Закон ампера: формулировка и применение

Закон Ампера, формулировка которого известна любому физику, является одним из четырех уравнений Максвелла, которые в своей совокупности образуют фундамент всей теории классической электродинамики.

Уравнения Максвелла

Часть закона Ампера о том, как электрические токи, источники магнитного поля, относятся к самому полю. Другими словами, это (в совокупности с законом Гаусса для магнетизма) точно описывает картину, в которой электрические токи порождают магнитные поля. Поправочная часть Максвелла является значимой, поскольку она говорит, что магнитные поля появляются, когда электрические поля изменяются во времени. Это также важно, поскольку уравнения Максвелла не согласуются без него. С коррекцией термина можно вывести формулы сохранения электрического заряда и предсказать существование электромагнитных волн, которые перемещаются со скоростью.

В доходчивой форме закон Ампера принимает участие соответственно линейности уравнений Максвелла и, следовательно, всей теории классической электродинамики. Если взять два токовых распределителя и их совместить, тогда магнитное поле будет представлять собой сумму магнитных полей, производимых каждой конфигурацией.

Регулировочный элемент Максвелла является еще линейным, и, следовательно, электромагнитные волны являются линейными тоже. Они мешают друг другу согласно принципу суперпозиции и проходят прямо сквозь друг друга без рассеяния.

Как объяснить закон Ампера простым языком?

Простейшим объяснением является то, что провод переносит ток. Если игнорировать магнитное поле Земли, можно представить, что вертикальный провод с электрическим током идет вверх.

Люди склонны говорить об электромагнетизме, но электричество отдельно от магнетизма, поскольку установлено, что электричество и магнетизм влияют друг на друга и могут быть объединены в систему уравнений. В частности, в случае токоведущих проводов электрический ток производит магнитное поле. Ориентация этих полей не очень понятна, но это заметно. Магнитные компасы могут быть размещены вокруг токоведущих проводов, а направления поля можно увидеть в направлениях игловых точек.

Есть возможность рассмотреть это из-за простой симметрии. Ток в проводе производит магнитное поле, но что должно произойти с узором в этих полях, если провод остается вертикальным и поворачивается на некоторый угол около этой вертикальной оси? Дело в том, что ток не меняется в любом случае на такой поворот. Он по-прежнему идет прямо. Следовательно, это вращение не может изменить картину магнитного поля, которое производится.

Структуры

Есть только две возможные структуры, которые работали бы от этого. Либо поля направлены радиально в сторону или подальше от провода, или вокруг провода. Первая возможность — это то, что люди получают от электрически заряженного провода электрическое поле. Вторая возможность — это то, что можно получить магнитное поле, создаваемое током, через провода.

Для одиночного проводника формы поля имеют круговые структуры по центру провода, и сила поля убывает с расстоянием. Как шаблон, это очень похоже на рябь, которая образуется при падении камня в воду. Существует два основных различия между прудом и картиной магнитного поля. Первый – это то, что магнитное поле остается неизменным на заданном расстоянии. Оно не будет расти, а будет уменьшаться в заданной точке. Второй заключается в том, что магнитное поле имеет направление к каждой точке касания окружности.

Сила тока и расстояние

Следующая часть закона Ампера гласит, что сила магнитного поля зависит от силы тока и расстояния от провода. В результате получается, что, если умножить силу магнитного поля на окружность круга, этот продукт будет пропорционален силе электрического тока. То есть, если удвоить расстояние от провода, линия окружности удваивается, а величина магнитного поля падает в 2 раза.

Но закон Ампера позволяет разобраться с токами, которые производятся в системах более сложных, чем одиночный провод. Но все эти случаи эквивалентны. Это означает, что идея магнитной напряженности поля, умноженной на длину пути, остается полезной и по-прежнему зависит от суммы всех токов внутри контура, который образует путь.

Как можно понять закон в практическом смысле?

Это влечет за собой некоторые векторные исчисления, которые можно объяснить интуитивно понятным способом:

• Магнитные поля создаются электрическими токами.
• Магнитные поля «накручены» на ток, который их производит в заданном направлении.
• Чем больше ток, тем сильнее создается магнитное поле. Напряженность магнитного поля пропорциональна току.

Закон Ампера связывает вместе эти понятия в одной из двух математических формул. Поле становится более интенсивным по мере приближения к проводу.

Пропорциональность суммарному току

В интегральной форме закона Ампера используется понятие линейного интеграла. В принципе, можно выбрать определенный цикл (т. е. замкнутый путь через космос) и пройтись вдоль петли, сложить составляющие магнитного поля. Это покажет, насколько магнитное поле вьется вокруг поверхности, ограниченной петлей. Утверждение, что эта величина пропорциональна суммарному току, который ограничен петлей, верно.

Чтобы понять это, нужно рассмотреть контур, ограничивающий провод. Если выполнить петлю вокруг провода, магнитное поле всегда идет к точке в том же направлении, что означает, что общая сумма криволинейного интеграла будет положительной. Это говорит, что можно пройти вокруг тока! Кроме того, можно определить направление тока, используя правило правой руки. Если поток тока пошел в другом направлении, значение криволинейного интеграла переворачивается.

Теперь можно предположить, что взят цикл, в котором не подкладывают проволоку, но делают круг против часовой стрелки над проводом. Если пройтись вокруг нижней части петли, в большинстве случаев направление будет идти против течения, поэтому вклад в интеграл будет отрицательным. Но когда направление проходит вокруг верхней части петли, в большинстве случаев оно будет такое же, что и ток, так что вклад будет положительным. Это говорит, что нет ничего внутри цикла (либо нет тока вообще, или течения токов в противоположных направлениях компенсируют друг друга).

Дифференциал

В дифференциальной форме применение закона Ампера происходит в концепции завитков векторной области. Локон — это количественное измерение, векторное поле — это «керлинг» вокруг данной точки. Если брать все меньшие и меньшие циклы вокруг точки и вычислить криволинейный интеграл, результат должен стать примерно пропорциональным площади петли. Коэффициентом пропорциональности является завиток.

Если взять цикл, который не содержат провода, криволинейный интеграл всегда будет равен нулю. Если петли все дальше и дальше, он всегда будет равен нулю. Коэффициент пропорциональности будет равен нулю, и ротор будет равен нолю (если быть точным, то нулевой вектор). Но если находиться внутри провода, то, независимо от того, какие петли, он будет получать ток, протекающий через него. Идея заключается в том, что для бесконечно малого контура только плотность тока в этот момент будет «внутри» него, а так только плотность тока в этой точке будет определять значение криволинейного интеграла. Поэтому ротор должен быть пропорционален плотности тока в данной точке, так как он соотносится по значению криволинейного интеграла по бесконечно малой петле.

Заключение

В дифференциальной и интегральной формах закон Ампера эквивалентен, он может быть показан путем применения теоремы Стокса. По существу, дифференциальная форма является бесконечно малой версией второго уравнения в «интегральной форме». Но теорема Стокса — это тема другого исследования.