Сила Ампера: что такое, формула, единицы измерения, направление, правило левой руки, задачи с ответами по физике для 10

Почему магнитное поле способно воздействовать на проводник с электрическим током? Как возникает сила, которая может не только удерживать проводник, но и приводить его в движение? И почему именно это явление лежит в основе работы электродвигателей и многих других устройств?

Ответить на эти вопросы помогает сила Ампера — одна из основных сил электродинамики. Она возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током и позволяет объяснить многие процессы, связанные с действием электричества и магнетизма. В этой статье разберемся, от чего зависит сила Ампера, как определить ее направление и где она применяется в технике и физических задачах.

Что такое сила Ампера в физике

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с электрическим током.

Представим прямой проводник, по которому течет электрический ток. Если поместить такой проводник в магнитное поле, на него начнет действовать сила, способная отклонить проводник или привести его в движение. Именно эту силу называют силой Ампера.

Таким образом, сила Ампера возникает только при одновременном наличии двух условий: проводник должен находиться в магнитном поле и по нему должен протекать электрический ток. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, сила Ампера не возникает.

Сила Ампера играет важную роль в электродинамике, поскольку именно она лежит в основе работы электродвигателей, громкоговорителей, электроизмерительных приборов и многих других устройств.

Изучение силы Ампера предусмотрено федеральной рабочей программой по физике.¹

Полезная информация о силе Ампера

Чтобы лучше разобраться в теме, полезно собрать в одном месте основные сведения о силе Ампера. В таблице ниже приведены ключевые характеристики этой физической величины. Такая шпаргалка поможет быстро вспомнить самые важные факты перед решением задач или подготовкой к контрольной работе.

Сила Ампера	Описание
Определение	Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с электрическим током
Обозначение	F или F_А
Единица измерения	Ньютон (Н)
Условие возникновения	Наличие магнитного поля и проводника с током
От чего зависит	От магнитной индукции, силы тока, длины проводника и угла между направлением тока и магнитным полем
Максимальная сила	Достигается, когда проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля
Нулевая сила	Наблюдается, когда проводник расположен вдоль линий магнитного поля
Способ определения направления	Правило левой руки

Формула силы Ампера

Сила Ампера показывает, с какой силой магнитное поле действует на проводник с электрическим током. Ее величина зависит от силы тока в проводнике, свойств магнитного поля, длины проводника и его расположения относительно линий магнитного поля.

Формула силы Ампера имеет вид:

где:

F — сила Ампера;
B — магнитная индукция;
I — сила тока в проводнике;
l — длина участка проводника, находящегося в магнитном поле;
α — угол между направлением тока и линиями магнитного поля.

Из формулы видно, что сила Ампера прямо пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Чем больше каждая из этих величин, тем сильнее магнитное поле действует на проводник.

Также сила Ампера зависит от угла между направлением тока и линиями магнитного поля. Максимальное значение она принимает при угле 90°, когда проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля. Если же проводник расположен вдоль линий магнитного поля, то есть α = 0°, сила Ампера равна нулю.

Единицы измерения силы Ампера

В Международной системе единиц (СИ) сила Ампера измеряется в ньютонах (Н).

Один ньютон — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Поскольку сила Ампера является одной из разновидностей силы, для нее используют те же единицы измерения, что и для других сил в физике.

это интересно

Скорость света

Почему скорость света считается одной из фундаментальных констант природы

Подробнее

Направление силы Ампера

Для решения задач недостаточно знать величину силы Ампера. Не менее важно уметь определять ее направление, поскольку именно от него зависит, в какую сторону будет двигаться проводник с током в магнитном поле.

Направление силы Ампера зависит от двух факторов: направления электрического тока в проводнике и направления линий магнитного поля. Если изменить хотя бы одно из них, направление силы также изменится.

Для определения направления силы Ампера в физике используют специальное правило — правило левой руки.

Правило левой руки

Правило левой руки позволяет определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Для этого левую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока в проводнике. Тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Как определить направление силы Ампера

Определение направления силы Ампера удобно выполнять по следующему алгоритму.

