Сила Ампера. 
Физика

Под действием силы Лоренца носители тока проводника получают импульсы и передают их его кристаллической решетке. Поэтому проводник смещается как целое.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.

На элемент dl однородного проводника сечением S при концентрации п носителей тока действует сила Ампера.

где а — угол между направлениями тока и вектора В. В векторной форме имеем.

Направление силы Ампера, естественно, то же, что и силы Лоренца (силу Ампера, действующую на прямолинейный проводник с током, изучают в лабораторном практикуме). Если проводник с током не прямолинеен, то на разных его участках из-за разных углов, а направления силы Ампера различны. Пример, представляющий практическую важность, — контур с током в магнитном поле. В положении, показанном на рис. 6.5, а, на стороны АЕ и CD сила Ампера не действует (а = 0), а на стороны АС и ED действует пара сил F_AC = F_ED = IbB, создающая момент М = [a, F_??>, М = aF_EDsin, а = = йб/Bsina. Произведение lab = IS — это модуль векторной характеристики контура с током, которую называют магнитным моментом р_ш. Направление вектора р," определяют правилом правого винта: если головку винта вращать в направлении тока в контуре, то жало винта перемещается в направлении вектора р,":

где п — единичная нормаль к плоскости, охваченной контуром. Пользуясь формулой (6.11), получим М = р_шВм а (рис. 6.5, 6), что позволяет представить вектор М в виде.

Рис. 6.5.

Формула (6.12) справедлива для контура любой формы, который можно представить как совокупность прямоугольных. Из рис. 6.5, 6—г, где стороны АС и ED перпендикулярны плоскости эскиза, нетрудно видеть, что при достижении a = 0 остаются лишь силы, растягивающие контур. Если же контур по инерции «проскочит» это положение, то возникнет пара сил, возвращающая к нему (см. рис. 6.5, г). Все это лежит в основе работы измерительных приборов магнитоэлектрической системы. В соответствии с формулами (6.11), (6.12) силу тока можно определить путем измерения вращающего момента. Его, в свою очередь, определяют с помощью равного ему противодействующего момента упругих сил М = ко. (рис. 6.6), где, а — угол поворота контура (рамки), расположенного между полюсами магнита N и S к — коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины или нити. Для повышения чувствительности прибора применяют несколько контуров (рамку), тогда их моменты складываются. При М = М , учитывая формулы (6.11), (6.12), получаем.

Рис. 6.6.

т.е. измеряемый ток пропорционален углу поворота рамки.

Описанный прибор представляет собой миллиамперметр, который с помощью шунтов и добавочных сопротивлений легко превратить в вольтметр, омметр или даже измеритель неэлектрических величин: с помощью датчиков-преобразователей они превращаются в электрические. Приборные доски самолетов, подводных лодок, систем ПВО, автобронетанковой техники содержат массу измерительных приборов, а часть измерений отдают в ведение ЭВМ (в современных измерительных приборах чаще используют цифровую технику).

Весьма распространенное применение формулы (6.12) — электродвигатель, преобразующий электрическую энергию тока в механическую. Для решения проблемы, а = 0 в момент прохождения рамкой положения равновесия направление тока изменяют на противоположное с помощью коллектора 1 и контактных щеток 2, соединяющих рамку с источником тока (рис. 6.7).

Рис. 6.7.

Первую лабораторную модель электродвигателя постоянного тока создал все тот же М. Фарадей. Реальный электродвигатель имеет множество рамок, распределенных по якорю — вращающейся части двигателя. Соответственно, и статор имеет множество магнитных полюсов. В современной технике применяют как мощные электродвигатели (до -10^е Вт), так и двигатели размером со спичечную головку, как, например, в мобильном телефоне, где он снабжен эксцентриком и вырабатывает вибрационный звуковой сигнал. В одном только автомобиле электродвигатели обеспечивают пуск ДВС, работу стеклоочистителя и вентилятора, переключение редуктора заднего моста, передвижение сиденья водителя, а в электромобиле электродвигатели непосредственно вращают его колеса. Особое место занимают линейные электродвигатели, имеющие отношение к кинетическому оружию.

В 1834 г. русский ученый Б. С. Якоби построил первую действующую модель линейного электродвигателя для транспорта. В 1895 г. австрийский инженер Ф. Гефт предложил с помощью такого двигателя (ствола-соленоида) запускать корабли на Луну, а норвежский изобретатель К. Брикланд «опустил» эту идею на Землю, предложив использовать подобную пушку в военных целях (1901 г.). В 1915 г. русские инженеры Н. Подольский и М. Ямпольский превратили эти полуфантастические идеи в конкретный проект, рассчитанный на дальность выстрела 300 км. В реализации проекта им отказали, но, как это бывает с российскими идеями, ее реализовали на Западе. Во Франции через год была создана работающая модель. Она разгоняла снаряд массой 50 г до скорости в 200 м/с, однако только в 1980;с гг. разработка электромагнитного оружия стала перспективной. Теперь его рассматривают как одно из ведущих оружейных направлений XXI в. Такие пушки устанавливают уже на танки и корабли и предполагают использовать в составе космического оружия систем ПРО.

Примеры практики Схема действия простейшей электромагнитной пушки показана на рис. 6.8. По неподвижным параллельным рельсам 1 через контактирующий с ними подвижный снаряд 2 пропускают большой ток.

Рис. 6.8.

Как следует из рисунка, направление индукции магнитного поля, создаваемого рельсами, и направление тока через снаряд таковы, что сила Ампера действует на снаряд вдоль рельсов.

Такая пушка за доли секунды разгоняет боеприпас до скоростей ~10⁴—10⁵ км/ч с кинетической энергией ~10⁷—10⁸ Дж и дальностью полета ~10³ км. Преимущества подобного оружия — отсутствие толстого ствола (нет поперечного давления), огня, дыма и звука; долговечность (нет высоких температур); безопасное хранение снарядов (нет взрывчатых веществ); дальнобойность. Недостаток один, но существенный: для эффективного выстрела нужны миллионы киловатт электроэнергии.