Amperen laki

Tässä artikkelissa puhumme Amperen laista, joka on yksi sähködynamiikan peruslakeista. Amperen voima toimii nykyään monissa sähkökoneissa ja -asennuksissa, ja Amperen voiman ansiosta 1900-luvulla sähköistykseen liittyvä edistysaskel tuli mahdolliseksi monilla tuotannon aloilla. Amperen laki on vankkumaton tähän päivään asti ja palvelee edelleen uskollisesti modernia suunnittelua. Muistetaan siis kenelle olemme tämän edistyksen velkaa ja miten kaikki alkoi.

Vuonna 1820 suuri ranskalainen fyysikko Andre Marie Ampere ilmoitti löydöstään. Hän puhui Tiedeakatemiassa kahden virtaa kuljettavan johtimen vuorovaikutuksen ilmiöstä: vastakkaisilla virroilla olevat johtimet hylkivät toisiaan ja tasavirroilla ne vetävät toisiaan puoleensa. Ampere ehdotti myös, että magnetismi oli täysin sähköistä.

Tiedemies suoritti jonkin aikaa kokeitaan ja vahvisti lopulta oletuksensa. Lopulta vuonna 1826 hän julkaisi teoksen The Theory of Electrodynamic Phenomena Derived Exclusively from Experience.Siitä lähtien ajatus magneettisesta nesteestä hylättiin tarpeettomana, koska magnetismi, kuten kävi ilmi, johtui sähkövirroista.

Ampere päätteli, että kestomagneeteissa on myös sähkövirtoja sisällä, pyöreitä molekyyli- ja atomivirtoja, jotka ovat kohtisuorassa kestomagneetin napojen läpi kulkevaan akseliin nähden. Kela käyttäytyy kuin kestomagneetti, jonka läpi virta kulkee spiraalina. Ampere sai täyden oikeuden vakuuttaa: "kaikki magneettiset ilmiöt pelkistyvät sähköisiin toimiin."

Tutkimustyönsä aikana Ampere havaitsi myös virta-alkioiden vuorovaikutusvoiman ja näiden virtojen voimakkuuksien välisen suhteen, hän löysi myös ilmaisun tälle voimalle. Ampère huomautti, että virtojen vuorovaikutusvoimat eivät ole keskeisiä, kuten gravitaatiovoimat. Amperen johtama kaava sisältyy nykyään jokaiseen sähködynamiikan oppikirjaan.

Ampere havaitsi, että vastakkaisesta suunnasta tulevat virrat hylkivät ja samasta suunnasta tulevat virrat vetävät puoleensa, jos virrat ovat kohtisuorassa, niiden välillä ei ole magneettista vuorovaikutusta. Tämä on tulos tiedemiehen tutkimuksesta sähkövirtojen vuorovaikutuksista magneettisten vuorovaikutusten todellisina syinä. Ampere löysi sähkövirtojen mekaanisen vuorovaikutuksen lain ja ratkaisi siten magneettisten vuorovaikutusten ongelman.

Selvittääksemme lakeja, joilla virtojen mekaanisen vuorovaikutuksen voimat liittyvät muihin suureisiin, on mahdollista suorittaa Amperen kokeen kaltainen koe nykyään.Tätä varten suhteellisen pitkä johdin virralla I1 kiinnitetään kiinteästi ja lyhyt johdin virralla I2 tehdään liikkuvaksi, esimerkiksi liikkuvan rungon alasivu virralla on toinen johdin. Runko on kytketty dynamometriin mittaamaan runkoon vaikuttavaa voimaa F jännitteellisten johtimien ollessa rinnakkain.

Aluksi järjestelmä on tasapainotettu ja kokeellisen asennuksen johtimien välinen etäisyys R on huomattavasti pienempi verrattuna näiden johtimien pituuteen l. Kokeen tarkoituksena on mitata lankojen hylkimisvoimaa.

Sekä kiinteissä että liikkuvissa johtimissa olevaa virtaa voidaan säätää reostaateilla. Muuttamalla johtojen välistä etäisyyttä R, muuttamalla virtaa kussakin niistä, voidaan helposti löytää riippuvuuksia, nähdä kuinka johtojen mekaanisen vuorovaikutuksen voimakkuus riippuu virrasta ja etäisyydestä.