Определите направление линий магнитного поля.
Определите направление электрического тока в проводнике.
Расположите левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь.
Направьте четыре вытянутых пальца по направлению тока.
Посмотрите, куда направлен большой палец. Он укажет направление силы Ампера.

Пример. Если линии магнитного поля направлены снизу вверх, а электрический ток течет слева направо, то по правилу левой руки сила Ампера будет направлена к наблюдателю. Это означает, что под действием магнитного поля проводник будет перемещаться в этом направлении.

Сила Ампера инфографика — Изображение: Александр Морозов / нейросети

Скачать

Применение силы Ампера

Сила Ампера широко применяется в современной технике. Благодаря ей электрическая энергия может преобразовываться в механическое движение, поэтому это явление лежит в основе работы многих устройств.

Наиболее известный пример применения силы Ампера — электродвигатель. Под действием магнитного поля проводники с током начинают двигаться, что приводит во вращение подвижные части двигателя.

Сила Ампера также используется в громкоговорителях, наушниках, электроизмерительных приборах и электромагнитных реле. Во всех этих устройствах взаимодействие магнитного поля и электрического тока позволяет создавать движение или выполнять полезную работу.

Таким образом, сила Ампера является одним из важнейших физических явлений, на которых основана работа современной электротехники.

Основные свойства силы Ампера, ее формула и правило левой руки подробно разбираются в школьных учебниках физики, включенных в Федеральный перечень учебников.²

Это интересно

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед заметил, что провод с электрическим током отклоняет стрелку компаса. Это открытие стало одним из первых доказательств связи между электричеством и магнетизмом. Уже через несколько лет французский ученый Андре-Мари Ампер начал изучать взаимодействие проводников с током и сформулировал законы, которые легли в основу современной электродинамики.

Сегодня действие силы Ампера можно наблюдать не только в бытовых приборах и электродвигателях. На тех же физических принципах основана работа рельсотрона — экспериментальной установки, способной разгонять металлические тела до очень больших скоростей с помощью электрического тока и магнитного поля. Несмотря на то что такие устройства используются главным образом в научных и инженерных исследованиях, их работа подчиняется тем же законам физики, которые изучают школьники на уроках.

Задачи и ответы по теме «Сила Ампера»

Чтобы лучше разобраться в теме, важно не только изучить теорию, но и научиться применять ее на практике. Попробуйте решить несколько задач разного уровня сложности: на вычисление силы Ампера, анализ условий ее возникновения и определение направления действия магнитного поля на проводник с током. Подробные решения и ответы помогут проверить себя и закрепить материал.

Задача 1

На проводник длиной 0,4 м действует магнитное поле с индукцией 0,5 Тл. Сила тока в проводнике равна 2 А. Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля. Найдите силу Ампера.

Решение и ответ к задаче 1

Используем формулу силы Ампера:

Так как проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля, угол α = 90°, а sin 90° = 1.

Подставим значения:

F = 0,5 · 2 · 0,4 · 1 = 0,4 Н.

Ответ: 0,4 Н

Задача 2

Проводник с током находится в магнитном поле. Сила тока равна 5 А, длина участка проводника в магнитном поле — 0,2 м, магнитная индукция — 0,8 Тл. Проводник расположен вдоль линий магнитного поля. Чему равна сила Ампера?

Решение и ответ к задаче 2

Используем формулу:

Проводник расположен вдоль линий магнитного поля, поэтому α = 0°, а sin 0° = 0.

Следовательно: F = 0.

Сила Ампера не возникает, поскольку проводник расположен параллельно линиям магнитного поля.

Ответ: 0 Н

Задача 3

Во сколько раз изменится сила Ампера, если силу тока в проводнике увеличить в 3 раза, а остальные величины оставить без изменений?

Решение и ответ к задаче 3

Из формулы видно, что сила Ампера прямо пропорциональна силе тока.

Если силу тока увеличить в 3 раза, то сила Ампера также увеличится в 3 раза.

