Зависимость магнитного поля от ампервитков: опыт Ампера и современные технологии

Зависимость напряжённости магнитного поля от числа ампервитков. Материалы и оборудование: 1) Катушка без обмотки. 2) Проводник ПБД (d = 0,8—1 мм). 3) Магнитная стрелка или компас с разделённым на градусы кругом. 4) Два реостата. 5) Четыре элемента или аккумулятора. 6) Два амперметра. 7) Два однополюсных рубильника или ключа.

На катушке делают две обмотки с различным, лучше кратным, числом оборотов, например Z₁ = 50 и Z₂ = 100 виткам или Z₃ = 25 и Z₄ = 75 виткам и т. п.

Катушку включают, как указано на рисунке 150, и ориентируют так, чтобы направление поставленной вблизи неё магнитной стрелки было перпендикулярно к оси катушки. Стрелку следует поместить на расстоянии 20—30 см от катушки. Вместо магнитной стрелки лучше взять хороший компас с градусными делениями. Каждую из обмоток включают в самостоятельные цепи, состоящие из двух аккумуляторов или элементов, реостата R, рубильника К и амперметра A, и притом так, чтобы направления токов в обмотках были противоположны.

Замкнув цепь обмотки с большим числом витков, посредством реостата получают ток какой-нибудь определённой силы, выражающейся круглым числом долей ампера, например в 0,1; 0,5 а и т. п. Стрелка при этом отклонится на некоторый угол. Затем замыкают цепь второй обмотки и постепенно уменьшают сопротивление реостата. Так как магнитное поле, создаваемое этой обмоткой Z₂, противоположно полю первой катушки Z₁, то по мере увеличения тока в цепи Z₂ будет наблюдаться уменьшение угла отклонения стрелки. Уменьшая сопротивление реостата, получают возвращение стрелки в своё нормальное положение (магнитный меридиан), которое наблюдалось у неё до опыта. В этом случае магнитное поле обмотки Z₁ «уничтожается» полем обмотки Z₂, или напряжённости этих полей в каждой точке пространства одинаковы по величине, но противоположны по знаку.

По амперметрам измеряют силы токов в той и другой обмотках, вычисляют ампервитки и результаты сравнивают. Опыт даёт обыкновенно хорошие результаты, т. е. числа ампервитков оказываются равными друг другу. Из этого наблюдения делают вывод, что напряжённость поля определяется числом ампервитков.

Опыт следует повторить, взяв другие числа витков обмоток. Запись результатов нескольких опытов удобно вести по следующей форме:

Историческая справка: Эксперимент с компенсацией магнитных полей через ампервитки восходит к работам французского физика Андре-Мари Ампера, одного из основоположников электродинамики. В 1820-х годах Ампер экспериментально установил, что сила магнитного поля катушки пропорциональна произведению силы тока и числа витков, что позже стало основой концепции «ампервитков». Его исследования заложили фундамент для понимания связи электричества и магнетизма, а также предсказали принцип работы электромагнитов, которые сегодня используются повсеместно.

Современное применение технологии:
1. Медицинская диагностика: В аппаратах МРТ (магнитно-резонансной томографии) сверхпроводящие катушки с огромным числом ампервитков создают стабильное магнитное поле высокой напряжённости (до 3 тесла и более). Регулировка поля осуществляется за счёт точного управления током в обмотках, что позволяет получать детальные изображения тканей организма.

2. Энергетика: В трансформаторах баланс ампервитков первичной и вторичной обмоток определяет коэффициент преобразования напряжения. Это критично для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями.

3. Транспорт: Маглев-поезда (магнитная левитация) используют электромагниты, где управление ампервитками позволяет регулировать силу подъёма и движения. Аналогичные принципы применяются в двигателях электромобилей для точного контроля крутящего момента.

4. Космические технологии: В ионных двигателях спутников электромагниты с оптимизированными ампервитками создают магнитные ловушки для ускорения плазмы, обеспечивая высокую эффективность тяги.

Экологический аспект: Современные исследования направлены на минимизацию энергопотерь в обмотках. Например, использование высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) позволяет снизить сопротивление проводников до нуля, что резко повышает КПД электромагнитов в ветрогенераторах и системах накопления энергии.

Интересный факт: В 2022 году учёные CERN усовершенствовали систему управления ампервитками в магнитах Большого адронного коллайдера, что позволило увеличить энергию столкновений частиц до рекордных 13,6 ТэВ. Это стало возможным благодаря точному расчёту баланса магнитных полей в противоположных обмотках, аналогичному школьному эксперименту, но в масштабах 27-километрового кольца.

Сведения об авторе и источнике:

Автор: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров

Источник: Физический эксперимент в школе, том IV «Электричество»