Как измерить силу тока мультиметром: инструкции, фото, видео

Мультиметр — очень функциональное устройство, которое помогает дружить с электричеством. Им могут измеряться разные параметры. О том, как воплотить эти замеры в реальность своими руками, мы рассказываем в интересных статьях. Сейчас поговорим о том, как измерить силу тока мультиметром. И, конечно, будут полезные видео о том, как проверить ампераж мультиметром.

Contents

• 1 Что такое сила тока и зачем её измерять?
• 2 Принципы измерения силы тока мультиметром
• 3 Как измерить силу тока мультиметром: основные моменты
• 4 Как измерить мультиметром ток постоянный
  • 4.1 Как замерить ампераж мультиметром на батарейках
  • 4.2 Как проверить ток мультиметром у аккумулятора
• 5 Как померить мультиметром ток переменный
  • 5.1 Вопрос — ответ

Что такое сила тока и зачем её измерять?

Это количество электричества (заряда или числа электронов), которое движется через поперечное сечение проводника за одну секунду. В формулах обозначается большой латинской буквой I.  Единица силы тока — Амперы (А).

Силу тока часто называют просто током. Он бывает двух видов:

1. Постоянный. Ток не меняется по направлению и величине. То есть это равномерное направленное движение заряженных частиц. Формула для вычисления: I=Δq/Δt ( Δq(Кл) – заряд в Кулонах, который прошел через поперечное сечение; Δt(c) – время, за которое прошел заряд).
2. Переменный. Это ток, у которого изменяется даже одна характеристика. Он отличается в разные временные моменты. Чтобы вычислить такой ток, лучше использовать производную.

Принято считать, что ток в 1 А образуется в проводнике с сопротивлением 1 Ом, если имеется напряжение в 1 В.

Проверка тока мультиметром нужна для:

1. Уточнения действительно потребляемой мощности электрического агрегата.
2. Выявления дефектов электроустройств, если его мощность меньше заявленной производителем.
3. Определения электроёмкости автономных источников энергии, например, аккумуляторов.
4. Выявления утечки тока в электрических цепях.

Часто для определения силы тока или ампеража используются амперметры. Но, если у вас имеется мультиметр с такой функцией, смело используйте его.

На видео о том, как померить силу тока мультиметром:

Принципы измерения силы тока мультиметром

Измерять ток мультиметром не сложно, но есть определенные правила, которыми нельзя пренебрегать:

1. Электрическая сеть должна быть обесточена.
2. Кабели должны быть хорошо изолированы, иначе увеличивается риск поражения током.
3. Работайте с измерителем в перчатках, которые не проводят электроток, например, из резины.
4. Не пытайтесь определять ток при повышенной влажности воздуха, потому что она тоже увеличивает риск поражения током.
5. Замеряйте быстро, чтобы щупы не соединялись с проводами дольше 1-2 секунд. Это особенно важно, если вы собираетесь работать с маломощными элементами. К примеру, если вы будете осуществлять мультиметром замер тока батарейки и продержите щупы долго, то они полностью или частично разрядятся.

Мы советуем проводить все работы с током с напарником, который окажет первую помощь/вызовет скорую, если произойдет внештатная ситуация.

Как измерить силу тока мультиметром: основные моменты

Измерение всех типов тока проводится разными методами внутри измерительного устройства. Поэтому на тестере всегда имеется элемент, с помощью которого выставляется нужный режим и диапазон. В более продвинутых моделях диапазон определяется автоматически.

Для выбора режима обычно нужно только повернуть ручку, поставив её к одному из следующих значений:

1. Постоянный ток: A -, DCA, I -;
2. Переменный: A ~, ACA, I ~;

Настоятельно советуем прочитать инструкцию к мультиметру, в котором приводятся имеющиеся на тестере обозначения. Они могут быть разными в зависимости от модели. Полезной будет и статья о том, как пользоваться мультиметром.

