De wet van Ampere

In dit artikel zullen we het hebben over de wet van Ampere, een van de basiswetten van de elektrodynamica. De kracht van de Ampere is tegenwoordig aan het werk in veel elektrische machines en installaties, en dankzij de kracht van de Ampere in de 20e eeuw werd vooruitgang op het gebied van elektrificatie in veel productiegebieden mogelijk. De wet van Ampere is tot op de dag van vandaag standvastig en blijft de moderne techniek trouw dienen. Dus laten we niet vergeten aan wie we deze vooruitgang te danken hebben en hoe het allemaal begon.

In 1820 kondigde de grote Franse natuurkundige Andre Marie Ampere zijn ontdekking aan. Hij sprak op de Academie van Wetenschappen over het fenomeen van de interactie van twee stroomvoerende geleiders: geleiders met tegengestelde stromen stoten elkaar af, en met gelijkstromen trekken ze elkaar aan. Ampere suggereerde ook dat magnetisme volledig elektrisch was.

De wetenschapper voerde enige tijd zijn experimenten uit en bevestigde uiteindelijk zijn veronderstelling. Ten slotte publiceerde hij in 1826 The Theory of Electrodynamic Phenomena Exclusief afgeleid van ervaring.Vanaf dat moment werd het idee van een magnetische vloeistof afgedaan als overbodig, aangezien magnetisme, zo bleek later, werd veroorzaakt door elektrische stromen.

Ampere concludeerde dat permanente magneten ook elektrische stromen binnenin hebben, cirkelvormige moleculaire en atomaire stromen loodrecht op de as die door de polen van een permanente magneet gaan. De spoel gedraagt ​​zich als een permanente magneet waar stroom in een spiraal doorheen vloeit. Ampere kreeg het volste recht om vol vertrouwen te beweren: "alle magnetische verschijnselen worden gereduceerd tot elektrische acties."

In de loop van zijn onderzoekswerk ontdekte Ampere ook de relatie tussen de kracht van interactie van stroomelementen met de grootte van deze stromen. Hij vond ook een uitdrukking voor deze kracht. Ampère wees erop dat de krachten van interactie van stromingen niet centraal staan, zoals zwaartekrachten. De formule die Ampere heeft afgeleid, staat tegenwoordig in elk handboek over elektrodynamica.

Ampere ontdekte dat stromen uit de tegenovergestelde richting elkaar afstoten en stromen uit dezelfde richting elkaar aantrekken. Als de stromen loodrecht staan, is er geen magnetische interactie tussen hen. Dit is het resultaat van het onderzoek van de wetenschapper naar de interacties van elektrische stromen als de ware grondoorzaken van magnetische interacties. Ampere ontdekte de wet van mechanische interactie van elektrische stromen en loste zo het probleem van magnetische interacties op.

Om de wetten te verduidelijken waarmee de krachten van mechanische interactie van stromen verband houden met andere grootheden, is het mogelijk om een ​​experiment uit te voeren dat vergelijkbaar is met het huidige experiment van Ampere.Hiervoor wordt een relatief lange draad met stroom I1 stationair vastgezet en een korte draad met stroom I2 beweegbaar gemaakt, bijvoorbeeld de onderkant van het beweegbare frame met stroom zal de tweede draad zijn. Het frame is verbonden met een dynamometer om de kracht F te meten die op het frame werkt wanneer de spanningvoerende geleiders evenwijdig zijn.

Aanvankelijk is het systeem gebalanceerd en is de afstand R tussen de draden van de experimentele opstelling aanzienlijk kleiner in vergelijking met de lengte l van deze draden. Het doel van het experiment is om de afstotende kracht van de draden te meten.

De stroom, in zowel stationaire als bewegende draden, kan worden geregeld met behulp van reostaten. Door de afstand R tussen de draden te veranderen, door de stroom in elk van hen te veranderen, kan men gemakkelijk afhankelijkheden vinden, zien hoe de sterkte van de mechanische interactie van de draden afhangt van de stroom en van de afstand.

