Действие магнитного поля на проводник с током: особенности

Магнитное поле оказывает воздействие на проводники с электрическим током. Это явление широко используется в различных устройствах, в частности в электродвигателях.

Сила Ампера

Французский ученый Андре-Мари Ампер в 1820 году открыл, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Эта сила получила название силы Ампера.

Величина силы Ампера пропорциональна:

• силе тока в проводнике
• длине участка проводника, находящегося в магнитном поле
• индукции магнитного поля B
• синусу угла α между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитной индукции B

Математически это выражается формулой:

F = B ∙ I ∙ l ∙ sinα

где:

• F - модуль вектора силы Ампера, Н
• B - модуль вектора магнитной индукции, Тл
• I - сила тока, А
• l - длина проводника, м
• α - угол между направлением тока и направлением вектора B , градусы

Направление силы Ампера

Чтобы определить направление силы Ампера, используют правило левой руки:

1. Расположите левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь перпендикулярно ей.
2. Четыре вытянутых пальца направьте по направлению тока в проводнике.
3. Тогда отведенный на 90 градусов большой палец укажет направление действия силы Ампера.

Применение явления в электродвигателях

Действие магнитного поля на проводник с током используется в электрических двигателях. Оно заставляет вращаться рамку (катушку) с током в магнитном поле.

Упрощенная схема электродвигателя выглядит следующим образом:

• Постоянный магнит с двумя полюсами (северным и южным).
• Подвижная катушка с током, которая может свободно вращаться между полюсами магнита.

Когда по катушке пропускают электрический ток, на разные ее стороны начинает действовать сила Ампера. Это приводит к вращению катушки.

Таким образом, за счет действия магнитного поля на проводник с током происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Закон Ампера

На основании своих экспериментов Ампер сформулировал закон Ампера - закон взаимодействия параллельных токов:

Сила взаимодействия двух параллельных проводников с током прямо пропорциональна произведению сил токов в проводниках и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Таким образом, если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники будут притягиваться, а если в разные стороны - отталкиваться.

Расчет силы Ампера

Для расчета величины силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно воспользоваться приведенной выше формулой. Рассмотрим числовой пример.

Пусть индукция магнитного поля B = 0,5 Тл, сила тока в проводнике I = 2 A, длина проводника в магнитном поле l = 0,3 м, угол между направлением тока и вектором индукции α = 30°. Тогда:

F = 0,5 Тл * 2 А * 0,3 м * sin 30° = 0,15 Н

Получили, что при заданных условиях величина силы Ампера равна 0,15 Н.

Действие магнитного поля на различные проводники

Характер действия магнитного поля на проводник с током зависит от формы самого проводника.

Например, если в магнитном поле поместить отдельный прямой проводник с током, он будет испытывать поперечную силу Ампера, стремящуюся отклонить его из первоначального положения.

А если в магнитном поле расположить замкнутый контур с током (рамку или катушку), то он будет вращаться в поле под действием силы Ампера. Этот принцип используется в электродвигателях, как описано выше.

Магнитные свойства вещества

В зависимости от того, как вещество реагирует на внешнее магнитное поле, различают три основные группы магнитных материалов:

1. Диамагнетики - слабо намагничиваются и выталкиваются из внешнего магнитного поля (золото, серебро, кислород).
2. Парамагнетики - намагничиваются параллельно внешнему полю (алюминий, вольфрам).
3. Ферромагнетики - сильно намагничиваются в направлении внешнего поля (железо, кобальт, никель).

Наиболее сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики. Поэтому постоянные магниты чаще всего изготавливают из сплавов железа, кобальта, никеля.

Действие магнитного поля Земли

Земля также является большим магнитом. Геомагнитное поле воздействует на различные объекты на поверхности планеты и в околоземном пространстве.

В частности, магнитное поле Земли действует на заряженные частицы солнечного ветра, направляя их вдоль определенных линий и формируя магнитосферу.

Кроме того, без магнитного поля Земли было бы невозможно определение направления по компасу, который используется для навигации уже более двух тысячелетий.

Применение закона Ампера

Закон Ампера, описывающий взаимодействие параллельных проводников с током, широко используется при конструировании различных электротехнических устройств.

Например, на его основе создаются электромагниты, которые находят применение в электрических звонках, реле, контакторах и других устройствах автоматики и телемеханики.

А в электроизмерительных приборах этот закон позволяет реализовать принцип действия электродинамических измерительных механизмов - электродинамометров и ферродинамических ваттметров.

Магнитная проницаемость вещества

Магнитная проницаемость характеризует способность вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле. Она непосредственно связана с магнитными свойствами материалов, описанными выше.

Различают абсолютную и относительную магнитную проницаемость. Абсолютная μ равна отношению индукции B материала к напряженности поля H в этом материале:

μ = B / H

Для вакуума абсолютная проницаемость μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м. Относительная проницаемость μ_r вещества равна:

μ_r = μ / μ₀

Магнитная энергия

Во внешнем магнитном поле в каждом элементе объема вещества запасается некоторая энергия. Она называется магнитной энергией и численно равна:

W_м = (В²/2μ)·V

где V - объем вещества в магнитном поле. Для неферромагнетиков энергия мала, а для ферромагнетиков в сотни и тысячи раз больше благодаря высокому значению μ.

Магнитные материалы в технике

Благодаря своим уникальным магнитным свойствам ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель и их сплавы) широко применяются в различных областях техники.

Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты, электромагнитные катушки и сердечники, магнитные экраны, элементы памяти ЭВМ, магнитные жидкости и многое другое.

Специальные магнитомягкие материалы (пермаллои, пермендюры, альсиферы) используются в измерительных приборах и высокочастотной аппаратуре.

Магнитная запись информации

Магнитные свойства ферромагнетиков позволяют использовать их для записи информации. Эта технология лежит в основе работы магнитных носителей (дискет, жестких дисков, лент).

Принцип действия основан на том, что под действием магнитного поля головки записи происходит намагничивание мельчайших областей ферромагнитного носителя в нужном направлении для кодирования двоичной информации (1 и 0).