Учтите, что для замера силы тока мультиметром придётся создать разрыв цепи! Это главная разница данной проверки от измерения, к примеру, напряжения, когда мультиметр следует подключать к цепи по параллельной схеме.

Разрыв тестируемой цепи мастера осуществляют по-разному. Для включения в цепь ограничительного сопротивления применяются также резисторы, но чаще всего обычные лампочки.

Учтите, что разрыв электроцепи нужно сделать до начала замеров при отключенном напряжении!

Как измерить мультиметром ток постоянный

Чаще всего проверяют батарейки и АКБ, они являются постоянными источниками.

В том, как замерить амперы мультиметром, важно выбрать подходящую функцию на приборе, а также присоединить тестер в нужной полярности: красный кабель к положительному питанию, черный — к отрицательному. Если щупы перепутать, на дисплее будут указаны отрицательные цифры.

Также в отношении того, как замерить ток мультиметром, нужно понять, какой уровень сигнала будет проверяться. Если в цепочке миллиамперы, красный кабель присоединяется к отверстию на мультиметре, где указано VΩмА или прописан определённый диапазон. Если вы исследуете силовую цепь, где Амперы, соединяйте с надписью А или NA (как правило, здесь 5-10 А). Опять же, советуем внимательно изучить инструкцию к мультиметру. Если на данном этапе что-то напутать, мультиметр может поломаться.

Инструкция по измерению постоянного тока мультиметром:

1. Расставляем щупы.
2. Выбираем функцию постоянного тока.
3. Если нужно, выставляем степень сигнала (ставьте выше того, что ожидаете).
4. Соединяем тестер в разрыв цепочки ветви схемы, не забывая соблюдать полярность.
5. Включаем источник энергии.

Если значений нет, скорее всего, диапазон выбран неправильно. Попробуйте снижать его, пока не увидите показания.

Посмотрите, как померить амперы мультиметром:

Как замерить ампераж мультиметром на батарейках

Это простой переносной источник энергии и не требуется применять нагрузку. Кроме этого, остальные действия прежние: выбрать нужную функцию на мультиметре, расставить щупы в соответствии с полярностью.

О чем могут говорить показания:

1. 4-6 А — всё в порядке.
2. Ниже четырёх — батарейка подходит только для использования в маломощных устройствах.
3. Ниже 2,5 А — эта батарейка просится в мусор.

Сравнивайте показания с теми, что прописаны на батарейках.

Посмотрите полезное видео о том, как измерить мультиметром амперы у батареек:

Как проверить ток мультиметром у аккумулятора

Здесь действует правило с нагрузочным элементом, в роли которого можно взять простую лампочку накаливания. Скорее всего, её сопротивление будет не больше нескольких сот Ом. Как проверить нагрузку мультиметром? Тестером, выбирая нужный режим. К примеру, подробнее о проверке сопротивления мультиметром читайте здесь.

Затем используйте такую формулу: I = U / R (I — ток А, U — аккумуляторное напряжение, R — сопротивление лампочки).

С полученным значением сравните цифры, которые получите при измерении тока мультиметром. Если видите разницу, тем более существенную, речь может идти о плохом заряде.

Полезное видео, как проверить амперы мультиметром:

Как померить мультиметром ток переменный

Бывает, что нужно проверить электросеть, например, для дома с несколькими квартирами. Если вы сумеете измерить переменный ток, это поспособствует правильному ремонту проводки.

И снова не обойтись без нагрузки, и снова в её роли может выступить лампочка.

Инструкция, как мерить мультиметром ток переменный:

1. Присоединяем провода к нужным отверстиям на мультиметре.
2. Выбираем на мультиметре нужную функцию замера, если необходимо — степень сигнала.
3. Последовательно с измерителем присоединяем к розетке выбранный нагрузочный элемент.
4. Смотрим на показания. Лампочка начинает гореть.

Вы узнали, как измерить силу тока мультиметром.

Желаем безопасных и точных измерений!

