Законът на Ампер

В тази статия ще говорим за закона на Ампер — един от основните закони на електродинамиката. Силата на Ампер действа днес в много електрически машини и инсталации и благодарение на силата на Ампер през 20 -ти век напредъкът, свързан с електрификацията в много области на производството, стана възможен. Законът на Ампер е непоклатим и до днес и продължава вярно да служи на съвременното машиностроене. Така че нека си припомним на кого дължим този напредък и как започна всичко.

През 1820 г. великият френски физик Андре Мари Ампер обявява своето откритие. Той говори в Академията на науките за явлението взаимодействие на два проводника с ток: проводници с противоположни токове взаимно се отблъскват, а с еднопосочни токове те взаимно се привличат. Ампер също предполага, че магнетизмът е изцяло електрически.

Известно време ученият провежда експериментите си и в крайна сметка потвърждава предположението си. Накрая, през 1826 г. той публикува труда „Теория на електродинамичните явления, извлечени изключително от опита“. От този момент нататък идеята за магнитна течност е отхвърлена като ненужна, тъй като магнетизмът, както се оказа, е причинен от електрически токове.

Ампер заключава, че постоянните магнити също имат електрически токове вътре, кръгови молекулни и атомни токове, перпендикулярни на оста, преминаващи през полюсите на постоянен магнит. Намотката се държи като постоянен магнит, през който по спирала протича ток. Ампер получи пълното право уверено да твърди: „всички магнитни явления се свеждат до електрически действия“.

В хода на своята изследователска работа Ампер открива и връзката между силата на взаимодействие на токовите елементи с величините на тези токове, той също намира израз за тази сила. Ампер посочи, че силите на взаимодействие на токовете не са централни, като гравитационните сили. Формулата, която Ампер извежда, е включена днес във всеки от учебниците по електродинамика.

Ампер установи, че токовете от противоположната посока се отблъскват и теченията от една и съща посока се привличат, ако токовете са перпендикулярни, тогава между тях няма магнитно взаимодействие. Това е резултат от изследването на учения за взаимодействията на електрическите токове като истинските първопричини за магнитните взаимодействия. Ампер открива закона за механичното взаимодействие на електрическите токове и по този начин решава проблема с магнитните взаимодействия.

За да се изяснят законите, по които силите на механичното взаимодействие на токовете са свързани с други величини, е възможно да се проведе експеримент, подобен на експеримента на Ампер днес. За да направите това, относително дълъг проводник с ток I1 е фиксиран неподвижен, а къс проводник с ток I2 се прави подвижен, например долната страна на подвижната рамка с ток ще бъде вторият проводник. Рамката е свързана с динамометър за измерване на силата F, действаща върху рамката, когато проводниците с токове са разположени успоредно.

Първоначално системата е балансирана и разстоянието R между проводниците на експерименталната настройка е значително по -малко в сравнение с дължината l на тези проводници. Целта на експеримента е да се измери силата на отблъскване на проводниците.

Токът, както в неподвижните, така и в движещите се проводници, може да се регулира с помощта на реостати. Чрез промяна на разстоянието R между проводниците, чрез промяна на тока във всеки от тях, човек може лесно да открие зависимости, да види как силата на механичното взаимодействие на проводниците зависи от тока и от разстоянието.

Ако токът I2 в подвижната рамка е непроменен и токът I1 в неподвижния проводник се увеличи с определен брой пъти, тогава силата F на взаимодействието на проводниците ще се увеличи със същото количество. По подобен начин се развива ситуацията, ако токът I1 във фиксирания проводник е непроменен и токът I2 в рамката се промени, тогава силата на взаимодействие F се променя по същия начин, както когато токът I1 се промени в неподвижния проводник с постоянен ток I2 в рамката. Така стигаме до очевидния извод — силата на взаимодействието на проводниците F е правопропорционална на тока I1 и тока I2.

Ако сега променим разстоянието R между взаимодействащите проводници, се оказва, че с увеличаване на това разстояние силата F намалява и намалява със същия фактор като разстоянието R. По този начин силата на механичното взаимодействие F на проводниците с токове I1 и I2 е обратно пропорционално разстояние R между тях.

Чрез промяна на размера l на подвижния проводник е лесно да се уверите, че силата също е правопропорционална на дължината на взаимодействащата страна.

В резултат на това можете да въведете коефициента на пропорционалност и да запишете:

Тази формула ви позволява да намерите силата F, с която магнитното поле, генерирано от безкрайно дълъг проводник с ток I1, действа върху паралелна секция на проводник с ток I2, докато дължината на сечението е l, а R е разстояние между взаимодействащите проводници. Тази формула е изключително важна при изучаването на магнетизма.

Съотношението на страните може да се изрази чрез магнитната константа като:

Тогава формулата ще приеме формата:

Сила F сега се нарича сила на Ампер, а законът, който определя величината на тази сила, е законът на Ампер. Законът на Ампер се нарича още закон, който определя силата, с която магнитното поле действа върху малка част от проводник с ток:

«Силата dF, с която магнитното поле действа върху елемента dl на проводника с ток в магнитното поле, е правопропорционална на силата на тока dI в проводника и векторното произведение на елемента с дължина dl на проводника и магнитна индукция B «:

Посоката на силата на Ампер се определя от правилото за изчисляване на векторното произведение, което е удобно да се запомни с помощта на лявото правило, което се отнася до основни закони на електротехниката, а модулът на силата на Ампер може да се изчисли по формулата:

Тук алфа е ъгълът между вектора на магнитната индукция и посоката на тока.

Очевидно силата на Ампера е максимална, когато елементът на проводника с ток е перпендикулярен на линиите на магнитната индукция B.

Благодарение на силата на Ампер днес работят много електрически машини, при които проводници с ток взаимодействат помежду си и с електромагнитно поле. По -голямата част от генераторите и двигателите по един или друг начин използват силата на Ampere в работата си. Роторите на електродвигателите се въртят в магнитното поле на техните статори поради силата на Ампера.

Електрически превозни средства: трамваи, електрически влакове, електрически автомобили — всички те използват силата на Ampere, за да накарат колелата си в крайна сметка да се завъртят. Електрически брави, врати на асансьори и пр. Високоговорители, високоговорители — в тях магнитното поле на токовата бобина взаимодейства с магнитното поле на постоянен магнит, образувайки звукови вълни. И накрая, плазмата се компресира в токамаци поради силата на Ампера.