Εφαρμογή της δράσης της δύναμης Ampere στην τεχνολογία

Το 1820, ο Δανός φυσικός Hans Christian Oersted έκανε μια θεμελιώδη ανακάλυψη: η μαγνητική βελόνα μιας πυξίδας εκτρέπεται από ένα σύρμα που μεταφέρει ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι, ο επιστήμονας διαπίστωσε σε ένα πείραμα ότι το μαγνητικό πεδίο του ρεύματος κατευθύνεται ακριβώς κάθετα στο ρεύμα και όχι παράλληλα σε αυτό, όπως θα μπορούσε να υποτεθεί.

Ο Γάλλος φυσικός Andre-Marie Ampere εμπνεύστηκε τόσο πολύ από την επίδειξη του πειράματος του Oersted που αποφάσισε να συνεχίσει μόνος του την έρευνά του προς αυτή την κατεύθυνση.

Το Ampere μπόρεσε να διαπιστώσει ότι όχι μόνο μια μαγνητική βελόνα εκτρέπεται από έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα, αλλά δύο παράλληλοι αγωγοί που φέρουν συνεχή ρεύματα μπορούν είτε να έλκονται είτε να απωθούνται μεταξύ τους – ανάλογα με τις κατευθύνσεις που κινούνται μεταξύ τους τα ρεύματα σε αυτά σύρματα.

Αποδείχθηκε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο και το μαγνητικό πεδίο ήδη ενεργεί σε ένα άλλο ρεύμα.Το Ampere κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα δρα επίσης σε έναν μόνιμο μαγνήτη (βέλος) μόνο επειδή πολλά μικροσκοπικά ρεύματα ρέουν επίσης μέσα στον μαγνήτη σε κλειστές διαδρομές και στην πράξη, αν και τα μαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν, οι πηγές αυτών των μαγνητικών πεδίων, τα ρεύματα , απωθούνται. Δεν θα υπήρχε μαγνητική αλληλεπίδραση χωρίς ρεύματα.

Ως αποτέλεσμα, το ίδιο έτος 1820, ο Ampere ανακάλυψε το νόμο σύμφωνα με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα συνεχή ηλεκτρικά ρεύματα. Οι αγωγοί με ρεύματα κατευθυνόμενα προς μία κατεύθυνση ελκύουν ο ένας τον άλλον και αγωγοί με αντίθετα κατευθυνόμενα ρεύματα απωθούνται μεταξύ τους (βλ. Νόμος του Ampere).

Ως αποτέλεσμα της πειραματικής του δουλειάς, ο Ampere διαπίστωσε ότι η δύναμη που ασκείται σε ένα σύρμα που μεταφέρει ρεύμα τοποθετημένο σε ένα μαγνητικό πεδίο εξαρτάται γραμμικά τόσο από το μέγεθος του ρεύματος I στο σύρμα όσο και από το μέγεθος της επαγωγής Β του μαγνητικού πεδίου στο οποίο τοποθετείται αυτό το σύρμα .

Ο νόμος του Ampere μπορεί να διατυπωθεί ως εξής. Η δύναμη dF με την οποία το μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα στοιχείο ρεύματος dI που βρίσκεται σε ένα μαγνητικό πεδίο επαγωγής Β είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα και το διανυσματικό γινόμενο του μήκους του αγώγιμου στοιχείου dL από τη μαγνητική επαγωγή Β.

Η κατεύθυνση της δύναμης του Ampere μπορεί να προσδιοριστεί από τον κανόνα του αριστερού χεριού. Αυτή η δύναμη είναι μεγαλύτερη όταν το σύρμα είναι κάθετο στις γραμμές μαγνητικής επαγωγής. Κατ 'αρχήν, η ισχύς του αμπέρ για ένα σύρμα μήκους L που φέρει ένα ρεύμα που τοποθέτησα σε ένα μαγνητικό πεδίο επαγωγής Β υπό γωνία άλφα προς τις γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου είναι ίση με:

Σήμερα, μπορεί να υποστηριχθεί ότι όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα στα οποία μια ηλεκτρομαγνητική δράση θέτει ένα στοιχείο σε μηχανική κίνηση χρησιμοποιούν τη δύναμη του Ampere.