Вопрос — ответ

Вопрос: Как правильно измерить амперы мультиметром?

Имя: Михаил

Ответ: В амперах измеряется сила тока. Есть переменный и постоянный ток, измерения каждого немного отличаются. Для них на мультиметре есть свои режимы, которые нужно выбрать до начала измерения. Есть и другие правила, которые важно выполнить.

Вопрос: Как измерить переменный ток мультиметром?

Имя: Михаил

Ответ: Расставить щупы по подходящим гнездам, выбрать режим на мультиметре, последовательно с измерителем присоединить к розетке нагрузку.

Вопрос: Как быстро проверить ампераж обычным мультиметром?

Имя: Камиль

Ответ: Это действительно нужно делать быстро, чтобы щупы не соединялись с проводами дольше 1-2 секунд. Разрыв электроцепи нужно сделать до начала измерений при отключенном напряжении!

Вопрос: Как померить силу тока цифровым мультиметром?

Имя: Фёдор

Ответ: Для выбора режима обычно нужно только повернуть ручку, поставив её к подходящему значению: постоянный ток: A -, DCA, I -; переменный: A ~, ACA, I ~. Для замера силы тока нужно создать разрыв цепи!

Вопрос: Как лучше всего измерить постоянный ток мультиметром?

Имя: Дмитрий

Ответ: Нужно выбрать подходящую функцию на приборе, а также присоединить тестер в правильной полярности: красный щуп к положительному питанию, черный — к отрицательному. Если перепутать, на дисплее будут указаны отрицательные цифры. Не забываем о разрыве электроцепи!

Сила тока — Самое простое объяснение, формула, единица измерения

Сила тока с точки зрения гидравлики

Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как «сила тока«. А для чего нужна сила? Ну как для чего? Чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать.  Каждый из нас обладает какой-либо силой. У кого-то сила такая, что он может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, а другой не сможет поднять даже соломинку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.

Представьте себе шланг, с помощью которого вы поливаете свой огород

Давайте теперь проведем аналогию. Пусть шланг  — это провод, а вода в нем — электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала. Сила струи очень слабая.

А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.

В обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из какого шланга вы его быстрее наполните? Разумеется из зеленого, где напор воды очень сильный. Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из желтого и зеленого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Разберем еще один интересный пример. Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет  в два раза больше, чем через тонкую трубу.

Что такое сила тока?

Итак, теперь давайте все что мы тут пописали про водичку применим к электронике. Провод — это шланг. Тонкий провод — это тонкий в диаметре шланг, толстый провод — это толстый в диаметре шланг, можно сказать — труба. Молекулы воды — это электроны. Следовательно, толстый провод при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий. И вот здесь мы подходим вплотную к самой терминологии силы тока.

Сила тока — это количество электронов, прошедших через площадь поперечного сечения проводника за какое-либо определенное время.

Все это выглядит примерно вот так. Здесь я нарисовал круглый проводок, «разрезал» его и получил ту самую площадь поперечного сечения. Именно через нее и бегут электроны.

За период времени берут 1 секунду.

Формула силы тока

Формула для чайников будет выглядеть вот так:

где

I — собственно сила тока, Амперы

N — количество электронов

t — период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды

Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:

где

Δq  — это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон

Δt — тот самый промежуток времени, секунды

I — сила тока, Амперы

В чем прикол этих двух формул? Дело все в том, что электрон обладает зарядом приблизительно 1,6 · 10^-19 Кулон. Поэтому, чтобы сила тока была в проводе (проводнике) была 1 Ампер, нам надо, чтобы через поперечное сечение прошел заряд в 1 Кулон = 6,24151⋅10¹⁸ электронов. 1 Кулон = 1 Ампер · 1 секунду.

Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅10¹⁸ электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).

Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:

Сила тока  — это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам,  Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Сила тока и сопротивление

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову — это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу — это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения?

Первое, что приходит на ум — это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика.

