アンペールの法則
この記事では、電気力学の基本法則の 1 つであるアンペールの法則について説明します。アンペールの力は今日多くの電気機械や施設で働いており、20 世紀のアンペールの力のおかげで、多くの生産分野での電化に関連した進歩が可能になりました。アンペールの法則は今日に至るまで確固として存在し、現代の工学に忠実に貢献し続けています。それでは、私たちがこの進歩を遂げたのは誰のおかげなのか、そしてそれがどのように始まったのかを思い出してみましょう。
1820 年、フランスの偉大な物理学者アンドレ マリー アンペールが発見を発表しました。彼は科学アカデミーで、電流が流れる 2 本の導体の相互作用の現象について講演しました。反対の電流を流す導体は互いに反発し、直流電流を流す導体は互いに引き付けます。アンペールはまた、磁気は完全に電気的なものであると示唆しました。
しばらくの間、科学者は実験を行い、最終的に彼の仮説を確認しました。最後に、1826 年に、彼は「経験からのみ導出された電気力学的現象の理論」を出版しました。その時点から、磁気は電流によって引き起こされることが判明したため、磁性流体のアイデアは不要なものとして却下されました。
アンペールは、永久磁石の内部にも電流があり、永久磁石の極を通過する軸に垂直な円形の分子電流と原子電流が流れていると結論付けました。コイルは永久磁石のように動作し、電流がらせん状に流れます。アンペールは、「すべての磁気現象は電気的作用に還元される」と自信を持って主張する完全な権利を受け取りました。
アンペールは研究活動の過程で、電流要素の相互作用の力と電流の大きさとの関係も発見し、この力の表現も見つけました。アンペールは、海流の相互作用の力は重力のような中心的なものではないと指摘しました。アンペールが導き出した公式は、今日の電気力学のすべての教科書に掲載されています。
アンペールは、反対方向からの電流は反発し、同じ方向からの電流は引き合うことを発見しました。電流が垂直であれば、それらの間に磁気相互作用は存在しません。これは、磁気相互作用の真の根本原因として電流の相互作用を科学者が調査した結果です。アンペールは電流の機械的相互作用の法則を発見し、磁気相互作用の問題を解決しました。
電流の機械的相互作用の力が他の量に関係する法則を明らかにするために、今日のアンペールの実験と同様の実験を行うことが可能です。これを行うには、電流 I1 の比較的長いワイヤを固定し、電流 I2 の短いワイヤを可動にします。たとえば、電流が流れる可動フレームの下側が 2 番目のワイヤになります。フレームは動力計に接続されており、通電導体が平行なときにフレームに作用する力 F を測定します。
最初は、システムのバランスが取れており、実験セットアップのワイヤ間の距離 R は、これらのワイヤの長さ l に比べて大幅に小さくなります。実験の目的は、ワイヤーの反発力を測定することです。
固定ワイヤと可動ワイヤの両方の電流は加減抵抗器を使用して調整できます。ワイヤ間の距離 R を変更し、各ワイヤの電流を変更すると、依存関係を簡単に見つけることができ、ワイヤの機械的相互作用の強さが電流と距離にどのように依存するかを確認できます。
可動フレームの電流 I2 が変化せず、固定ワイヤの電流 I1 が一定の数だけ増加すると、ワイヤの相互作用の力 F は同じ量だけ増加します。同様に、固定ワイヤの電流 I1 が変化せず、フレームの電流 I2 が変化すると状況が発生します。その場合、相互作用力 F は、定電流 I2 により固定ワイヤの電流 I1 が変化した場合と同じように変化します。フレーム。したがって、ワイヤ F の相互作用の力は電流 I1 と電流 I2 に正比例するという明らかな結論に達します。
ここで、相互作用するワイヤ間の距離 R を変更すると、この距離が増加するにつれて、力 F が減少し、距離 R と同じ係数で減少することがわかります。したがって、電流 I1 および I2 によるワイヤの機械的相互作用 F の力は、ワイヤ間の距離 R に反比例します。
可動ワイヤのサイズ l を変えることにより、力が相互作用する側の長さに直接比例することを簡単に確認できます。
その結果、比例係数を入力して次のように書くことができます。
この式を使用すると、電流 I1 が流れる無限に長い導体によって生成される磁場が、電流 I2 が流れる導体の平行セクションに作用する力 F を求めることができます。このとき、セクションの長さを l、距離を R とします。相互作用する導体間で。この公式は磁気の研究において非常に重要です。
アスペクト比は磁気定数で次のように表すことができます。
すると、式は次のような形式になります。
力 F は現在アンペール力と呼ばれており、この力の大きさを決める法則がアンペールの法則です。アンペールの法則は、電流が流れる導体の小さな部分に磁場が作用する力を決定する法則とも呼ばれます。
「磁場中の電流によって磁場が導体の要素 dl に作用する力 df は、導体を流れる電流の強さ dI と、要素と導体の長さ dl のベクトル積に直接比例します。導体と磁気誘導 B «:
アンペールの力の方向は、ベクトル積を計算するための規則によって決まります。これは、左手の法則を使用して覚えておくと便利です。 電気工学の基本法則、アンペア力係数は次の式で計算できます。
ここで、α は磁気誘導ベクトルと電流の方向の間の角度です。
明らかに、電流が流れる導体の要素が磁気誘導線 B に垂直なときにアンペア力が最大になります。
アンペールの力のおかげで、今日では多くの電気機械が動作しており、電流が流れるワイヤが相互に、また電磁場と相互作用しています。発電機やモーターの大部分は、何らかの形で動作にアンペア電力を使用します。電気モーターの回転子は、アンペールの力により固定子の磁場の中で回転します。
電気自動車: 路面電車、電車、電気自動車はすべて、最終的に車輪を回転させるためにアンペールの力を使用します。電気錠、エレベーターのドアなど。スピーカー、スピーカー - その中で、電流コイルの磁場が永久磁石の磁場と相互作用し、音波を形成します。最後に、プラズマはアンペールの力によりトカマク内に圧縮されます。