Als de stroom I2 in het bewegende frame ongewijzigd blijft en de stroom I1 in de stationaire draad een bepaald aantal keren toeneemt, dan zal de kracht F van de interactie van de draden met dezelfde hoeveelheid toenemen. Evenzo ontwikkelt de situatie zich als de stroom I1 in de vaste draad ongewijzigd blijft en de stroom I2 in het frame verandert, dan verandert de interactiekracht F op dezelfde manier als wanneer de stroom I1 verandert in de stationaire draad met een constante stroom I2 in de lijst. Zo komen we tot de voor de hand liggende conclusie: de interactiekracht van de draden F is rechtevenredig met de stroom I1 en de stroom I2.

Als we nu de afstand R tussen de samenwerkende draden veranderen, blijkt dat naarmate deze afstand groter wordt, de kracht F afneemt en afneemt met dezelfde factor als de afstand R.De kracht van de mechanische interactie F van de draden met stromen I1 en I2 is dus omgekeerd evenredig met de afstand R daartussen.

Door de grootte l van de beweegbare draad te variëren, is het gemakkelijk om ervoor te zorgen dat de kracht ook recht evenredig is met de lengte van de samenwerkende zijde.

Als resultaat kunt u de evenredigheidsfactor invoeren en schrijven:

Met deze formule kun je de kracht F vinden waarmee het magnetische veld dat wordt gegenereerd door een oneindig lange geleider met een stroom I1 inwerkt op een evenwijdige sectie van een geleider met een stroom I2, terwijl de lengte van de sectie l is en R de afstand tussen de samenwerkende geleiders. Deze formule is uiterst belangrijk bij de studie van magnetisme.

De beeldverhouding kan worden uitgedrukt in termen van de magnetische constante als:

Dan krijgt de formule de vorm:

De kracht F wordt nu de kracht van Ampere genoemd, en de wet die de grootte van deze kracht bepaalt, is de wet van Ampere. De wet van Ampere wordt ook wel een wet genoemd die de kracht bepaalt waarmee een magnetisch veld inwerkt op een klein deel van een stroomvoerende geleider:

«De kracht dF waarmee het magnetische veld inwerkt op het element dl van de geleider met een stroom in het magnetische veld is rechtevenredig met de sterkte van de stroom dI in de geleider en het vectorproduct van het element met de lengte dl van de geleider en magnetische inductie B «:

De richting van de kracht van Ampère wordt bepaald door de regel voor het berekenen van het vectorproduct, wat handig is om te onthouden met behulp van de linkerhandregel, die verwijst naar basiswetten van de elektrotechniek, en de Ampere-krachtmodulus kan worden berekend met de formule:

Hier is alfa de hoek tussen de magnetische inductievector en de stroomrichting.

Het is duidelijk dat de Ampere-kracht maximaal is wanneer het element van de stroomvoerende geleider loodrecht staat op de lijnen van magnetische inductie B.

Dankzij de kracht van Ampere werken tegenwoordig veel elektrische machines, waar stroomvoerende draden met elkaar en met een elektromagnetisch veld interageren. De meeste generatoren en motoren gebruiken op de een of andere manier ampère-energie voor hun werk. De rotoren van elektromotoren draaien in het magnetische veld van hun stators als gevolg van de kracht van Ampère.

Elektrische voertuigen: trams, elektrische treinen, elektrische auto's - ze gebruiken allemaal de kracht van Ampere om hun wielen uiteindelijk te laten draaien. Elektrische sloten, liftdeuren, enz. Luidsprekers, luidsprekers - daarin interageert het magnetische veld van de huidige spoel met het magnetische veld van een permanente magneet en vormt het geluidsgolven. Ten slotte wordt het plasma gecomprimeerd in tokamaks vanwege de kracht van Ampere.