Второе — это поставить шланг бОльшим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводу. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет «протащить» через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его «порвет», то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан.

плавкий предохранитель

Как только сила тока через тонкий проводок  предохранителя превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в предохранителе в обрыве.

сгоревший плавкий предохранитель

Поэтому, силовые кабели,  через которые «бегут» сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное сопротивление очень мало.

Сила тока в проводнике

Очень часто можно увидеть задачки по физике с вопросом: какая сила тока в проводнике? Проводник, он же провод, может иметь различные параметры: диаметр, он же площадь поперечного сечения; материал, из которого сделан провод; длина, которая играет также важную роль.

Да и вообще, сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

формула сопротивления проводника

Таблица с удельным сопротивлением из разных материалов выглядит вот так.

таблица с удельным сопротивлением веществ

Для того, чтобы найти силу тока в проводнике, мы должны воспользоваться законом Ома для участка цепи. Выглядит он вот так:

закон Ома

Задача

У нас есть медный провод длиной в 1 метр и его площадь поперечного сечения составляет 1 мм² . Какая сила тока будет течь в этом проводнике (проводе), если на его концы подать напряжение в 1 Вольт?

задача на силу тока в проводнике

Решение:

Как измерить силу тока?

Для того, чтобы измерить значение силы тока, мы должны использовать специальные приборы — амперметры. В настоящее время силу тока можно измерить с помощью цифрового мультиметра, который  может измерять и силу тока, и напряжение и сопротивление и еще много чего. Для того, чтобы измерить силу тока, мы должны вставить наш прибор в разрыв цепи вот таким образом.

Более подробно как это сделать, можете прочитать в этой статье.

Также советую посмотреть обучающее видео, где очень умный преподаватель объясняет простым языком, что такое «сила тока».

11.5: Магнитное воздействие на проводник с током

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определять направление, в котором на проводник с током действует сила во внешнем магнитном поле
• Расчет силы, действующей на провод с током во внешнем магнитном поле

На движущиеся заряды действует сила магнитного поля. Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, то есть если по проводу течет ток, на провод также должна действовать сила. Однако, прежде чем мы обсудим силу, действующую на ток со стороны магнитного поля, мы сначала исследуем магнитное поле, создаваемое электрическим током. Здесь мы изучаем два отдельных эффекта, которые тесно взаимодействуют друг с другом: проводник с током создает магнитное поле, и магнитное поле воздействует на проводник с током.

Магнитные поля, создаваемые электрическими токами

Обсуждая исторические открытия в области магнетизма, мы упомянули открытие Эрстеда о том, что провод, по которому течет электрический ток, заставляет ближайший компас отклоняться. Была установлена ​​связь, что электрические токи создают магнитные поля. (Эта связь между электричеством и магнетизмом обсуждается более подробно в разделе «Источники магнитных полей».)

На стрелку компаса рядом с проводом действует сила, которая выравнивает стрелку по касательной к окружности вокруг провода. Следовательно, провод с током создает круговые петли магнитного поля. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проводом, мы используем второе правило правой руки. В RHR-2 большой палец указывает в направлении тока, а пальцы обхватывают провод, указывая в направлении создаваемого магнитного поля (рис. \(\PageIndex{1}\)). Если магнитное поле исходило от вас или исходило от страницы, мы обозначаем это точкой. Если бы магнитное поле попадало на страницу, мы обозначаем это знаком ×.

Эти символы возникли при рассмотрении векторной стрелки: стрелка, направленная к вам, с вашей точки зрения выглядела бы как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения выглядела бы как крестик или ×. Составной эскиз магнитных кругов показан на рисунке \(\PageIndex{1}\), где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода за счет петель, которые находятся дальше друг от друга.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Когда провод находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание на символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвост стрелы), и поля, указывающего наружу (например, кончик стрелки). (b) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими круглые петли.

