явлениям, основанным на квантовой механике.

Этот ампер, называемый «международным ампером», не был тем ампером, который ученые используют сегодня. Вместо этого этот ампер был реализован — преобразованный из определения в практическую реальность — с помощью устройства, называемого серебряным вольтаметром. Это устройство содержало электроды с положительным (анод) и отрицательным (катод) выводами. Анод подвешивали в растворе нитрата серебра. Когда ток проходит через устройство, серебро накапливается на катоде. Затем исследователи определяли массу катода до и после; количество серебра на катоде показало, сколько тока прошло через устройство.

Ампер был определен как ток, который выделяет ровно 0,001118 грамма серебра в секунду из раствора нитрата серебра. Более точные измерения позже показали, что этот ток на самом деле меньше 1 ампера, который, как думали ученые, они измеряли.

Клетки Вестона сфотографированы в музее NIST.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

Однако это определение ампера не было абсолютным измерением. Ученым все же пришлось откалибровать серебряный вольтаметр с помощью других инструментов.Одним из них был эталон напряжения, называемый ячейкой Вестона, H-образный стеклянный контейнер, заполненный тщательно уложенными слоями химикатов.

Внутри клетки Вестона.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

Элементы

Weston славились своей точностью и надежностью: они могли обеспечивать одинаковое напряжение в течение длительного периода времени. Напряжение, сопротивление и ток взаимосвязаны. Таким образом, исследователи могут использовать элемент Вестона с резистором известного сопротивления для создания тока, который можно использовать для калибровки серебряного вольтаметра.

После калибровки серебряного вольтаметра его можно было использовать в качестве основного эталона для калибровки другого типа инструмента, обычно используемого для калибровки измерителя тока. Это устройство называлось амперными весами, предшественниками весов Киббла, которые теперь используются как «электронный килограмм» для измерения массы.

Серебряный вольтаметр, сфотографированный в музее NIST.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

Идея баланса ампер заключалась в том, что техники пропускали ток через катушки, которые производили физическое движение, которое перемещало индикатор на механической шкале.Положение индикатора на шкале показало им количество тока, протекающего через катушки.

Баланс ампер, сфотографированный в музее NIST.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

В поисках лучшего ампера

В 1921 году Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) — международная организация, которая принимает решения по стандартам — официально добавила ампер в качестве единицы электричества, сделав его четвертой единицей СИ. Ампер присоединился к единицам СИ для расстояния, времени и массы, которые были включены со времен Договора о метре 1875 года.Но ученые уже обнаружили, что определение единицы измерения тока на основе серебряного вольтаметра уже не было достаточно точным.

Серебряные вольтаметры, сфотографированные в музее NIST.

Кредит:
Дж. Ли / NIST

Еще раньше ученые ворчали по поводу решения Лондонской конференции определить ампер с помощью серебряного вольтаметра. Еще в 1917 году Э. Роза и Г. Виналь, два ученых из Национального бюро стандартов (предшественник NIST), написали в Proceedings of the National Academy of Sciences:

Во время этой конференции делегаты из этой страны считали, что вместо ампера следовало выбрать вольт, потому что стандартная ячейка была более воспроизводимой, чем серебряный вольтаметр, и служила средством тогда, как и сейчас. используется (вместе с омом) для измерения ампер методом падения потенциала.Однако решение конференции было принято как окончательное, и в нескольких разных странах, особенно в этой стране, были предприняты исследования с целью сделать вольтаметр достойным нести ответственность, возложенную на него Лондонской конференцией.

Стандартные ячейки около 1926 г.

Кредит:
NIST

К 1933 году CGPM был полон решимости перейти от этого «международного» ампера, основанного на серебряном вольтаметре, к так называемой абсолютной системе, в которой использовались более фундаментальные единицы измерения — сантиметр, грамм и секунда.

В 1935 году Международный комитет мер и весов (CIPM), который дал рекомендации, которые будут рассмотрены CGPM, единогласно одобрил это предложение.

После перерыва во время Второй мировой войны международное сообщество ученых снова занялось этой проблемой. В 1948 году CIPM официально принял новое определение ампера — силы на единицу длины между двумя длинными проводами. Это восходит к первоначальному эксперименту, проведенному самим Ампера, и включает в себя основные единицы измерения длины, массы и времени.Ученые реализовали этот блок, используя известные резисторы и элементы Вестона, чтобы обеспечить стабильное сопротивление и напряжение.

В 1960 году ампер вместе с шестью другими фундаментальными единицами измерения были интегрированы в систему СИ, которая до сих пор является основой науки об измерениях.

Сотрудник Национального бюро стандартов (предшественник NIST) с электрическими элементами в 1960-х годах.

Кредит:
NIST

Магнитная сила между двумя параллельными токами — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как параллельные провода, по которым проходят токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга
• Определите силу тока и опишите, как она связана с токоведущими проводами
• Рассчитайте силу притяжения или отталкивания между двумя токоведущими проводами

Можно ожидать, что два токоведущих провода создают между собой значительные силы, поскольку обычные токи создают магнитные поля, и эти поля оказывают значительные силы на обычные токи.Но вы не могли ожидать, что сила между проводами используется для определения силы тока. Вы также можете удивиться, узнав, что эта сила имеет какое-то отношение к тому, почему большие автоматические выключатели сгорают, когда они пытаются отключить большие токи.

