Legge di Ampere

In questo articolo parleremo della legge di Ampere, una delle leggi fondamentali dell'elettrodinamica. La forza di Ampere è oggi all'opera in molte macchine e impianti elettrici e grazie alla forza di Ampere nel XX secolo sono stati possibili progressi legati all'elettrificazione in molte aree di produzione. La legge di Ampere è ferma fino ad oggi e continua a servire fedelmente l'ingegneria moderna. Quindi ricordiamo a chi dobbiamo questo progresso e come tutto è iniziato.

Nel 1820, il grande fisico francese Andre Marie Ampere annunciò la sua scoperta. Ha parlato all'Accademia delle scienze del fenomeno dell'interazione di due conduttori percorsi da corrente: i conduttori con correnti opposte si respingono e con correnti continue si attraggono. Ampere suggerì anche che il magnetismo fosse interamente elettrico.

Per qualche tempo, lo scienziato ha condotto i suoi esperimenti e alla fine ha confermato la sua ipotesi. Infine, nel 1826, pubblicò La teoria dei fenomeni elettrodinamici derivati ​​esclusivamente dall'esperienza.Da quel momento in poi, l'idea di un fluido magnetico fu respinta come non necessaria, poiché il magnetismo, come risultò, era causato da correnti elettriche.

Ampere ha concluso che i magneti permanenti hanno anche correnti elettriche all'interno, correnti circolari molecolari e atomiche perpendicolari all'asse che passa attraverso i poli di un magnete permanente. La bobina si comporta come un magnete permanente attraverso il quale la corrente scorre a spirale. Ampere ha avuto il pieno diritto di affermare con sicurezza: "tutti i fenomeni magnetici sono ridotti ad azioni elettriche".

Nel corso del suo lavoro di ricerca, Ampere ha anche scoperto la relazione tra la forza di interazione degli elementi correnti con le grandezze di queste correnti, ha anche trovato un'espressione per questa forza. Ampère ha sottolineato che le forze di interazione delle correnti non sono centrali, come le forze gravitazionali. La formula derivata da Ampere è inclusa oggi in ogni libro di testo sull'elettrodinamica.

Ampere ha scoperto che le correnti dalla direzione opposta si respingono e le correnti dalla stessa direzione si attraggono, se le correnti sono perpendicolari allora non c'è interazione magnetica tra di loro. Questo è il risultato dell'indagine dello scienziato sulle interazioni delle correnti elettriche come le vere cause alla radice delle interazioni magnetiche. Ampere scoprì la legge dell'interazione meccanica delle correnti elettriche e risolse così il problema delle interazioni magnetiche.

Per chiarire le leggi in base alle quali le forze di interazione meccanica delle correnti sono correlate ad altre quantità, è possibile condurre oggi un esperimento simile all'esperimento di Ampere.Per fare ciò, un filo relativamente lungo con corrente I1 viene fissato stazionario e un filo corto con corrente I2 viene reso mobile, ad esempio, il lato inferiore del telaio mobile con corrente sarà il secondo filo. Il telaio è collegato ad un dinamometro per misurare la forza F che agisce sul telaio quando i conduttori attivi sono paralleli.

Inizialmente il sistema è bilanciato e la distanza R tra i fili del dispositivo sperimentale è significativamente minore rispetto alla lunghezza l di questi fili. Lo scopo dell'esperimento è misurare la forza repulsiva dei fili.

La corrente, sia nei fili fissi che in movimento, può essere regolata tramite reostati. Cambiando la distanza R tra i fili, cambiando la corrente in ciascuno di essi, si possono facilmente trovare dipendenze, vedere come la forza dell'interazione meccanica dei fili dipende dalla corrente e dalla distanza.

Se la corrente I2 nel telaio mobile rimane invariata e la corrente I1 nel filo stazionario aumenta di un certo numero di volte, allora la forza F dell'interazione dei fili aumenterà della stessa quantità. Allo stesso modo, la situazione si sviluppa se la corrente I1 nel filo fisso rimane invariata e la corrente I2 nel telaio cambia, quindi la forza di interazione F cambia allo stesso modo di quando la corrente I1 cambia nel filo fisso con una corrente costante I2 in la cornice. Così arriviamo all'ovvia conclusione: la forza di interazione dei fili F è direttamente proporzionale alla corrente I1 e alla corrente I2.

Se ora cambiamo la distanza R tra i fili interagenti, risulta che all'aumentare di questa distanza, la forza F diminuisce e diminuisce dello stesso fattore della distanza R.Pertanto, la forza dell'interazione meccanica F dei fili con le correnti I1 e I2 è inversamente proporzionale alla distanza R tra loro.

Variando la dimensione l del filo mobile, è facile assicurarsi che la forza sia anche direttamente proporzionale alla lunghezza del lato di interazione.

Di conseguenza, puoi inserire il fattore di proporzionalità e scrivere:

Questa formula permette di trovare la forza F con cui il campo magnetico generato da un conduttore infinitamente lungo con una corrente I1 agisce su una sezione parallela di un conduttore con una corrente I2, mentre la lunghezza della sezione è l e R è la distanza tra i conduttori interagenti. Questa formula è estremamente importante nello studio del magnetismo.

Il rapporto di aspetto può essere espresso in termini di costante magnetica come:

Quindi la formula assumerà la forma:

La forza F è ora chiamata forza di Ampere, e la legge che determina l'entità di questa forza è la legge di Ampere. La legge di Ampere è anche chiamata legge che determina la forza con cui un campo magnetico agisce su una piccola sezione di un conduttore percorso da corrente:

«La forza dF con cui il campo magnetico agisce sull'elemento dl del conduttore con una corrente nel campo magnetico è direttamente proporzionale all'intensità della corrente dI nel conduttore e al prodotto vettoriale dell'elemento per la lunghezza dl del conduttore e induzione magnetica B «:

La direzione della forza di Ampere è determinata dalla regola per il calcolo del prodotto vettoriale, che è conveniente ricordare utilizzando la regola della mano sinistra, che fa riferimento a leggi fondamentali dell'ingegneria elettrica, e il modulo di forza Ampere può essere calcolato con la formula:

Qui, alfa è l'angolo tra il vettore di induzione magnetica e la direzione corrente.

Ovviamente, la forza Ampere è massima quando l'elemento del conduttore percorso da corrente è perpendicolare alle linee di induzione magnetica B.

Grazie alla potenza di Ampere, oggi funzionano molte macchine elettriche, dove fili percorsi da corrente interagiscono tra loro e con un campo elettromagnetico. La maggior parte dei generatori e dei motori, in un modo o nell'altro, utilizza la potenza di Ampere nel proprio lavoro. I rotori dei motori elettrici ruotano nel campo magnetico dei loro statori a causa della forza di Ampere.

Veicoli elettrici: tram, treni elettrici, auto elettriche: usano tutti la potenza di Ampere per far girare le ruote. Serrature elettriche, porte dell'ascensore, ecc. Altoparlanti, altoparlanti: in essi il campo magnetico della bobina di corrente interagisce con il campo magnetico di un magnete permanente, formando onde sonore. Infine, il plasma viene compresso in tokamak a causa della forza di Ampere.