Расчет магнитной силы

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряда. Следовательно, проводник с током в магнитном поле должен испытывать силу, обусловленную полем. Чтобы исследовать эту силу, давайте рассмотрим бесконечно малый отрезок проволоки, как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\). Длина и площадь поперечного сечения сечения равны дл и А соответственно, поэтому его объем равен \(V = A \cdot дл\). Проволока изготовлена ​​из материала, содержащего n носителей заряда в единице объема, поэтому число носителей заряда в секции равно \(nA \cdot dl\). Если носители заряда движутся со скоростью дрейфа \(\vec{v}_d\), то ток I в проводе равен (из тока и сопротивления)

\[I = neAv_d. \]

Магнитная сила на любой один носитель заряда равен \(e\vec{v}_d \times \vec{B}\), поэтому полная магнитная сила \(d\vec{F}\) на \(nA\cdot dl\) носителей заряда в сечении провода

\[d\vec{F} = (nA \cdot dl)e\vec{v}_d \times \vec{B}.\]

Мы можем определить dl как вектор длины dl , указывающий вдоль \(\vec{v}_d\), что позволяет нам переписать это уравнение как

\[d\vec{F} = neAv_dd \vec{l} \times \vec{B},\] или

\[d\vec{F} = Id\vec{l} \times \vec{B}. \label{11.12}\]

Это магнитная сила, действующая на сечение провода. Обратите внимание, что на самом деле это чистая сила, действующая со стороны поля на сами носители заряда. Направление этой силы задается RHR-1, где вы указываете пальцами в направлении тока и скручиваете их в сторону поля. Затем ваш большой палец указывает направление силы.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Бесконечно малый участок провода с током в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу \(\vec{F}\) на проводе произвольной длины и формы, мы должны проинтегрировать уравнение \ref{11. 12} по всему проводу. Если сечение провода прямое, а B однородное, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, что дает нам

\[\vec{F} = I\vec{l} \times \vec{B}.\]

Это сила, действующая на прямой провод с током в однородном магнитном поле.

Пример \(\PageIndex{1}\): Уравновешивание гравитационной и магнитной сил на проводе с током

Провод длиной 50 см и массой 10 г подвешен в горизонтальной плоскости на паре гибких проводов ( Рисунок \(\PageIndex{3}\)). Затем провод подвергается воздействию постоянного магнитного поля величиной 0,50 Тл, направленного, как показано на рисунке. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

Рисунок \(\PageIndex{3}\): (a) Провод, подвешенный в магнитном поле. (b) Диаграмма свободного тела для проволоки.

Стратегия

Судя по диаграмме свободного тела на рисунке, натяжение в опорных проводах стремится к нулю, когда гравитационные и магнитные силы уравновешивают друг друга. Используя RHR-1, мы обнаруживаем, что магнитная сила направлена ​​вверх. Затем мы можем определить ток I , приравняв две силы.

Решение

Приравняем две силы веса и магнитной силы, действующие на провод:

\[mg = IlB.\] Таким образом,

\[I = \frac{mg}{lB} = \frac{ (0,010 \, кг}{92)}{(0,50 \, м)(0,50 \, T)} = 0,39 \, А.\]

Значение

Это большое магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать весу провод.

Пример \(\PageIndex{2}\): расчет силы магнитного поля на проводе с током -направление. а) Если постоянное магнитное поле величиной 0,30 Тл направлено вдоль положительного

x -ось, какова магнитная сила на единицу длины провода? (б) Если постоянное магнитное поле 0,30 Тл направлено под углом 30 градусов от оси + x к оси + y , какова магнитная сила на единицу длины провода?

Стратегия

Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется выражением \(\vec{F} = I\vec{l} \times \vec{B}\). Для части а, поскольку в этой задаче ток и магнитное поле перпендикулярны, мы можем упростить формулу, чтобы получить величину и найти направление через RHR-1. Угол θ равно 90 градусам, что означает \(sin\, \theta = 1.\). Кроме того, длину можно разделить на левую часть, чтобы найти силу на единицу длины. Для части b текущая длина записывается в виде единичного вектора, а также магнитное поле. После взятия перекрестного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.