Ответ: увеличится в 3 раза

Задача 4

Проводник с током расположен в магнитном поле. Линии магнитного поля направлены сверху вниз, а электрический ток течет слева направо. Определите направление силы Ампера.

Решение и ответ к задаче 4

Используем правило левой руки.

Расположим левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь. Для этого ладонь должна быть обращена вверх, поскольку линии магнитного поля направлены сверху вниз. Четыре вытянутых пальца направим слева направо по направлению тока. Тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера. Таким образом, сила Ампера направлена от наблюдателя.

Ответ: сила Ампера направлена от наблюдателя

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Алексей Смирнов, учитель математики и физики, репетитор по подготовке к ЕГЭ по математике и физике:

Чем сила Ампера отличается от силы Лоренца?

Силы Ампера и Лоренца связаны между собой, но действуют на разные объекты. Сила Лоренца действует на отдельную движущуюся заряженную частицу, например электрон или протон. Сила Ампера действует на проводник с электрическим током, находящийся в магнитном поле.
Если рассмотреть проводник на уровне микромира, то электрический ток в нем создают движущиеся заряженные частицы. На каждую из них действует сила Лоренца, а их суммарное действие приводит к возникновению силы Ампера. Поэтому можно сказать, что сила Ампера является следствием действия силы Лоренца на множество движущихся зарядов внутри проводника.

Почему тему «Сила Ампера» изучают в 10–11 классах?

Для понимания силы Ампера необходимо знать несколько важных разделов физики: электрический ток, магнитное поле и взаимодействие электрических и магнитных явлений. К моменту изучения электродинамики школьники уже знакомы с этими понятиями, поэтому могут рассматривать более сложные процессы, связанные с движением зарядов и действием магнитного поля.

Кроме того, сила Ампера помогает понять принцип работы многих технических устройств, поэтому эта тема является важной частью курса физики старшей школы.

В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ встречается сила Ампера?

В ОГЭ по физике сила Ампера может встречаться в заданиях на анализ физических явлений, применение формул и работу с рисунками, связанными с магнитным полем и проводником с током.

В ЕГЭ эта тема встречается чаще. Задания могут быть связаны с расчетом силы Ампера, определением ее направления по правилу левой руки, анализом условий изменения силы при изменении силы тока, магнитной индукции или положения проводника в магнитном поле. Также элементы этой темы нередко входят в задания по электродинамике повышенного уровня сложности.

Для подготовки к таким заданиям полезно использовать Открытый банк заданий ФИПИ, где представлены примеры задач по электродинамике, магнитному полю и взаимодействию проводника с током.³

5 тем по физике, которые помогут разобраться в действии магнитного поля

Закон Ома: рассмотрим связь между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрической цепи
Электромагнитная индукция: как изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического тока
Закон Джоуля-Ленца: как электрический ток вызывает нагревание проводников и от чего зависит количество выделяемого тепла
Электромагнитные волны: как распространяются электромагнитные колебания и где они встречаются
Закон Кулона: как взаимодействуют электрические заряды и от чего зависит сила между ними

Источники

Статья подготовлена в соответствии с официальными документами и рекомендациями:

1. Министерство просвещения России. Федеральная рабочая программа по учебному предмету «Физика». URL: https://static.edsoo.ru/projects/fop/index.html#/sections/200222

2. Министерство просвещения России. Федеральный перечень учебников. URL: https://fpu.edu.ru/

Перышкин А.В. «Физика. 8 класс. Базовый уровень»,
Перышкин И. М., Гутник Е. М., Иванов А. И. «Физика. 9 класс. Базовый уровень»,
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. «Физика. 10 класс. Базовый и углубленный уровни»,
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. «Физика. 11 класс. Базовый и углубленный уровни»,
Касьянов В. А. «Физика. 10 класс. Углубленный уровень»,
Касьянов В. А. «Физика. 11 класс. Углубленный уровень».

3. Федеральный институт педагогических измерений. Открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по физике, демоверсии и методические материалы. URL: https://fipi.ru/