חוק אמפר

במאמר זה נדבר על חוק אמפר, אחד מחוקי היסוד של האלקטרודינמיקה. כוחו של האמפר פועל כיום במכונות ומתקנים חשמליים רבים, ובזכות כוחו של האמפר במאה ה-20, התאפשרה התקדמות הקשורה לחשמול בתחומי ייצור רבים. חוק אמפר איתן עד היום וממשיך לשרת נאמנה את ההנדסה המודרנית. אז בואו נזכור למי אנחנו חייבים את ההתקדמות הזו ואיך הכל התחיל.

בשנת 1820, הפיזיקאי הצרפתי הגדול אנדרה מארי אמפר הכריז על תגליתו. הוא דיבר באקדמיה למדעים על תופעת האינטראקציה של שני מוליכים נושאי זרם: מוליכים עם זרמים מנוגדים דוחים זה את זה, ועם זרמים ישרים הם מושכים זה את זה. אמפר גם הציע שהמגנטיות היא חשמלית לחלוטין.

במשך זמן מה, המדען ערך את הניסויים שלו ובסופו של דבר אישר את הנחתו. לבסוף, בשנת 1826, הוא פרסם את התיאוריה של תופעות אלקטרודינמיות שנגזרות אך ורק מניסיון.מנקודה זו ואילך, הרעיון של נוזל מגנטי נדחה כלא הכרחי, מכיוון שהמגנטיות, כפי שהתברר, נגרמה על ידי זרמים חשמליים.

אמפר הגיע למסקנה שלמגנטים קבועים יש גם זרמים חשמליים בפנים, זרמים מולקולריים ואטומיים מעגליים בניצב לציר העובר דרך הקטבים של מגנט קבוע. הסליל מתנהג כמו מגנט קבוע שדרכו זורם זרם בספירלה. אמפר קיבל את הזכות המלאה לטעון בביטחון: "כל התופעות המגנטיות מצטמצמות לפעולות חשמליות".

במהלך עבודת המחקר שלו, אמפר גם גילה את הקשר בין כוח האינטראקציה של אלמנטים זרם עם גדלים של זרמים אלה, הוא גם מצא ביטוי לכוח זה. אמפר ציין כי כוחות האינטראקציה של זרמים אינם מרכזיים, כמו כוחות הכבידה. הנוסחה שהפיק אמפר כלולה היום בכל ספרי לימוד על אלקטרודינמיקה.

אמפר מצא שזרמים מהכיוון ההפוך דוחים וזרמים מאותו כיוון מושכים, אם הזרמים מאונכים אז אין ביניהם אינטראקציה מגנטית. זו התוצאה של חקירתו של המדען על האינטראקציות של זרמים חשמליים כגורמים השורשיים האמיתיים לאינטראקציות מגנטיות. אמפר גילה את חוק האינטראקציה המכנית של זרמים חשמליים ובכך פתר את בעיית האינטראקציות המגנטיות.

על מנת להבהיר את החוקים שלפיהם כוחות האינטראקציה המכנית של זרמים קשורים לכמויות אחרות, ניתן לערוך ניסוי דומה לניסוי של אמפר כיום.כדי לעשות זאת, חוט ארוך יחסית עם זרם I1 קבוע נייח, וחוט קצר עם זרם I2 נעשה מזיז, למשל, הצד התחתון של המסגרת הנעה עם זרם יהיה החוט השני. המסגרת מחוברת לדינמומטר כדי למדוד את הכוח F הפועל על המסגרת כאשר המוליכים החיים מקבילים.

בתחילה, המערכת מאוזנת והמרחק R בין החוטים של מערך הניסוי קטן משמעותית בהשוואה לאורכם l של החוטים הללו. מטרת הניסוי היא למדוד את כוח הדחייה של החוטים.

ניתן לווסת את הזרם, הן בחוטים נייחים והן בחוטים נעים, באמצעות ריאוסטטים. על ידי שינוי המרחק R בין החוטים, על ידי שינוי הזרם בכל אחד מהם, ניתן למצוא בקלות תלות, לראות כיצד עוצמת האינטראקציה המכנית של החוטים תלויה בזרם ובמרחק.