Решение

1. Начнем с общей формулы для магнитной силы, действующей на провод. Мы ищем силу на единицу длины, поэтому мы делим на длину, чтобы вывести ее в левую часть. Мы также устанавливаем \(sin\,\theta\). Таким образом, решение: {l} = 1,5 \, Н/м.\] Направленность: Укажите пальцами на положительную 9о)\шат{i}\] \[\vec{F}/l = -1,30 \шат{к} \, Н/м.\]

Значение

Это большое магнитное поле создает значительную силу на проводе небольшой длины. По мере того, как угол магнитного поля становится ближе к току в проводе, на него действует меньшая сила, как видно из сравнения частей а и б.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Прямая гибкая медная проволока погружена в магнитное поле, направленное на страницу. а) Если ток в проводе течет по + x -направление, в какую сторону будет изгибаться провод? б) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в направлении – x ?

Раствор

а. наклоняется вверх; б. изгибается вниз

Пример \(\PageIndex{3}\): Сила, действующая на круговой провод

Круговая петля с током радиуса R , по которой течет ток I , расположена в плоскости xy . Постоянное однородное магнитное поле прорезает петлю параллельно оси y (рис. \(\PageIndex{4}\)). Найдите магнитную силу, действующую на верхнюю половину петли, нижнюю половину петли и полную силу, действующую на петлю.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Петля из провода, по которому течет ток в магнитном поле.

Стратегия

Магнитная сила на верхней петле должна быть выражена через дифференциальную силу, действующую на каждый сегмент петли. Если мы проинтегрируем по каждой дифференциальной части, мы найдем общую силу на этом участке петли. Аналогично находится сила на нижней петле, а полная сила есть сложение этих двух сил.

Решение

Дифференциальная сила, действующая на произвольный отрезок проволоки, расположенный на верхнем кольце: направление магнитного поля (+ y ) и отрезок провода. Дифференциальный сегмент расположен на том же радиусе, поэтому, используя формулу длины дуги, мы имеем:

\[dl = Rd\theta\]

\[dF = IBR \, sin \, \theta \, d\ theta.\]

Чтобы найти силу, действующую на сегмент, мы интегрируем по верхней половине круга от 0 до \(\pi\). В результате получается: 90 sin \, \theta \, d\theta = IBR(-cos 0 + cos \pi) = -2 IBR. \]

Суммарная сила равна сумме этих сил, которая равна нулю.

Значение

Суммарная сила, действующая на любой замкнутый контур в однородном магнитном поле, равна нулю. Несмотря на то, что на каждую часть петли действует сила, результирующая сила, действующая на систему, равна нулю. (Обратите внимание, что в петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

Эта страница под названием 11.5: Магнитное воздействие на проводник с током распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. Магнитная сила
   2. источник@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-2

Закон Ампера – College Physics: OpenStax

Глава 22 Магнетизм

Резюме

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

Какой ток необходим 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 в 1820 году Эрстед обнаружил, что ток в проводе влияет на стрелку компаса, он не имел дело с чрезвычайно большими токами. Как форма проводов, по которым течет ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Ранее мы отмечали, что токовая петля создает магнитное поле, подобное магнитному стержню, 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, управляющего полями, создаваемыми токами.

Магнитные поля имеют как направление, так и величину. Как отмечалось ранее, одним из способов определения направления магнитного поля является использование компаса, как показано для длинного прямого провода с током на рисунке 1. Датчики Холла могут определять величину поля. Обнаружено, что поле вокруг длинного прямого провода представляет собой кольцевые петли. Правило правой руки 2 (RHR-2) вытекает из этого исследования и справедливо для любого сегмента тока: направьте большой палец в направлении тока, а пальцы согните в направлении петель магнитного поля , созданный им.