Силу между двумя длинными, прямыми и параллельными проводниками, разделенными расстоянием r , можно найти, применив то, что мы разработали в предыдущих разделах. (Рисунок) показывает провода, их токи, поле, создаваемое одним проводом, и соответствующую силу, которую другой провод испытывает от созданного поля.Давайте рассмотрим поле, создаваемое проводом 1, и силу, которую он оказывает на провод 2 (назовем силу). Поле из-за на расстоянии r равно

(a) Магнитное поле, создаваемое длинным прямым проводником, перпендикулярно параллельному проводнику, как показано правилом правой руки (RHR) -2. (b) Вид сверху двух проводов, показанных на (a), с одной линией магнитного поля, показанной для провода 1. RHR-1 показывает, что сила между параллельными проводниками притягивает, когда токи идут в одном направлении.Подобный анализ показывает, что сила отталкивания между токами в противоположных направлениях.

Это поле равномерно по отношению к проводу 1 и перпендикулярно ему, поэтому сила, которую оно прикладывает к длине l провода 2, определяется как

Силы на проводах равны по величине, поэтому мы просто запишем F для величины (Обратите внимание, что) Поскольку провода очень длинные, удобно думать о F / l , силе на единичная длина.Подстановка выражения для в (рисунок) и перестановка членов дает

Отношение F / l — это сила на единицу длины между двумя параллельными токами, разделенными расстоянием r . Сила притягивающая, если токи в одном направлении, и отталкивающая, если они в противоположных направлениях.

Эта сила отвечает за пинч-эффект в электрических дугах и другой плазме. Сила существует независимо от того, есть ток в проводах или нет.Это очевидно только в том случае, если общая плотность заряда равна нулю; в противном случае кулоновское отталкивание преодолевает магнитное притяжение. В электрической дуге, где заряды движутся параллельно друг другу, сила притяжения сжимает токи в трубку меньшего размера. В больших автоматических выключателях, таких как те, которые используются в системах распределения электроэнергии по соседству, защемляющий эффект может концентрировать дугу между пластинами переключателя, пытаясь прервать большой ток, прожигать дыры и даже зажигать оборудование. Другой пример пинч-эффекта обнаружен в солнечной плазме, где струи ионизированного материала, такие как солнечные вспышки, формируются под действием магнитных сил.

Определение силы тока основано на силе между токоведущими проводами. Обратите внимание, что для длинных параллельных проводов, разделенных расстоянием в 1 метр, каждый из которых несет 1 ампер, сила на метр составляет

Т.к. это точно по определению, а потому что сила на метр именно такая. Это основа определения ампера.

Провода бесконечной длины непрактичны, поэтому на практике токовый баланс строится с катушками проводов, разделенными на несколько сантиметров.Для определения силы тока измеряется сила. Это также дает нам метод измерения кулона. Мы измеряем заряд, протекающий при токе в один ампер за одну секунду. То есть как для ампера, так и для кулонов метод измерения силы между проводниками является наиболее точным на практике.

Расчет сил на проводах Два провода, по которым отводится ток от страницы, имеют ток величиной 5,0 мА. Первый провод находится в точке (0,0 см, 3,0 см), а другой провод — в точке (4.0 см, 0,0 см), как показано на (Рисунок). Какова сила магнитного поля на единицу длины первого провода на втором и второго провода на первом?

Два токоведущих провода в заданных местах с токами, выходящими за пределы страницы.

Стратегия Каждый провод создает магнитное поле, которое ощущает другой провод. Расстояние вдоль гипотенузы треугольника между проводами — это радиальное расстояние, используемое в расчетах для определения силы на единицу длины. Поскольку в обоих проводах токи протекают в одном направлении, сила направлена ​​навстречу друг другу.

Решение Расстояние между проводами, полученное в результате нахождения гипотенузы треугольника:

Затем можно рассчитать силу на единицу длины, используя известные токи в проводах:

Сила первого провода тянет второй провод. Угол между радиусом и осью x составляет

Единичный вектор для этого рассчитывается по

Следовательно, сила на единицу длины от провода 1 к проводу 2 равна

Сила на единицу длины от провода 2 к проводу 1 отрицательна по сравнению с предыдущим ответом:

Значение Эти провода создавали магнитные поля одинаковой величины, но в противоположных направлениях в точках расположения друг друга.Независимо от того, идентичны поля или нет, силы, которые провода действуют друг на друга, всегда равны по величине и противоположны по направлению (третий закон Ньютона).

Проверьте свои знания Два провода, по которым ток выводится за пределы страницы, имеют ток величиной 2,0 мА и 3,0 мА соответственно. Первый провод расположен в точке (0,0 см, 5,0 см), а другой провод — в точке (12,0 см, 0,0 см). Какова величина магнитной силы на единицу длины первого провода на втором и второго провода на первом?

