Νόμος του Ampere

Σε αυτό το άρθρο, θα μιλήσουμε για τον νόμο του Ampere, έναν από τους βασικούς νόμους της ηλεκτροδυναμικής. Η δύναμη του Ampere λειτουργεί σήμερα σε πολλές ηλεκτρικές μηχανές και εγκαταστάσεις, και χάρη στη δύναμη του Ampere τον 20ο αιώνα, έγιναν δυνατές οι εξελίξεις που σχετίζονται με την ηλεκτροδότηση σε πολλούς τομείς παραγωγής. Ο νόμος του Ampere είναι σταθερός μέχρι σήμερα και συνεχίζει να υπηρετεί πιστά τη σύγχρονη μηχανική. Ας θυμηθούμε λοιπόν σε ποιους χρωστάμε αυτή την πρόοδο και πώς ξεκίνησαν όλα.

Το 1820, ο μεγάλος Γάλλος φυσικός Andre Marie Ampere ανακοίνωσε την ανακάλυψή του. Μίλησε στην Ακαδημία Επιστημών για το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης δύο αγωγών που μεταφέρουν ρεύμα: αγωγοί με αντίθετα ρεύματα απωθούνται μεταξύ τους και με συνεχή ρεύματα ελκύουν ο ένας τον άλλον. Το Ampere πρότεινε επίσης ότι ο μαγνητισμός ήταν εξ ολοκλήρου ηλεκτρικός.

Για κάποιο χρονικό διάστημα, ο επιστήμονας διεξήγαγε τα πειράματά του και τελικά επιβεβαίωσε την εικασία του. Τέλος, το 1826, δημοσίευσε τη Θεωρία των ηλεκτροδυναμικών φαινομένων που προέρχονται αποκλειστικά από την εμπειρία.Από εκείνο το σημείο και μετά, η ιδέα ενός μαγνητικού ρευστού απορρίφθηκε ως περιττή, καθώς ο μαγνητισμός, όπως αποδείχθηκε, προκλήθηκε από ηλεκτρικά ρεύματα.

Το Ampere κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι μόνιμοι μαγνήτες έχουν επίσης ηλεκτρικά ρεύματα μέσα, κυκλικά μοριακά και ατομικά ρεύματα κάθετα στον άξονα που διέρχεται από τους πόλους ενός μόνιμου μαγνήτη. Το πηνίο συμπεριφέρεται σαν ένας μόνιμος μαγνήτης μέσω του οποίου το ρεύμα ρέει σε μια σπείρα. Το Ampere έλαβε το πλήρες δικαίωμα να ισχυριστεί με σιγουριά: "όλα τα μαγνητικά φαινόμενα μειώνονται σε ηλεκτρικές ενέργειες".

Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής του εργασίας, ο Ampere ανακάλυψε επίσης τη σχέση μεταξύ της δύναμης αλληλεπίδρασης των στοιχείων του ρεύματος με τα μεγέθη αυτών των ρευμάτων, βρήκε επίσης μια έκφραση για αυτή τη δύναμη. Ο Ampère επεσήμανε ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των ρευμάτων δεν είναι κεντρικές, όπως οι δυνάμεις βαρύτητας. Ο τύπος που εξήγαγε το Ampere περιλαμβάνεται σε κάθε εγχειρίδιο ηλεκτροδυναμικής σήμερα.

Το Ampere βρήκε ότι ρεύματα από την αντίθετη κατεύθυνση απωθούνται και ρεύματα από την ίδια κατεύθυνση έλκονται, εάν τα ρεύματα είναι κάθετα τότε δεν υπάρχει μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της έρευνας του επιστήμονα για τις αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρικών ρευμάτων ως τις αληθινές βασικές αιτίες των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Το Ampere ανακάλυψε το νόμο της μηχανικής αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικών ρευμάτων και έτσι έλυσε το πρόβλημα των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Προκειμένου να διευκρινιστούν οι νόμοι με τους οποίους οι δυνάμεις της μηχανικής αλληλεπίδρασης των ρευμάτων σχετίζονται με άλλα μεγέθη, είναι δυνατό να διεξαχθεί ένα πείραμα παρόμοιο με το πείραμα του Ampere σήμερα.Για να γίνει αυτό, ένα σχετικά μακρύ καλώδιο με ρεύμα I1 είναι σταθερό και ένα κοντό καλώδιο με ρεύμα I2 γίνεται κινητό, για παράδειγμα, η κάτω πλευρά του κινητού πλαισίου με ρεύμα θα είναι το δεύτερο καλώδιο. Το πλαίσιο συνδέεται με ένα δυναμόμετρο για τη μέτρηση της δύναμης F που ασκείται στο πλαίσιο όταν οι υπό τάση αγωγοί είναι παράλληλοι.

Αρχικά, το σύστημα είναι ισορροπημένο και η απόσταση R μεταξύ των συρμάτων της πειραματικής εγκατάστασης είναι σημαντικά μικρότερη σε σύγκριση με το μήκος l αυτών των συρμάτων. Ο σκοπός του πειράματος είναι να μετρήσει την απωστική δύναμη των συρμάτων.

Το ρεύμα, τόσο σε σταθερά όσο και σε κινούμενα καλώδια, μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας ρεοστάτες. Αλλάζοντας την απόσταση R μεταξύ των καλωδίων, αλλάζοντας το ρεύμα σε καθένα από αυτά, μπορεί κανείς να βρει εύκολα εξαρτήσεις, να δει πώς η ισχύς της μηχανικής αλληλεπίδρασης των συρμάτων εξαρτάται από το ρεύμα και την απόσταση.