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

Напряженность (величина) магнитного поля , создаваемая длинным прямым проводом с током 9{-7} \;\textbf{T} \cdot \textbf{m/A}}[/latex] — проницаемость свободного пространства. ([латекс]\boldsymbol{\mu _0}[/латекс] является одной из основных констант в природе. Позже мы увидим, что [латекс]\жирныйсимвол{\му _0}[/латекс] связан со скоростью свет.) Поскольку провод очень длинный, величина поля зависит только от расстояния от провода [латекс]\boldsymbol{r}[/латекс], а не от положения вдоль провода.

Пример 1: расчет тока, создающего магнитное поле 9029{-7} \; \textbf{T} \cdot \textbf{m/A}}} \\[1em] & \boldsymbol{25 \;\textbf{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 указан только с двумя цифрами, поскольку в этом примере поле Земли указано только с двумя цифрами.

Магнитное поле длинного прямого провода имеет больше значений, чем вы можете предположить на первый взгляд. Каждый отрезок тока создает магнитное поле, подобное магнитному полю длинного прямого провода, а полное поле тока любой формы представляет собой векторную сумму полей, создаваемых каждым отрезком. Формальная формулировка направления и величины поля, обусловленного каждым сегментом, называется законом Био-Савара . Интегральное исчисление необходимо для суммирования поля для тока произвольной формы. Это приводит к более полному закону, называемому законом Ампера , который связывает магнитное поле и ток в общем виде. Закон Ампера, в свою очередь, является частью Уравнения Максвелла , которые дают полную теорию всех электромагнитных явлений. Рассмотрение того, как уравнения Максвелла кажутся разным наблюдателям, привело к современной теории относительности и осознанию того, что электрические и магнитные поля — это разные проявления одного и того же явления. Большая часть этого выходит за рамки этого текста как на математическом уровне, требующем исчисления, так и на том количестве места, которое может быть уделено этому. Но для заинтересованных студентов, и особенно для тех, кто продолжает заниматься физикой, инженерией или подобными занятиями, дальнейшее углубление в эти вопросы откроет описания природы, которые элегантны и глубоки. В этом тексте мы будем помнить об общих особенностях, таких как RHR-2 и правила для линий магнитного поля, перечисленные в Главе 22.3 Магнитные поля и силовые линии магнитного поля, концентрируясь на полях, создаваемых в некоторых важных ситуациях.

Установление связей: теория относительности

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

Магнитное поле вблизи проволочной петли с током показано на рисунке 2. Как направление, так и величина магнитного поля, создаваемого петлей с током, являются сложными. RHR-2 можно использовать для определения направления поля вблизи контура, но для получения более подробной информации необходимо картографирование с помощью компаса и правил относительно силовых линий, приведенных в главе 22. 3 «Магнитные поля и силовые линии магнитного поля». Есть простая формула для напряженность магнитного поля в центре круглой петли. Это

[латекс]\boldsymbol{B =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\mu _0I}{2R}}[/латекс] [латекс]\textbf{(в центре петли)}[/ латекс]

, где [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] — радиус петли. Это уравнение очень похоже на уравнение для прямого провода, но оно действительно только в центре круглого контура провода. Сходство уравнений указывает на то, что аналогичная напряженность поля может быть получена в центре контура. Один из способов получить большее поле — это [латекс]\boldsymbol{N}[/латекс] петель; тогда поле равно [латекс]\boldsymbol{B = N \mu _0I/(2R)}[/латекс]. Обратите внимание, что чем больше петля, тем меньше поле в ее центре, поскольку ток проходит дальше.

Рис. 2. (a) RHR-2 показывает направление магнитного поля внутри и снаружи контура с током. (b) Более детальное картографирование с помощью компаса или зонда Холла дополняет картину. Поле похоже на поле стержневого магнита.

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 очень однородным, а также очень сильным. Поле сразу за катушками почти равно нулю. На рис. 3 показано, как выглядит поле и как его направление задается RHR-2.

