Anwendung der Kraftwirkung von Ampere in der Technik
Im Jahr 1820 machte der dänische Physiker Hans Christian Oersted eine grundlegende Entdeckung: Die Magnetnadel eines Kompasses wird durch einen von Gleichstrom durchflossenen Draht abgelenkt. So stellte der Wissenschaftler in einem Experiment fest, dass das Magnetfeld des Stroms genau senkrecht zum Strom gerichtet ist und nicht parallel dazu, wie man annehmen könnte.
Der französische Physiker Andre-Marie Ampere war von der Demonstration von Oersteds Experiment so begeistert, dass er beschloss, seine Forschungen in dieser Richtung auf eigene Faust fortzusetzen.
Ampere konnte nachweisen, dass nicht nur eine Magnetnadel von einem stromdurchflossenen Leiter abgelenkt wird, sondern dass sich auch zwei parallele, von Gleichströmen durchflossene Leiter gegenseitig anziehen oder abstoßen können – je nachdem, in welche Richtung sie sich relativ zueinander bewegen, die Ströme in diesen Drähte.
Es stellte sich heraus, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt und das Magnetfeld bereits auf einen anderen Strom einwirkt.Ampere kam zu dem Schluss, dass ein stromdurchflossener Draht nur deshalb auch auf einen Permanentmagneten (Pfeil) wirkt, weil viele mikroskopische Ströme auch im Inneren des Magneten in geschlossenen Bahnen fließen und in der Praxis, obwohl die Magnetfelder interagieren, die Quellen dieser Magnetfelder, die Ströme, sind , werden abgestoßen. Ohne Ströme gäbe es keine magnetische Wechselwirkung.
Infolgedessen entdeckte Ampere im selben Jahr 1820 das Gesetz, nach dem elektrische Gleichströme interagieren. Leiter mit in eine Richtung gerichteten Strömen ziehen sich gegenseitig an und Leiter mit entgegengesetzt gerichteten Strömen stoßen sich ab (siehe - Ampere-Gesetz).
Als Ergebnis seiner experimentellen Arbeit fand Ampere heraus, dass die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Draht in einem Magnetfeld wirkt, linear sowohl von der Stärke des Stroms I im Draht als auch von der Stärke der Induktion B des Magnetfelds abhängt in dem dieser Draht verlegt ist.
Das Amperesche Gesetz lässt sich wie folgt formulieren. Die Kraft dF, mit der das Magnetfeld auf ein Stromelement dI einwirkt, das sich in einem Magnetfeld der Induktion B befindet, ist direkt proportional zum Strom und dem Vektorprodukt aus der Länge des leitenden Elements dL und der magnetischen Induktion B.
Die Richtung der Ampere-Kraft kann durch die Linke-Hand-Regel bestimmt werden. Diese Kraft ist am größten, wenn der Draht senkrecht zu den magnetischen Induktionslinien verläuft. Im Prinzip ist die Amperestärke für einen Draht der Länge L, der einen Strom I durchfließt und in einem magnetischen Induktionsfeld B in einem Winkel Alpha zu den Kraftlinien des Magnetfelds angeordnet ist, gleich:
Heute lässt sich argumentieren, dass alle elektrischen Bauteile, bei denen eine elektromagnetische Wirkung ein Element in mechanische Bewegung versetzt, die Amperekraft nutzen.
Das Funktionsprinzip elektromechanischer Maschinen basiert genau auf dieser Kraft, z. B. in einem Elektromotor… Während des Betriebs des Elektromotors bewegt sich zu jedem Zeitpunkt ein Teil seiner Rotorwicklung im Magnetfeld des Stroms eines Teils der Statorwicklung. Dies ist eine Manifestation der Ampere-Kraft und des Ampere-Gesetzes der Wechselwirkung von Strömen.
Dieses Prinzip ist bei Elektromotoren vielleicht am häufigsten anzutreffen elektrische Energie wird somit in mechanische Energie umgewandelt.
Der Generator ist im Prinzip derselbe Elektromotor und realisiert nur die umgekehrte Transformation: mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt (siehe – Wie funktionieren AC- und DC-Generatoren?).
Im Motor erfährt die Rotorwicklung, durch die der Strom fließt, die Wirkung der Ampere-Kraft aus dem Statormagnetfeld (auf das zu diesem Zeitpunkt auch der Strom mit der gewünschten Richtung wirkt) und gelangt so in den Rotor des Motors eine Drehbewegung, Drehung der Welle mit der Last.
Bei Elektroautos, Straßenbahnen, Elektrozügen und anderen Elektrofahrzeugen dreht sich das Rad dank einer Welle, die sich unter der Wirkung der Ampere-Kraft in einem Wechsel- oder Gleichstrom-Antriebsmotor dreht. Wechselstrom- und Gleichstrommotoren verwenden Ampere.
Elektrische Schlösser (Aufzugstüren, Tore usw.) funktionieren mit einem Wort auf die gleiche Weise – alle Mechanismen, bei denen elektromagnetische Wirkung zu mechanischer Bewegung führt.
Beispielsweise schwingt bei einem Lautsprecher, der in den Lautsprechern eines Lautsprechers Ton erzeugt, die Membran, weil die stromdurchflossene Spule vom Magnetfeld des Permanentmagneten, um den sie angebracht ist, abgestoßen wird.Auf diese Weise entstehen Schallschwingungen – die Stromstärke ist variabel (da sich der Strom in der Spule mit der Frequenz des wiederzugebenden Schalls ändert) und drückt auf den Diffusor, wodurch Schall erzeugt wird.
Elektrische Messgeräte des magnetoelektrischen Systems (z. B. analoge Amperemeter) verfügen über einen eingebauten abnehmbaren Drahtrahmen zwischen den Polen eines Permanentmagneten… Der Rahmen ist an Spiralfedern aufgehängt, durch die der gemessene elektrische Strom durch dieses Messgerät, also durch den Rahmen, fließt.
Wenn der Strom durch den Rahmen fließt, wirkt auf ihn im Magnetfeld eines Permanentmagneten eine Ampere-Kraft, die proportional zur Größe des gegebenen Stroms ist. Daher dreht sich der Rahmen und verformt die Federn. Wenn die Ampere-Kraft durch die Federkraft ausgeglichen wird, hört die Lünette auf, sich zu drehen, und an diesem Punkt können Messwerte erfasst werden.
Mit dem Rahmen ist ein Pfeil verbunden, der auf die Skala des Messgeräts zeigt. Es stellt sich heraus, dass der Ablenkwinkel des Pfeils proportional zum Gesamtstrom ist, der durch den Rahmen fließt. Der Rahmen besteht normalerweise aus mehreren Windungen (siehe – Amperemeter- und Voltmetergerät).