Định luật Ampe

Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về định luật Ampe, một trong những định luật cơ bản của điện động lực học. Lực Ampe ngày nay đang hoạt động trong nhiều máy móc và thiết bị điện, và nhờ lực Ampe trong thế kỷ 20, những tiến bộ liên quan đến điện khí hóa trong nhiều lĩnh vực sản xuất đã trở nên khả thi. Định luật Ampe vẫn tồn tại cho đến ngày nay và tiếp tục phục vụ trung thành cho kỹ thuật hiện đại. Vì vậy, hãy nhớ chúng ta nợ ai để đạt được tiến bộ này và tất cả đã bắt đầu như thế nào.

Năm 1820, nhà vật lý vĩ đại người Pháp Andre Marie Ampere công bố khám phá của mình. Ông đã phát biểu tại Viện Hàn lâm Khoa học về hiện tượng tương tác của hai dây dẫn mang dòng điện: các dây dẫn có dòng điện ngược chiều thì đẩy nhau và có dòng điện một chiều thì hút nhau. Ampere cũng cho rằng từ tính hoàn toàn là điện.

Trong một thời gian, nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm của mình và cuối cùng xác nhận giả định của mình. Cuối cùng, vào năm 1826, ông xuất bản Lý thuyết về Hiện tượng Điện động học Xuất phát Hoàn toàn từ Kinh nghiệm.Kể từ thời điểm đó, ý tưởng về chất lỏng từ tính đã bị bác bỏ vì cho rằng không cần thiết, vì hóa ra từ tính là do dòng điện gây ra.

Ampere kết luận rằng nam châm vĩnh cửu cũng có dòng điện bên trong, dòng điện phân tử và nguyên tử hình tròn vuông góc với trục đi qua các cực của nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây hoạt động giống như một nam châm vĩnh cửu mà qua đó dòng điện chạy theo hình xoắn ốc. Ampere có toàn quyền khẳng định một cách tự tin: "tất cả các hiện tượng từ tính đều quy về các hoạt động điện."

Trong quá trình làm công việc nghiên cứu của mình Ampere cũng đã phát hiện ra mối quan hệ giữa lực tương tác của các phần tử dòng điện với độ lớn của các dòng điện này, ông cũng đã tìm ra biểu thức của lực này. Ampère đã chỉ ra rằng lực tương tác của các dòng điện không phải là trung tâm, giống như lực hấp dẫn. Công thức mà Ampere dẫn xuất được bao gồm trong mọi sách giáo khoa về điện động lực học ngày nay.

Ampere phát hiện ra rằng các dòng điện ngược chiều đẩy nhau và các dòng điện cùng chiều hút nhau, nếu các dòng điện vuông góc thì không có tương tác từ giữa chúng. Đây là kết quả nghiên cứu của nhà khoa học về sự tương tác của dòng điện với tư cách là nguyên nhân gốc rễ thực sự của tương tác từ tính. Ampe phát hiện ra quy luật tương tác cơ học của dòng điện và nhờ đó giải quyết được vấn đề tương tác từ.

Để làm sáng tỏ các định luật liên quan giữa lực tương tác cơ học của dòng điện với các đại lượng khác, có thể tiến hành một thí nghiệm tương tự như thí nghiệm của Ampe ngày nay.Để làm điều này, một dây tương đối dài với dòng điện I1 được cố định cố định và một dây ngắn với dòng điện I2 được làm cho có thể di chuyển được, ví dụ, dây thứ hai sẽ là mặt dưới của khung di động có dòng điện. Khung được nối với một lực kế để đo lực F tác dụng lên khung khi các dây dẫn mang điện song song.

Ban đầu, hệ thống được cân bằng và khoảng cách R giữa các dây của thiết lập thử nghiệm nhỏ hơn đáng kể so với chiều dài l của các dây này. Mục đích của thí nghiệm là đo lực đẩy của các sợi dây.