Рис. 3. (a) Из-за своей формы поле внутри соленоида длиной l удивительно однородно по величине и направлению, на что указывают прямые и равномерно расположенные силовые линии. Поле вне катушек почти равно нулю. (b) На этом разрезе показано магнитное поле, создаваемое током в соленоиде.

Магнитное поле внутри соленоида с током очень однородно по направлению и величине. Лишь ближе к концам он начинает ослабевать и менять направление. Поле снаружи имеет такую ​​же сложность, как и плоские петли и стержневые магниты, но напряженность магнитного поля внутри соленоида просто

[латекс]\boldsymbol{B = \mu _0nI \; (\textbf{внутри соленоида})},[/latex]

, где [латекс]\boldsymbol{n}[/латекс] — количество петель на единицу длины соленоида ([латекс]\жирныйсимвол{n = N/l}[/латекс], где [латекс]\жирныйсимвол{ N}[/latex] — количество петель, а [latex]\boldsymbol{l}[/latex] — длина). {-1}}.[/latex] 9{-1}) \; (1600 \;\textbf{A})} \\[1em] & \boldsymbol{2.01 \;\textbf{T}}. \end{array}[/latex]

Обсуждение

Это большая напряженность поля, которая может быть установлена ​​на соленоиде большого диаметра, например, при медицинском использовании магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако очень большой ток указывает на то, что поля такой силы получить нелегко. Такой большой ток через 1000 витков, втиснутых в длину метра, произвел бы значительный нагрев. Более высокие токи могут быть достигнуты с помощью сверхпроводящих проводов, хотя это дорого. Существует верхний предел тока, поскольку сверхпроводящее состояние нарушается очень большими магнитными полями.

Есть интересные варианты плоской катушки и соленоида. Например, тороидальная катушка, используемая для удержания реактивных частиц в токамаках, очень похожа на соленоид, согнутый в окружность. Поле внутри тороида очень сильное, но круглое. Заряженные частицы движутся по кругу, следуя линиям поля, 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 увеличивает напряженность поля и может существенно повлиять на форму поля. Ферромагнитные материалы, как правило, улавливают магнитные поля (силовые линии изгибаются в ферромагнитном материале, оставляя за его пределами более слабые поля) и используются в качестве экранов для устройств, на которые неблагоприятно воздействуют магнитные поля, в том числе магнитное поле Земли.

PhET Исследования: Генератор

Генерация электричества с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рис. 4. Генератор

• Сила магнитного поля, создаваемого током в длинном прямом проводе, определяется как

[латекс]\boldsymbol{B=}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\mu _0I}{2 \pi r}}[/латекс] [латекс]\textbf{(длинная прямая проволока) },[/латекс]

• Направление магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом, определяется правилом правой руки 2 (RHR-2): Направьте большой палец правой руки в направлении тока, а остальные пальцы согните в направлении созданные им петли магнитного поля .
• Магнитное поле, создаваемое током, следующим по любому пути, представляет собой сумму (или интеграл) полей, создаваемых сегментами вдоль пути (величина и направление, как для прямого провода), что приводит к общей зависимости между током и полем, известной как закон Ампера. .
• Напряженность магнитного поля в центре круглой петли определяется как

[латекс]\boldsymbol{B =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\mu _0I}{2R}}[/латекс] [латекс]\textbf{(в центре петли)}[ /латекс]

• где [латекс]\жирныйсимвол{R}[/латекс] — радиус петли. Это уравнение принимает вид [латекс]\boldsymbol{B = \mu _0nI/(2R)}[/латекс] для плоской катушки из [латекса]\boldsymbol{N}[/латекс] петель. РХР-2 дает направление поля вокруг петли. Длинная катушка называется соленоидом.
• Напряженность магнитного поля внутри соленоида равна

.

[латекс]\boldsymbol{B = \mu _0nI \; (\textbf{внутри соленоида})},[/latex]

• где [латекс]\boldsymbol{n}[/латекс] — количество петель на единицу длины соленоида.