Amperov zákon

V tomto článku budeme hovoriť o Amperovom zákone, jednom zo základných zákonov elektrodynamiky. Ampérova sila dnes pôsobí v mnohých elektrických strojoch a inštaláciách a vďaka Ampérovej sile v 20. storočí boli možné pokroky súvisiace s elektrifikáciou v mnohých oblastiach výroby. Amperov zákon je neochvejný dodnes a naďalej verne slúži modernému inžinierstvu. Poďme si teda pripomenúť, komu vďačíme za tento pokrok a ako to všetko začalo.

V roku 1820 oznámil svoj objav veľký francúzsky fyzik Andre Marie Ampere. V Akadémii vied hovoril o fenoméne interakcie dvoch vodičov s prúdom: vodiče s opačnými prúdmi sa odpudzujú a s jednosmernými prúdmi sa priťahujú. Ampere tiež naznačil, že magnetizmus bol úplne elektrický.

Vedec nejaký čas robil svoje experimenty a nakoniec potvrdil svoj predpoklad. Napokon v roku 1826 publikoval Teóriu elektrodynamických javov odvodených výlučne zo skúsenosti.Od tej chvíle bola myšlienka magnetickej tekutiny odmietnutá ako zbytočná, pretože magnetizmus, ako sa ukázalo, bol spôsobený elektrickými prúdmi.

Ampere dospel k záveru, že permanentné magnety majú vo vnútri aj elektrické prúdy, kruhové molekulárne a atómové prúdy kolmé na os prechádzajúcu cez póly permanentného magnetu. Cievka sa správa ako permanentný magnet, ktorým prúdi špirálovito. Ampere získal plné právo s istotou tvrdiť: "všetky magnetické javy sú redukované na elektrické pôsobenie."

Ampere v priebehu svojej výskumnej práce objavil aj vzťah medzi silou interakcie prvkov prúdu s veľkosťami týchto prúdov, našiel aj výraz pre túto silu. Ampère poukázal na to, že sily interakcie prúdov nie sú centrálne, ako gravitačné sily. Vzorec, ktorý Ampere odvodil, je dnes obsiahnutý v každej učebnici elektrodynamiky.

Ampere zistil, že prúdy z opačného smeru sa odpudzujú a prúdy z rovnakého smeru sa priťahujú, ak sú prúdy kolmé, potom medzi nimi nie je žiadna magnetická interakcia. Toto je výsledok vedcovho skúmania interakcií elektrických prúdov ako skutočných základných príčin magnetických interakcií. Ampere objavil zákon mechanickej interakcie elektrických prúdov a vyriešil tak problém magnetických interakcií.

Na objasnenie zákonitostí, podľa ktorých sú sily mechanickej interakcie prúdov spojené s inými veličinami, je možné uskutočniť experiment podobný experimentu Ampere dnes.Na tento účel je relatívne dlhý drôt s prúdom I1 pevne pripevnený a krátky drôt s prúdom I2 je pohyblivý, napríklad spodná strana pohyblivého rámu s prúdom bude druhým drôtom. Rám je pripojený k dynamometru na meranie sily F pôsobiacej na rám, keď sú živé vodiče rovnobežné.

Spočiatku je systém vyvážený a vzdialenosť R medzi drôtmi experimentálneho usporiadania je výrazne menšia v porovnaní s dĺžkou l týchto drôtov. Účelom experimentu je zmerať odpudivú silu drôtov.

Prúd v stacionárnych aj pohyblivých drôtoch je možné regulovať pomocou reostatov. Zmenou vzdialenosti R medzi drôtmi, zmenou prúdu v každom z nich možno ľahko nájsť závislosti, vidieť, ako sila mechanickej interakcie drôtov závisí od prúdu a od vzdialenosti.

Ak je prúd I2 v pohyblivom ráme nezmenený a prúd I1 v stacionárnom drôte sa zvýši o určitý počet krát, potom sa sila F interakcie drôtov zvýši o rovnakú hodnotu. Podobne sa situácia vyvíja, ak sa prúd I1 v pevnom drôte nemení a prúd I2 v ráme sa mení, potom sa interakčná sila F mení rovnako, ako keď sa mení prúd I1 v stacionárnom drôte konštantným prúdom I2 v r. rám. Dospeli sme teda k zrejmému záveru - sila interakcie drôtov F je priamo úmerná prúdu I1 a prúdu I2.

Ak teraz zmeníme vzdialenosť R medzi vzájomne pôsobiacimi drôtmi, ukáže sa, že keď sa táto vzdialenosť zväčšuje, sila F klesá a klesá rovnakým faktorom ako vzdialenosť R.Sila mechanickej interakcie F drôtov s prúdmi I1 a I2 je teda nepriamo úmerná vzdialenosti R medzi nimi.

Zmenou veľkosti l pohyblivého drôtu je ľahké zabezpečiť, aby sila bola tiež priamo úmerná dĺžke vzájomne pôsobiacej strany.

V dôsledku toho môžete zadať faktor proporcionality a napísať:

Tento vzorec umožňuje nájsť silu F, ktorou magnetické pole generované nekonečne dlhým vodičom s prúdom I1 pôsobí na paralelný úsek vodiča s prúdom I2, pričom dĺžka úseku je l a R je vzdialenosť medzi vzájomne pôsobiacimi vodičmi. Tento vzorec je mimoriadne dôležitý pri štúdiu magnetizmu.

Pomer strán možno vyjadriť pomocou magnetickej konštanty ako:

Potom bude mať vzorec tvar:

Sila F sa teraz nazýva Ampérova sila a zákon, ktorý určuje veľkosť tejto sily, je Ampérov zákon. Amperov zákon sa tiež nazýva zákon, ktorý určuje silu, ktorou magnetické pole pôsobí na malú časť vodiča s prúdom:

«Sila dF, ktorou magnetické pole pôsobí na prvok dl vodiča s prúdom v magnetickom poli, je priamo úmerná sile prúdu dI vo vodiči a vektorovému súčinu prvku s dĺžkou dl vodič a magnetická indukcia B «:

Smer Ampérovej sily je určený pravidlom pre výpočet vektorového súčinu, ktoré je vhodné si zapamätať pomocou pravidla ľavej ruky, ktoré odkazuje na základné zákony elektrotechnikyA ampérový silový modul možno vypočítať podľa vzorca:

Tu je alfa uhol medzi vektorom magnetickej indukcie a smerom prúdu.

Je zrejmé, že ampérová sila je maximálna, keď je prvok vodiča s prúdom kolmý na čiary magnetickej indukcie B.

Vďaka sile Ampere dnes funguje mnoho elektrických strojov, kde vodiče s prúdom interagujú navzájom a s elektromagnetickým poľom. Väčšina generátorov a motorov tak či onak využíva pri svojej práci ampérový výkon. Rotory elektromotorov sa vplyvom Ampérovej sily otáčajú v magnetickom poli svojich statorov.

Elektrické vozidlá: električky, elektrické vlaky, elektrické autá – všetky využívajú silu Ampere, aby sa ich kolesá nakoniec otočili. Elektrické zámky, výťahové dvere atď. Reproduktory, reproduktory - v nich magnetické pole cievky prúdu interaguje s magnetickým poľom permanentného magnetu a vytvára zvukové vlny. Nakoniec je plazma stlačená v tokamakoch vďaka Ampérovej sile.