Prawo Ampere'a

W tym artykule porozmawiamy o prawie Ampera, jednym z podstawowych praw elektrodynamiki. Siła Ampera działa dziś w wielu maszynach i instalacjach elektrycznych, a dzięki sile Ampera w XX wieku możliwy stał się postęp związany z elektryfikacją w wielu obszarach produkcji. Prawo Ampere'a jest niezłomne do dziś i nadal wiernie służy nowoczesnej inżynierii. Pamiętajmy więc, komu zawdzięczamy ten postęp i jak to się wszystko zaczęło.

W 1820 roku wielki francuski fizyk Andre Marie Ampere ogłosił swoje odkrycie. W Akademii Nauk mówił o zjawisku oddziaływania dwóch przewodników, w których płynie prąd: przewodniki o przeciwnych prądach odpychają się, a o prądach stałych przyciągają. Ampere zasugerował również, że magnetyzm jest całkowicie elektryczny.

Przez pewien czas naukowiec przeprowadzał eksperymenty i ostatecznie potwierdził swoje przypuszczenia. Wreszcie w 1826 roku opublikował Teorię zjawisk elektrodynamicznych wywodzącą się wyłącznie z doświadczenia.Od tego momentu pomysł płynu magnetycznego został odrzucony jako niepotrzebny, ponieważ magnetyzm, jak się okazało, był spowodowany przez prądy elektryczne.

Ampere doszedł do wniosku, że magnesy trwałe mają również wewnątrz prądy elektryczne, okrągłe prądy molekularne i atomowe prostopadłe do osi przechodzącej przez bieguny magnesu trwałego. Cewka zachowuje się jak magnes trwały, przez który prąd przepływa spiralnie. Ampere otrzymał pełne prawo do pewnego twierdzenia: „wszystkie zjawiska magnetyczne sprowadzają się do działań elektrycznych”.

W trakcie swoich prac badawczych Ampere odkrył również zależność między siłą oddziaływania elementów prądu z wielkościami tych prądów, znalazł też wyrażenie na tę siłę. Ampère zwrócił uwagę, że siły oddziaływania prądów nie są centralne, jak siły grawitacyjne. Wzór, który wyprowadził Ampere, znajduje się obecnie w każdym podręczniku elektrodynamiki.

Ampere odkrył, że prądy z przeciwnego kierunku odpychają się, a prądy z tego samego kierunku przyciągają, jeśli prądy są prostopadłe, nie ma między nimi oddziaływania magnetycznego. Jest to wynik badań naukowców nad oddziaływaniami prądów elektrycznych jako prawdziwymi przyczynami oddziaływań magnetycznych. Ampere odkrył prawo mechanicznego oddziaływania prądów elektrycznych iw ten sposób rozwiązał problem oddziaływań magnetycznych.

Aby wyjaśnić prawa, według których siły mechanicznego oddziaływania prądów są powiązane z innymi wielkościami, można przeprowadzić eksperyment podobny do dzisiejszego eksperymentu Ampere'a.Aby to zrobić, stosunkowo długi drut z prądem I1 jest unieruchomiony, a krótki drut z prądem I2 jest ruchomy, na przykład dolna strona ruchomej ramy z prądem będzie drugim drutem. Rama jest połączona z dynamometrem, aby zmierzyć siłę F działającą na ramę, gdy przewody pod napięciem są równoległe.

Początkowo układ jest zrównoważony, a odległość R między przewodami układu eksperymentalnego jest znacznie mniejsza w porównaniu z długością l tych przewodów. Celem doświadczenia jest zmierzenie siły odpychania drutów.

Prąd, zarówno w przewodach stacjonarnych, jak i ruchomych, można regulować za pomocą reostatów. Zmieniając odległość R między przewodami, zmieniając prąd w każdym z nich, można łatwo znaleźć zależności, zobaczyć, jak siła mechanicznego oddziaływania drutów zależy od prądu i od odległości.

Jeżeli prąd I2 w ruchomej ramie pozostaje niezmieniony, a prąd I1 w nieruchomym przewodzie wzrośnie określoną liczbę razy, to siła F oddziaływania drutów wzrośnie o tę samą wartość. Podobnie sytuacja wygląda, gdy prąd I1 w przewodzie nieruchomym pozostaje niezmieniony, a prąd I2 w ramce zmienia się, to siła oddziaływania F zmienia się w taki sam sposób, jak przy zmianie prądu I1 w przewodzie nieruchomym ze stałym prądem I2 w rama. W ten sposób dochodzimy do oczywistego wniosku — siła oddziaływania drutów F jest wprost proporcjonalna do prądu I1 i prądu I2.

Jeśli zmienimy teraz odległość R między oddziałującymi drutami, okaże się, że wraz ze wzrostem tej odległości siła F maleje i maleje o ten sam współczynnik, co odległość R.Zatem siła oddziaływania mechanicznego F drutów z prądami I1 i I2 jest odwrotnie proporcjonalna do odległości R między nimi.

Zmieniając rozmiar l ruchomego drutu, łatwo jest zapewnić, że siła jest również wprost proporcjonalna do długości oddziałującego boku.

W rezultacie możesz wprowadzić współczynnik proporcjonalności i napisać:

Ten wzór pozwala znaleźć siłę F, z jaką pole magnetyczne generowane przez nieskończenie długi przewodnik z prądem I1 działa na równoległy odcinek przewodnika z prądem I2, przy czym długość tego odcinka wynosi l, a R to odległość między oddziałującymi przewodami. Ta formuła jest niezwykle ważna w badaniu magnetyzmu.

Współczynnik kształtu można wyrazić jako stałą magnetyczną jako:

Wówczas formuła przyjmie postać:

Siła F jest teraz nazywana siłą Ampere'a, a prawem określającym wielkość tej siły jest prawo Ampere'a. Prawo Ampera jest również nazywane prawem, które określa siłę, z jaką pole magnetyczne działa na mały odcinek przewodnika z prądem:

«Siła dF, z jaką pole magnetyczne działa na element dl przewodnika z prądem w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu dI w przewodniku i iloczynu wektorowego elementu o długości dl przewodnik i indukcja magnetyczna B «:

Kierunek siły Ampera określa reguła obliczania iloczynu wektorowego, którą wygodnie jest zapamiętać za pomocą reguły lewej ręki, która odnosi się do podstawowe prawa elektrotechniki, a moduł siły Ampera można obliczyć ze wzoru:

Tutaj alfa jest kątem między wektorem indukcji magnetycznej a kierunkiem prądu.

Oczywiście siła Ampera jest maksymalna, gdy element przewodnika z prądem jest prostopadły do ​​linii indukcji magnetycznej B.

Dzięki mocy Ampera działa dziś wiele maszyn elektrycznych, w których przewody przewodzące prąd oddziałują ze sobą oraz z polem elektromagnetycznym. Większość generatorów i silników w taki czy inny sposób wykorzystuje moc amperów w swojej pracy. Wirniki silników elektrycznych obracają się w polu magnetycznym ich stojanów pod wpływem siły Ampera.

Pojazdy elektryczne: tramwaje, pociągi elektryczne, samochody elektryczne — wszystkie wykorzystują moc Ampere'a, aby w końcu obracały się ich koła. Elektrozamki, drzwi wind itp. Głośniki, głośniki - w nich pole magnetyczne cewki prądowej oddziałuje z polem magnetycznym magnesu trwałego, tworząc fale dźwiękowe. Na koniec plazma jest kompresowana w tokamakach dzięki sile Ampera.