Toepassing van Ampere's krachtactie in technologie

In 1820 deed de Deense natuurkundige Hans Christian Oersted een fundamentele ontdekking: de magnetische naald van een kompas wordt afgebogen door een draad die een elektrische gelijkstroom voert. Zo ontdekte de wetenschapper in een experiment dat het magnetische veld van de stroom precies loodrecht op de stroom staat, en niet evenwijdig eraan, zoals zou kunnen worden aangenomen.

De Franse natuurkundige Andre-Marie Ampere was zo geïnspireerd door de demonstratie van het experiment van Oersted dat hij besloot zijn onderzoek in deze richting alleen voort te zetten.

Ampere was in staat om vast te stellen dat niet alleen een magnetische naald wordt afgebogen door een stroomvoerende geleider, maar dat twee parallelle geleiders die gelijkstroom voeren elkaar kunnen aantrekken of afstoten - afhankelijk van in welke richting ze ten opzichte van elkaar bewegen, de stromen in deze draden.

Het bleek dat een elektrische stroom een ​​magnetisch veld opwekt en dat het magnetische veld al inwerkt op een andere stroom.Ampere concludeerde dat een stroomvoerende draad alleen werkt op een permanente magneet (pijl) omdat er ook veel microscopische stromen in de magneet stromen in gesloten paden, en in de praktijk, hoewel de magnetische velden op elkaar inwerken, de bronnen van deze magnetische velden, de stromen , worden afgestoten. Er zou geen magnetische interactie zijn zonder stromingen.

Dientengevolge ontdekte Ampere in hetzelfde jaar 1820 de wet volgens welke directe elektrische stromen op elkaar inwerken. Geleiders met stromen in één richting trekken elkaar aan, en geleiders met tegengesteld gerichte stromen stoten elkaar af (zie - De wet van Ampere).

Als resultaat van zijn experimentele werk ontdekte Ampere dat de kracht die werkt op een stroomvoerende draad die in een magnetisch veld is geplaatst, lineair afhangt van zowel de grootte van de stroom I in de draad als van de grootte van de inductie B van het magnetische veld. waarin deze draad is geplaatst.

De wet van Ampere kan als volgt worden geformuleerd. De kracht dF waarmee het magnetische veld inwerkt op een stroomelement dI dat zich in een magnetisch inductieveld B bevindt, is rechtevenredig met de stroom en het vectorproduct van de lengte van het geleidende element dL door de magnetische inductie B.

De richting van de kracht van Ampère kan worden bepaald met de linkerhandregel. Deze kracht is het grootst wanneer de draad loodrecht op de lijnen van magnetische inductie staat. In principe is de ampèresterkte voor een draad met lengte L die een stroom voert I geplaatst in een magnetisch veld van inductie B onder een hoek alfa met de krachtlijnen van het magnetische veld gelijk aan:

Tegenwoordig kan worden gesteld dat alle elektrische componenten waarin een elektromagnetische actie een element in mechanische beweging zet, de kracht van Ampere gebruiken.

Het werkingsprincipe van elektromechanische machines is precies gebaseerd op deze kracht, bijvoorbeeld bij een elektromotor… Op elk moment, tijdens de werking van de elektromotor, beweegt een deel van zijn rotorwikkeling in het magnetische veld van de stroom van een deel van de statorwikkeling. Dit is een manifestatie van de kracht van Ampere en de wet van Ampere van de interactie van stromingen.

Dit principe komt misschien wel het meest voor bij elektromotoren, waar elektrische energie wordt zo omgezet in mechanische energie.

De generator is in principe dezelfde elektromotor, die alleen de omgekeerde transformatie realiseert: mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie (zie — Hoe werken AC- en DC-generatoren?).

In de motor ondervindt de rotorwikkeling, waar de stroom doorheen vloeit, de werking van de Ampere-kracht van het magnetische veld van de stator (waarop op dit moment ook de stroom met de gewenste richting werkt) en zo komt de rotor van de motor in een roterende beweging, rotatie van de as met de last.

Elektrische auto's, trams, elektrische treinen en andere elektrische voertuigen ervaren wielrotatie dankzij een as die draait onder invloed van de kracht van Ampère in een AC- of DC-aandrijfmotor. AC- en DC-motoren gebruiken ampère.

Elektrische sloten (liftdeuren, poorten, enz.) werken op dezelfde manier, in één woord - alle mechanismen waarbij elektromagnetische actie leidt tot mechanische beweging.

In een luidspreker die geluid voortbrengt in de luidsprekers van een luidspreker, trilt het membraan bijvoorbeeld omdat de stroomvoerende spoel wordt afgestoten door het magnetische veld van de permanente magneet waaromheen deze is geïnstalleerd.Zo worden geluidstrillingen gevormd - de stroomsterkte is variabel (aangezien de stroom in de spoel verandert met de frequentie van het geluid dat moet worden gereproduceerd) duwt de diffusor en genereert geluid.

Elektrische meetinstrumenten van het magneto-elektrische systeem (bijv. analoge ampèremeters) bevatten een geïnstalleerd verwijderbaar draadframe tussen de polen van een permanente magneet… Het frame is opgehangen aan spiraalveren, waardoor de gemeten elektrische stroom door dit meetapparaat gaat, in feite door het frame.

Wanneer de stroom door het frame gaat, werkt de Ampere-kracht, evenredig met de grootte van de gegeven stroom, erop in het magnetische veld van een permanente magneet, daarom roteert het frame en vervormen de veren. Wanneer de ampèrekracht in evenwicht wordt gebracht door de veerkracht, stopt de ring met draaien en kunnen er metingen worden gedaan.

Aan het frame is een pijl bevestigd die wijst naar de schaalverdeling van het meetapparaat. De afbuighoek van de pijl blijkt evenredig te zijn met de totale stroom die door het frame gaat. Het frame bestaat meestal uit meerdere windingen (zie — Ampèremeter en voltmeter apparaat).