Εάν το ρεύμα I2 στο κινούμενο πλαίσιο είναι αμετάβλητο και το ρεύμα I1 στο στατικό σύρμα αυξηθεί κατά έναν ορισμένο αριθμό φορές, τότε η δύναμη F της αλληλεπίδρασης των συρμάτων θα αυξηθεί κατά το ίδιο ποσό. Ομοίως, η κατάσταση αναπτύσσεται εάν το ρεύμα I1 στο σταθερό καλώδιο είναι αμετάβλητο και το ρεύμα I2 στο πλαίσιο αλλάξει, τότε η δύναμη αλληλεπίδρασης F αλλάζει με τον ίδιο τρόπο όπως όταν το ρεύμα I1 αλλάζει στο σταθερό καλώδιο με σταθερό ρεύμα I2 στο το πλαίσιο. Έτσι καταλήγουμε στο προφανές συμπέρασμα - η δύναμη αλληλεπίδρασης των συρμάτων F είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα I1 και το ρεύμα I2.

Αν τώρα αλλάξουμε την απόσταση R μεταξύ των καλωδίων που αλληλεπιδρούν, αποδεικνύεται ότι όσο αυξάνεται αυτή η απόσταση, η δύναμη F μειώνεται και μειώνεται κατά τον ίδιο παράγοντα με την απόσταση R.Έτσι, η δύναμη της μηχανικής αλληλεπίδρασης F των συρμάτων με τα ρεύματα Ι1 και Ι2 είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης R μεταξύ τους.

Μεταβάλλοντας το μέγεθος l του κινητού σύρματος, είναι εύκολο να διασφαλιστεί ότι η δύναμη είναι επίσης ευθέως ανάλογη με το μήκος της πλευράς που αλληλεπιδρά.

Ως αποτέλεσμα, μπορείτε να εισαγάγετε τον παράγοντα αναλογικότητας και να γράψετε:

Αυτός ο τύπος σας επιτρέπει να βρείτε τη δύναμη F με την οποία το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από έναν άπειρο μακρύ αγωγό με ρεύμα I1 δρα σε ένα παράλληλο τμήμα ενός αγωγού με ρεύμα I2, ενώ το μήκος του τμήματος είναι l και R είναι η απόσταση μεταξύ των αλληλεπιδρώντων αγωγών. Αυτός ο τύπος είναι εξαιρετικά σημαντικός στη μελέτη του μαγνητισμού.

Ο λόγος διαστάσεων μπορεί να εκφραστεί σε όρους μαγνητικής σταθεράς ως:

Τότε ο τύπος θα πάρει τη μορφή:

Η δύναμη F ονομάζεται τώρα δύναμη Ampere, και ο νόμος που καθορίζει το μέγεθος αυτής της δύναμης είναι ο νόμος του Ampere. Ο νόμος του Ampere ονομάζεται επίσης νόμος που καθορίζει τη δύναμη με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε ένα μικρό τμήμα ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα:

«Η δύναμη dF με την οποία το μαγνητικό πεδίο δρα στο στοιχείο dl του αγωγού με ρεύμα στο μαγνητικό πεδίο είναι ευθέως ανάλογη με την ισχύ του ρεύματος dI στον αγωγό και το διανυσματικό γινόμενο του στοιχείου με το μήκος dl του αγωγός και μαγνητική επαγωγή Β «:

Η κατεύθυνση της δύναμης του Ampere καθορίζεται από τον κανόνα για τον υπολογισμό του διανυσματικού γινομένου, τον οποίο είναι βολικό να θυμάστε χρησιμοποιώντας τον κανόνα του αριστερού χεριού, ο οποίος αναφέρεται στο βασικοί νόμοι της ηλεκτρικής μηχανικήςκαι ο συντελεστής δύναμης Ampere μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο:

Εδώ, το άλφα είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής και της κατεύθυνσης του ρεύματος.

Προφανώς, η δύναμη Ampere είναι μέγιστη όταν το στοιχείο του αγωγού που μεταφέρει ρεύμα είναι κάθετο στις γραμμές της μαγνητικής επαγωγής Β.

Χάρη στην ισχύ του Ampere, πολλές ηλεκτρικές μηχανές λειτουργούν σήμερα, όπου τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Η πλειονότητα των γεννητριών και των κινητήρων με τον ένα ή τον άλλο τρόπο χρησιμοποιούν ισχύ Ampere στη δουλειά τους. Οι ρότορες των ηλεκτροκινητήρων περιστρέφονται στο μαγνητικό πεδίο των στάτη τους λόγω της δύναμης του Ampere.

Ηλεκτρικά οχήματα: τραμ, ηλεκτρικά τρένα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα — όλα χρησιμοποιούν τη δύναμη του Ampere για να κάνουν τους τροχούς τους να στρίψουν τελικά. Ηλεκτρικές κλειδαριές, πόρτες ανελκυστήρα κ.λπ. Ηχεία, μεγάφωνα - σε αυτά το μαγνητικό πεδίο του τρέχοντος πηνίου αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη, σχηματίζοντας ηχητικά κύματα. Τέλος, το πλάσμα συμπιέζεται σε tokamaks λόγω της δύναμης του Ampere.