אם הזרם I2 במסגרת הנעה אינו משתנה והזרם I1 בחוט הנייח גדל במספר מסוים של פעמים, אז הכוח F של האינטראקציה בין החוטים יגדל באותה כמות. באופן דומה, המצב מתפתח אם הזרם I1 בחוט הקבוע אינו משתנה והזרם I2 במסגרת משתנה, אז כוח האינטראקציה F משתנה באותו אופן כמו כאשר הזרם I1 משתנה בחוט הנייח עם זרם קבוע I2 ב המסגרת. כך אנו מגיעים למסקנה המתבקשת - כוח האינטראקציה של החוטים F עומד ביחס ישר לזרם I1 ולזרם I2.

אם נשנה כעת את המרחק R בין החוטים המתקשרים, מסתבר שככל שהמרחק הזה גדל, הכוח F יורד ויורד באותו גורם כמו המרחק R.לפיכך, כוח האינטראקציה המכנית F של החוטים עם הזרמים I1 ו-I2 הוא ביחס הפוך למרחק R ביניהם.

על ידי שינוי בגודל l של החוט הניתן להזזה, קל להבטיח שהכוח יהיה גם פרופורציונלי ישר לאורך הצד המתקשר.

כתוצאה מכך, אתה יכול להזין את גורם המידתיות ולכתוב:

נוסחה זו מאפשרת לך למצוא את הכוח F שבו פועל השדה המגנטי שנוצר על ידי מוליך ארוך לאין שיעור עם זרם I1 על קטע מקביל של מוליך עם זרם I2, בעוד שאורך הקטע הוא l ו-R הוא המרחק בין המוליכים המקיימים אינטראקציה. נוסחה זו חשובה ביותר בחקר המגנטיות.

ניתן לבטא את יחס הרוחב-גובה במונחים של הקבוע המגנטי כ:

אז הנוסחה תקבל את הצורה:

הכוח F נקרא כעת כוח אמפר, והחוק הקובע את גודל הכוח הזה הוא חוק אמפר. חוק אמפר נקרא גם חוק שקובע את הכוח שבו פועל שדה מגנטי על קטע קטן של מוליך נושא זרם:

«הכוח dF שבו פועל השדה המגנטי על היסוד dl של המוליך עם זרם בשדה המגנטי עומד ביחס ישר לעוצמת הזרם dI במוליך והמכפלה הווקטורית של היסוד באורך dl של ה. מוליך ואינדוקציה מגנטית B «:

כיוון הכוח של אמפר נקבע על ידי הכלל לחישוב המכפלה הווקטורית, שנוח לזכור אותו באמצעות כלל יד שמאל, המתייחס ל חוקי יסוד של הנדסת חשמל, וניתן לחשב את מודול כוח אמפר על ידי הנוסחה:

כאן, אלפא היא הזווית בין וקטור האינדוקציה המגנטי לכיוון הזרם.

ברור שכוח האמפר הוא מקסימלי כאשר האלמנט של המוליך נושא הזרם מאונך לקווי האינדוקציה המגנטית B.

הודות לכוחו של אמפר, פועלות כיום מכונות חשמליות רבות, בהן חוטים נושאי זרם מתקשרים זה עם זה ועם שדה אלקטרומגנטי. רוב הגנרטורים והמנועים משתמשים בדרך זו או אחרת בכוח אמפר בעבודתם. הרוטורים של מנועים חשמליים מסתובבים בשדה המגנטי של הסטטורים שלהם בגלל הכוח של אמפר.

כלי רכב חשמליים: חשמליות, רכבות חשמליות, מכוניות חשמליות - כולם משתמשים בכוח של אמפר כדי לגרום לגלגלים שלהם להסתובב בסופו של דבר. מנעולים חשמליים, דלתות מעליות וכו' רמקולים, רמקולים - בהם השדה המגנטי של סליל הזרם מקיים אינטראקציה עם השדה המגנטי של מגנט קבוע ויוצרים גלי קול. לבסוף, הפלזמה נדחסת בטוקאמקים בגלל הכוח של אמפר.