Zastosowanie działania siły Ampere'a w technice

W 1820 roku duński fizyk Hans Christian Oersted dokonał fundamentalnego odkrycia: igła magnetyczna kompasu jest odchylana przez drut przewodzący prąd stały. W ten sposób naukowiec stwierdził w eksperymencie, że pole magnetyczne prądu jest skierowane dokładnie prostopadle do prądu, a nie równolegle do niego, jak można by przypuszczać.

Francuski fizyk Andre-Marie Ampere był tak zainspirowany demonstracją eksperymentu Oersteda, że ​​postanowił samodzielnie kontynuować badania w tym kierunku.

Ampere był w stanie ustalić, że nie tylko igła magnetyczna jest odchylana przez przewodnik z prądem, ale dwa równoległe przewodniki z prądem stałym mogą się przyciągać lub odpychać - w zależności od tego, w jakim kierunku się poruszają względem siebie, prądy w tych przewody.

Okazało się, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, a pole magnetyczne działa już na inny prąd.Ampere doszedł do wniosku, że drut z prądem działa również na magnes trwały (strzałka) tylko dlatego, że wiele mikroskopijnych prądów przepływa również wewnątrz magnesu po zamkniętych ścieżkach i w praktyce, chociaż pola magnetyczne oddziałują na siebie, źródła tych pól magnetycznych, prądy , są odpychane. Bez prądów nie byłoby oddziaływań magnetycznych.

W rezultacie w tym samym roku 1820 Ampere odkrył prawo, zgodnie z którym oddziałują bezpośrednie prądy elektryczne. Przewodniki z prądami skierowanymi w jednym kierunku przyciągają się, a przewodniki z prądami skierowanymi przeciwnie odpychają się (patrz - Prawo Ampere'a).

W wyniku swoich prac eksperymentalnych Ampere stwierdził, że siła działająca na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym zależy liniowo zarówno od wielkości prądu I w przewodzie, jak i od wielkości indukcji B pola magnetycznego w którym ten drut jest umieszczony.

Prawo Ampere'a można sformułować w następujący sposób. Siła dF, z jaką pole magnetyczne działa na element prądu dI znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B, jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu i iloczynu wektorowego długości elementu przewodzącego dL przez indukcję magnetyczną B.

Kierunek siły Ampera można określić za pomocą reguły lewej ręki. Siła ta jest największa, gdy drut jest prostopadły do ​​linii indukcji magnetycznej. W zasadzie natężenie prądu dla przewodu o długości L, przez który płynie prąd I, umieszczonego w polu magnetycznym o indukcji B pod kątem alfa do linii sił pola magnetycznego, wynosi:

Dziś można argumentować, że wszystkie elementy elektryczne, w których działanie elektromagnetyczne wprawia element w ruch mechaniczny, wykorzystują siłę Ampera.

Zasada działania maszyn elektromechanicznych opiera się właśnie na tej sile, np. w silniku elektrycznym… W każdej chwili podczas pracy silnika elektrycznego część jego uzwojenia wirnika porusza się w polu magnetycznym prądu części uzwojenia stojana. Jest to przejaw siły Ampere'a i prawa Ampere'a dotyczącego interakcji prądów.

Ta zasada jest prawdopodobnie najbardziej powszechna w silnikach elektrycznych, gdzie energia elektryczna jest w ten sposób przekształcana w energię mechaniczną.

Generator jest w zasadzie tym samym silnikiem elektrycznym, realizującym tylko odwrotną transformację: energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektryczną (patrz — Jak działają generatory AC i DC?).

W silniku na uzwojenie wirnika, przez które przepływa prąd, działa siła Ampera z pola magnetycznego stojana (na który w tym czasie działa również prąd o żądanym kierunku) i tym samym wirnik silnika wchodzi w ruch obrotowy, obrót wału z obciążeniem.

Samochody elektryczne, tramwaje, pociągi elektryczne i inne pojazdy elektryczne obracają się dzięki wałowi, który obraca się pod działaniem siły Ampera w silniku napędowym prądu przemiennego lub stałego. Silniki AC i DC wykorzystują ampery.

Elektrozamki (drzwi windy, bramki itp.) działają w ten sam sposób, jednym słowem wszystkie mechanizmy, w których działanie elektromagnetyczne prowadzi do ruchu mechanicznego.

Na przykład w głośniku, który wytwarza dźwięk w głośnikach głośnika, membrana wibruje, ponieważ cewka przewodząca prąd jest odpychana przez pole magnetyczne magnesu stałego, wokół którego jest zainstalowana.W ten sposób powstają wibracje dźwiękowe — natężenie prądu jest zmienne (ponieważ prąd w cewce zmienia się wraz z częstotliwością odtwarzanego dźwięku) popycha dyfuzor, generując dźwięk.

Elektryczne przyrządy pomiarowe układu magnetoelektrycznego (np. amperomierze analogowe) zawierają zainstalowaną zdejmowaną ramę drucianą między biegunami magnesu trwałego… Rama jest zawieszona na sprężynach spiralnych, przez które mierzony prąd elektryczny przepływa przez ten przyrząd pomiarowy, a właściwie przez ramę.

Kiedy prąd przepływa przez ramę, siła Ampera, proporcjonalna do wielkości danego prądu, działa na nią w polu magnetycznym magnesu stałego, dlatego rama obraca się, odkształcając sprężyny. Kiedy siła amperów jest równoważona przez siłę sprężyny, pierścień przestaje się obracać i w tym momencie można dokonać odczytów.

Do ramki połączona jest strzałka wskazująca podziałkę skali urządzenia pomiarowego. Kąt odchylenia strzałki okazuje się być proporcjonalny do całkowitego prądu przepływającego przez ramkę. Rama składa się zwykle z kilku zwojów (zob. Amperomierz i woltomierz).