Оба имеют усилие на единицу длины

Сводка

• Сила между двумя параллельными токами, разделенными расстоянием r , имеет величину на единицу длины, равную

.

• Сила притягивающая, если токи в одном направлении, и отталкивающая, если они в противоположных направлениях.

Концептуальные вопросы

Сравните и сопоставьте электрическое поле бесконечной линии заряда и магнитное поле бесконечной линии тока.

Постоянна ли величина для точек, лежащих на силовой линии магнитного поля?

Линия магнитного поля определяет направление магнитного поля в любой точке пространства. Плотность силовых линий магнитного поля указывает на силу магнитного поля.

Проблемы

Два длинных прямых провода параллельны друг другу на расстоянии 25 см.а) Если каждый провод пропускает ток 50 А в одном и том же направлении, какова магнитная сила на метр, приложенная к каждому проводу? (b) Сила стягивает провода вместе или раздвигает их? в) Что произойдет, если токи текут в противоположных направлениях?

Два длинных прямых провода расположены параллельно на расстоянии 10 см друг от друга. Один пропускает ток 2,0 А, другой — 5,0 А. а) Если два тока текут в противоположных направлениях, каковы величина и направление силы на единицу длины одного провода на другом? б) Какова величина и направление силы на единицу длины, если токи текут в одном направлении?

а.подальше от другого провода; б. в сторону другого провода

Два длинных параллельных провода подвешены на шнурах длиной 5,0 см, как показано на прилагаемом рисунке. Каждый провод имеет массу на единицу длины 30 г / м, и они несут одинаковый ток в противоположных направлениях. Какой ток, если шнуры свисают относительно вертикали?

Цепь с током I имеет два длинных параллельных участка проводов, по которым ток проходит в противоположных направлениях. Найдите магнитное поле в точке P рядом с этими проводами, которая находится на расстоянии a от одного провода и b от другого провода, как показано на рисунке.

Бесконечный прямой провод, показанный на прилагаемом рисунке, несет ток. Прямоугольная петля, длинные стороны которой параллельны проводу, несет ток. Каковы величина и направление силы на прямоугольной петле из-за магнитного поля провод?

(PDF) Электромагнитная индукция с новой точки зрения

2

Возможно другая история — как «мысленный эксперимент»

Если правда, что Эрстед сделал свое открытие случайно, то на основании этого кажется, что

допустимо вообразить другой ход исторического развития как мысль

эксперимент.Как оказалось, это могло иметь далеко идущие последствия.

В этой другой истории следует сначала предположить, что Эрстед не сделал своего открытия

в 1819 году. Возможно, магнитная стрелка была расположена немного дальше от цепи в вопросе

, и поэтому Фарадею не хотелось бы исследовать это

новое явление.

Помимо Фарадея, на работу французского физика Ампера также сильно повлияло открытие Эрстеда, так что эти влияния также отсутствовали бы.

Здесь продолжается новая воображаемая история, в которой предполагается, что

Ампер по какой-либо причине проводил бы свои эксперименты в то время

без открытий Эрстеда. Еще в 1820 году Ампер обнаружил, что два параллельных проводника с током

взаимодействуют друг с другом, притягивая или отталкивая

, в зависимости от направления тока (Ampère, 1820). Ампер

интерпретировал это взаимодействие и все другие не зависящие от времени явления

, открытые Фарадеем, как взаимодействие между бесконечно малыми элементами тока.

Ему удалось сформулировать закон — исходный закон Ампера — на основе его экспериментов

и использования различных недавно разработанных измерительных устройств для изучения этого взаимодействия

. Этот закон позволил ему сделать количественные утверждения о взаимодействии

между двумя элементами постоянного тока при любой ориентации в пространстве (Ampère,

1822). Его закон силы имеет более сложную форму, чем, например, Закон

Гравитации или Закон Кулона, поскольку он содержит соотношение трех произвольно расположенных в пространстве углов

.В то время этот закон был относительно хорошо принят, о чем свидетельствует следующая цитата из заявления Максвелла (Maxwell, 1954)

.

«Экспериментальное исследование, с помощью которого Ампер установил закон

механического взаимодействия между электрическими токами, является одним из самых блестящих

достижений науки. Вся теория и эксперимент, кажется, будто

выпрыгнули, полностью выросли и во всеоружии, из мозга «Ньютона электричества».Это

, совершенное по форме и непревзойденное по точности, и оно суммируется в формуле из

, из которой можно вывести все явления, и которая всегда должна оставаться кардинальной формулой электродинамики

».

При оценке работы Ампера важны два момента. С одной стороны, Ампер

настаивал на том, что все силы, возникающие в природе, должны управляться принципом Ньютона

«actio equals reactio» в его строгой форме; что могут быть только силы притяжения и

силы отталкивания, линия действия которых совпадает с линией, соединяющей

взаимодействующих партнеров.

С другой стороны, Ампер предположил, что все явления естественного магнетизма были

из-за взаимодействия между электрическими токами. Чтобы объяснить постоянный магнетизм,

, он постулировал существование микрофизических токов внутри магнитного материала,

и для объяснения земного магнетизма он предположил, что должен существовать электрический ток

внутри Земли (Ampère, 1822) .