Jos virta I2 liikkuvassa kehyksessä pysyy muuttumattomana ja kiinteässä johdossa oleva virta I1 kasvaa tietyn määrän kertoja, niin johtimien vuorovaikutuksen voima F kasvaa saman verran. Vastaavasti tilanne kehittyy, jos kiinteässä johdossa oleva virta I1 pysyy muuttumattomana ja kehyksessä oleva virta I2 muuttuu, niin vuorovaikutusvoima F muuttuu samalla tavalla kuin kun virta I1 muuttuu kiinteässä johdossa vakiovirralla I2 kehys. Siten tulemme ilmeiseen johtopäätökseen - johtimien F vuorovaikutusvoima on suoraan verrannollinen virtaan I1 ja virtaan I2.

Jos nyt muutetaan vuorovaikutuksessa olevien johtimien välistä etäisyyttä R, käy ilmi, että tämän etäisyyden kasvaessa voima F pienenee ja pienenee samalla kertoimella kuin etäisyys R.Siten virtojen I1 ja I2 johtojen mekaanisen vuorovaikutuksen F voima on kääntäen verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen R.

Vaihtelemalla liikkuvan langan kokoa l on helppo varmistaa, että voima on myös suoraan verrannollinen vuorovaikutuksessa olevan puolen pituuteen.

Tämän seurauksena voit syöttää suhteellisuustekijän ja kirjoittaa:

Tämän kaavan avulla voit löytää voiman F, jolla äärettömän pitkän johtimen, jolla on virta I1, synnyttämä magneettikenttä vaikuttaa johdin yhdensuuntaiseen osaan virralla I2, kun taas osan pituus on l ja R on etäisyys vuorovaikutuksessa olevien johtimien välillä. Tämä kaava on erittäin tärkeä magnetismin tutkimuksessa.

Kuvasuhde voidaan ilmaista magneettivakiolla seuraavasti:

Sitten kaava saa muotoa:

Voimaa F kutsutaan nyt Amperen voimaksi, ja laki, joka määrittää tämän voiman suuruuden, on Amperen laki. Amperen lakia kutsutaan myös laiksi, joka määrittää voiman, jolla magneettikenttä vaikuttaa pieneen osaan virtaa kuljettavaa johinta:

«Voima dF, jolla magneettikenttä vaikuttaa johtimen elementtiin dl magneettikentässä olevalla virralla, on suoraan verrannollinen johtimessa olevan virran dI voimakkuuteen ja elementin vektorituloon, jonka pituus on dl. johdin ja magneettinen induktio B «:

Amperen voiman suunta määräytyy vektoritulon laskentasäännöllä, joka on kätevä muistaa vasemman käden säännöllä, joka viittaa sähkötekniikan peruslait, ja ampeerivoimamoduuli voidaan laskea kaavalla:

Tässä alfa on magneettisen induktiovektorin ja virran suunnan välinen kulma.

Ilmeisesti ampeerivoima on suurin, kun virtaa johtavan johtimen elementti on kohtisuorassa magneettisen induktion B linjoja vastaan.

Amperen tehon ansiosta monet sähkökoneet toimivat nykyään, joissa virtaa kuljettavat johdot ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja sähkömagneettisen kentän kanssa. Suurin osa generaattoreista ja moottoreista käyttää tavalla tai toisella ampeeritehoa työssään. Sähkömoottoreiden roottorit pyörivät staattoriensa magneettikentässä Amperen voiman vaikutuksesta.

Sähköajoneuvot: raitiovaunut, sähköjunat, sähköautot – ne kaikki käyttävät Amperen voimaa saadakseen pyöränsä lopulta kääntymään. Sähkölukot, hissien ovet jne. Kaiuttimet, kaiuttimet - niissä virtakäämin magneettikenttä on vuorovaikutuksessa kestomagneetin magneettikentän kanssa muodostaen ääniaaltoja. Lopuksi plasma puristuu tokamakeissa Amperen voiman vaikutuksesta.