Dòng điện, trong cả dây cố định và dây chuyển động, có thể được điều chỉnh bằng biến trở. Bằng cách thay đổi khoảng cách R giữa các dây, bằng cách thay đổi cường độ dòng điện trong mỗi dây, người ta có thể dễ dàng tìm ra các quan hệ phụ thuộc, xem cường độ tương tác cơ học của các dây phụ thuộc vào cường độ dòng điện và khoảng cách như thế nào.

Nếu cường độ dòng điện I2 trong khung chuyển động không đổi và cường độ dòng điện I1 trong khung đứng yên tăng một lượng nào đó thì lực F tương tác giữa các dây cũng tăng một lượng như vậy. Tương tự, tình huống phát triển nếu dòng điện I1 trong dây cố định không đổi và dòng điện I2 trong khung thay đổi, thì lực tương tác F thay đổi giống như khi dòng điện I1 thay đổi trong dây cố định với dòng điện I2 không đổi trong khung. Do đó, chúng ta đi đến kết luận hiển nhiên — lực tương tác của các dây F tỷ lệ thuận với dòng điện I1 và dòng điện I2.

Nếu bây giờ chúng ta thay đổi khoảng cách R giữa các dây tương tác, thì hóa ra khi khoảng cách này tăng lên, lực F sẽ giảm và giảm theo cùng hệ số với khoảng cách R.Như vậy lực tương tác cơ học F của các dây dẫn có dòng điện I1 và I2 tỉ lệ nghịch với khoảng cách R giữa chúng.

Bằng cách thay đổi kích thước l của dây di động, có thể dễ dàng đảm bảo rằng lực cũng tỷ lệ thuận với chiều dài của mặt tương tác.

Do đó, bạn có thể nhập hệ số tỷ lệ và viết:

Công thức này cho phép bạn tìm lực F mà từ trường được tạo ra bởi một dây dẫn dài vô hạn có dòng điện I1 tác dụng lên một tiết diện song song của một dây dẫn có dòng điện I2, trong khi chiều dài của tiết diện là l và R là khoảng cách giữa các vật dẫn tương tác. Công thức này cực kỳ quan trọng trong việc nghiên cứu từ tính.

Tỷ lệ khung hình có thể được biểu thị theo hằng số từ tính như:

Khi đó công thức sẽ có dạng:

Lực F bây giờ được gọi là lực Ampe và định luật xác định độ lớn của lực này là định luật Ampe. Định luật Ampe còn được gọi là định luật xác định lực mà từ trường tác dụng lên tiết diện nhỏ của dây dẫn mang dòng điện:

«Lực dF mà từ trường tác dụng lên phần tử dl của dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện dI trong dây dẫn và tích vectơ của phần tử có chiều dài dl của dây dẫn dây dẫn và cảm ứng từ B «:

Hướng của lực Ampe được xác định theo quy tắc tính tích vectơ, dễ nhớ bằng cách sử dụng quy tắc bàn tay trái, nghĩa là định luật cơ bản của kỹ thuật điện, và mô đun lực Ampe có thể được tính theo công thức:

Ở đây, alpha là góc giữa vectơ cảm ứng từ và hướng dòng điện.

Rõ ràng, lực Ampe cực đại khi phần tử của dây dẫn mang dòng điện vuông góc với các đường cảm ứng từ B.

Nhờ sức mạnh của Ampe, nhiều máy điện hoạt động ngày nay, nơi các dây dẫn mang dòng điện tương tác với nhau và với trường điện từ. Phần lớn các máy phát điện và động cơ bằng cách này hay cách khác sử dụng năng lượng Ampe trong công việc của họ. Rôto của động cơ điện quay trong từ trường của stato do lực của Ampe.

Phương tiện điện: xe điện, tàu điện, ô tô điện — tất cả đều sử dụng năng lượng của Ampere để cuối cùng làm cho bánh xe của chúng quay. Ổ khóa điện, cửa thang máy, v.v. Loa, loa phóng thanh - trong đó từ trường của cuộn dây hiện tại tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo thành sóng âm thanh. Cuối cùng, plasma được nén trong tokamaks do lực của Ampere.