Η αρχή της λειτουργίας των ηλεκτρομηχανικών μηχανών βασίζεται ακριβώς σε αυτή τη δύναμη, π.χ. σε ηλεκτροκινητήρα… Σε οποιαδήποτε στιγμή, κατά τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα, μέρος της περιέλιξης του ρότορα του κινείται στο μαγνητικό πεδίο του ρεύματος μέρους της περιέλιξης του στάτορα. Αυτή είναι μια εκδήλωση της δύναμης του Ampere και του νόμου του Ampere για την αλληλεπίδραση των ρευμάτων.

Αυτή η αρχή είναι ίσως η πιο κοινή στους ηλεκτροκινητήρες, όπου Έτσι η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική.

Η γεννήτρια, κατ' αρχήν, είναι ο ίδιος ηλεκτροκινητήρας, πραγματοποιώντας μόνο τον αντίστροφο μετασχηματισμό: η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια (βλ. Πώς λειτουργούν οι γεννήτριες AC και DC;).

Στον κινητήρα, η περιέλιξη του ρότορα, μέσω της οποίας ρέει το ρεύμα, δέχεται τη δράση της δύναμης Ampere από το μαγνητικό πεδίο του στάτορα (στο οποίο ενεργεί και το ρεύμα με την επιθυμητή κατεύθυνση αυτή τη στιγμή) και έτσι ο ρότορας του κινητήρα εισέρχεται στο μια περιστροφική κίνηση, περιστροφή του άξονα με το φορτίο.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα τραμ, τα ηλεκτρικά τρένα και άλλα ηλεκτρικά οχήματα βιώνουν την περιστροφή των τροχών χάρη σε έναν άξονα που περιστρέφεται υπό τη δράση της δύναμης του Ampere σε έναν κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος ή συνεχούς ρεύματος. Οι κινητήρες AC και DC χρησιμοποιούν αμπέρ.

Οι ηλεκτρικές κλειδαριές (πόρτες ανελκυστήρων, πύλες κ.λπ.) λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, με μια λέξη - όλοι οι μηχανισμοί όπου η ηλεκτρομαγνητική δράση οδηγεί σε μηχανική κίνηση.

Για παράδειγμα, σε ένα μεγάφωνο που παράγει ήχο στα ηχεία ενός μεγαφώνου, η μεμβράνη δονείται επειδή το πηνίο που μεταφέρει ρεύμα απωθείται από το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη γύρω από τον οποίο είναι εγκατεστημένο.Έτσι δημιουργούνται ηχητικές δονήσεις — το Amperage είναι μεταβλητό (καθώς το ρεύμα στο πηνίο αλλάζει με τη συχνότητα του ήχου που πρόκειται να αναπαραχθεί) ωθεί τον διαχύτη, δημιουργώντας ήχο.

Τα ηλεκτρικά όργανα μέτρησης του μαγνητοηλεκτρικού συστήματος (π.χ. αναλογικά αμπερόμετρα) περιλαμβάνουν εγκατεστημένο αφαιρούμενο συρμάτινο πλαίσιο ανάμεσα στους πόλους ενός μόνιμου μαγνήτη… Το πλαίσιο αναρτάται σε σπειροειδή ελατήρια, μέσω των οποίων το μετρούμενο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από αυτήν τη συσκευή μέτρησης, στην πραγματικότητα, μέσα από το πλαίσιο.

Όταν το ρεύμα διέρχεται από το πλαίσιο, η δύναμη Ampere, ανάλογη με το μέγεθος του δεδομένου ρεύματος, δρα σε αυτό στο μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη, επομένως το πλαίσιο περιστρέφεται, παραμορφώνοντας τα ελατήρια. Όταν η δύναμη Ampere εξισορροπηθεί από τη δύναμη του ελατηρίου, η στεφάνη σταματά να περιστρέφεται και σε αυτό το σημείο μπορούν να ληφθούν μετρήσεις.

Στο πλαίσιο συνδέεται ένα βέλος, που δείχνει τη βαθμολογημένη κλίμακα της συσκευής μέτρησης. Η γωνία εκτροπής του βέλους αποδεικνύεται ανάλογη με το συνολικό ρεύμα που διέρχεται από το πλαίσιο. Το πλαίσιο αποτελείται συνήθως από πολλές στροφές (βλ. Αμπερόμετρο και συσκευή βολτόμετρου).