Общее представление об электромагнитном поле
Длительное время представления об электрическом и магнитном поле не связывались между собой. Практические эксперименты подтверждали, что каждое из них имеет свои особенные свойства. Исследования Фарадея и Максвелла показали, что существует электромагнитное поле, которое может проявлять себя как электрическое или магнитное. Его можно описать с мощью вектора напряжённости. Если знать величину и направление данного вектора, то можно рассчитать силу воздействия.
Первым из учёных, кто обратил внимание на взаимное влияние магнитного поля и тока был известный учёный Х. К. Эрстед. Он исследовал влияние проводника с текущим по нему током на положение стрелки компаса. После этого учёные стали систематически изучать различные варианты взаимодействия.
Ампер появился на свет в 1775 году в Лионе. С детства он проявлял страсть к математике. Будучи подростком, изучал труды Эйлера и Лагранжа. Профессором математики Ампер стал в 1809 году, а в 1814 году был избран в академию наук. Хотя он преимущественно занимался математикой, его интересовала физика и некоторые другие науки.
Ампер был не первым человеком, который проявил интерес к связи магнитных и электрических полей, однако он впервые постарался найти точное математическое описание происходящих процессов. Им был не только установлен факт взаимодействия между электрическими токами, но и сформулирован закон данного явления.
Ампер доказал, что проводники начинают взаимодействовать, если по каждому из них протекает ток. В этом случае между ними возникают силы отталкивания или притягивания. В 1826 году Ампер впервые опубликовал результаты своего исследования, с помощью которого он изучал взаимодействие параллельных токов.
Основываясь на экспериментах, учёный сделал предположение, которое впоследствии получило название «гипотеза Ампера». Понимая, как влияет ток на магнитное поле, он сумел доказать, что вещество состоит из совокупности чрезвычайно маленьких круговых токов. Каждый из них порождает очень слабое магнитное поле. Поскольку все эти токи ориентированы хаотично, то внешне магнитное поле практически не проявляется. Однако в магнитах все круговые токи одинаково направлены и их воздействие складывается. Этим объясняются их особые свойства и практическое использование.
Ампер, используя свой закон, также объяснил эффект намагничивания. Согласно ему, у некоторых веществ под воздействием магнитного поля происходит упорядочивание круговых токов, и они постепенно ориентируются в одну сторону.
Эта гипотеза стала одним из источников теории магнетизма. Она смогла объяснить явление только частично, так как не дала ответа на вопрос о том, почему некоторые вещества подвергаются воздействию внешнего магнитного поля незначительно. Также остался необъяснённым вопрос, почему при намагничивании одни вещества создают магнитный поток сонаправленный внешнему полю (парамагнетики), а другие — противоположно направленный (диамагнетики).
Формулировка закона Ампера
При исследовании параллельных проводников с током было выяснено, что между ними действует сила притяжения, если токи однонаправленные, и отталкивания, если токи противоположно направленные. Сила взаимодействия токов зависит пропорционально от произведения сил токов и длины проводника. Справедливо также утверждение, что она обратно пропорциональна имеющемуся между проводами расстоянию. Математическая формулировка выглядит следующим образом:
Закон Ампера в такой формулировке показывает, что расчет силы магнитного поля производится по отношению к единице длины проводника. Силу, которую проводник с током испытывает в магнитном поле, называют силой Ампера.
Взаимодействие токов возможно лишь при наличии магнитных полей вокруг проводников. Эти поля создают движущиеся заряды. У магнитов постоянных магнитное поле, как утверждает закон Ампера, тоже возникает под воздействием электрических микротоков, но только тех, которые циркулируют внутри молекул вещества.
При описании магнитного поля принято использовать силовую характеристику, аналогичную вектору напряженности электрополя. Ее называют вектором магнитной индукции и обозначают латинской буквой «B». В системе СИ за единицу измерения данной характеристики принята Тесла: 1 Тл = 1 Н/А×м.
Направление вектора МИ определяется по правилу буравчика. Если штопор направить перпендикулярно плоскости проводника с током, то движение краёв рукоятки укажет направление вектора напряжённости. Подразумевается, что рукоятка будет вращаться по ходу часовой стрелки, если наблюдать сзади.
Направление (устремление) силы Ампера
Для определения направления прибегают к правилу левой руки. Для этого Вам потребуется разместить раскрытую ладонь левой руки возле проводника таким образом, чтобы в нее входили векторы индукции магнитного поля, а четыре открытых пальца показывали направление движение тока.
Вследствие этого, большой палец укажет, куда устремлены силы Ампера и Лоренца.
Давайте вспомним, как найти направление вектора магнитной индукции… Он находится путем применения правила правой руки: четырьмя пальцами правой руки «обнять» проводник, а большой палец выпрямить под углом 90 градусов таким образом, чтоб он показывал направление тока.
Вследствие этого, четыре согнутых пальца будут изображать круги вокруг токопроводящей нити и указывать, как пробегают линии магнитного поля.
Применение в жизни
В электротехнике закон Ампера «играет» одну из самых важных «ролей». Давайте обсудим случаи его применения на практике. Электропривод — это основа практически каждого предприятия. Для передвижения или доведения до действий всевозможных систем, таких как:
- электромобили;
- трамваи;
- троллейбусы;
- автоматизированные задвижки трубопроводов;
- грузоподъемных механизмов;
- электротранспорта (электровозы на ЖД) и других,
- применяются двигатели и электромагнитные исполнительные механизмы.
В результате содействия между обмотками ротора и статора, сила вынуждает двигатель вращаться.
Чтобы заставить обмотки вращаться, их либо переключают с помощью щеточного узла и коллектора в двигателях постоянного тока, либо используют переменный ток.
Свое назначение закон Ампера нашел также в динамиках и громкоговорителях. В них осуществляется движение мембраны, на которой находится обмотка из медной проволоки в магнитном поле постоянного магнита.
Ее действие просматривается при коротких замыканиях на линиях электропередач. Там, под влиянием сверхбольших токов, провода и шины начинают изгибаться.
В рельсотроне в момент выстрела раздвигаются рельсы. Это предопределено уже вышеперечисленными причинами.
Измерительные приборы
Прямая зависимость силы Ампера от тока, проходящего через проводник, дает возможность построения электроизмерительных приборов.
Если рамку с током на пружинах поместить в магнитное поле, то угол ее поворота будет пропорционален току в рамке. Следовательно, пропустив исследуемый ток через эту рамку, можно оценить его величину. Именно так построены электроприборы магнитоэлектрической системы.
Рис. Устройство прибора магнитоэлектрической системы.
Электрический двигатель постоянного тока
Электрический двигатель применяют для преобразования энергии электрического тока в механическую энергию вращения вала двигателя. Принцип его действия подобен принципу действия электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы, описанного выше. Только в его конструкции отсутствует пружина, поэтому рамка может поворачиваться на любой угол. Электрический ток к рамке, размещенной на валу и имеющей стальной сердечник, подается через специальные скользящие контакты-щетки (рис. 2.13).
Рис. Устройство двигателя постоянного тока
При замыкании цепи питания двигателя ток проходит по рамке и она взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита или электромагнита и поворачивается до тех пор, пока ее плоскость не станет параллельной вектору магнит ной индукции. Чтобы она могла нужно сменить направление силы тока в ней, вследствие чего поменяет направлению сила Ампера, действующая на рамку с током в магнитном поле. В двигателе этот процесс осуществляется с помощью двух неподвижных графитометаллических щеток и двух полуколец на валу, к которым подведены концы рамки.
На рисунке 2.14-а показан момент, когда ток в якоре такого направления, что его полюса отталкиваются от одноименных полюсов статора. После поворачивания на некоторый угол якорь окажется в положении, когда разноименные полюса притягиваются (рис 2.14-6). Вследствие инерции якорь проходит это положение равновесия, а благодаря кольцам, которых касаются токоподводящие щетки (рис. 2.14-в), направление тока в якоре изменяется па противоположное и вращение якоря продолжается (см. рис. 2.14-а).
Pиc. Схемы, которые объясняют действие коллекторного электродвигателя постоянного тока
В промышленных образцах электродвигателей постоянного тока ротор имеет несколько рамок-обмоток. Поэтому и количество пар скользящих контактов в них больше: оно согласуется с количеством обмоток. В целом такое устройство называют коллектором. В новейших моделях двигателей постоянного тока роль коллектора выполняет специальное устройство с электронными приборами.
Таким образом, действие силы Ампера нашло применение в различных технических устройствах: электроизмерительных приборах, электрических двигателях и т. п.
Громкоговоритель
Наконец, широкое применение сила Ампера находит применение в динамических головках громкоговорителей.
Как известно в 11 классе, звук представляет собой колебания воздуха. Если взять катушку с током, поместить ее в поле постоянного магнита, а потом пропустить через нее переменный ток, то катушка в соответствии с направлением тока будет испытывать влияние силы Ампера. Причем величина этой силы будет пропорциональна величине тока. То есть, под действием переменного тока катушка придет в колебательное движение с частотой подведенного переменного тока.
Теперь, если закрепить на катушке легкий конус (он называется «диффузор»), то колебания катушки будут передаваться в воздух, а значит, в воздухе возникнут колебания — возникнет звук.
Именно так работает громкоговоритель.
Рис. Устройство громкоговорителя.
