Продовження: Попередня сторинка:       Electrodynamics  

---

Електричне коло, Сила Струму, Закон Ампера, Закон Біо-Савара, Магнітне поле.

Згадаемо наше онлайн модулювання простішого електричного ланцюга (кола):

 

В позіції коли вмикачі S1, S2 мають дію замикання ланцюгу  маємо відповідні показники ВАХ: первинне значення струму: I = U / R+r = 12B / 10 Ом + 0.01 Ом = 1,19А, при падінні заряду конденсатора до 1В: I = U / R+r = 1B / 10 Ом + 0.01 Ом = 0,09А. Ми бачимо по ланцюгу що електрична напруженність на відстані до опору має майже рівне значення на відрізку 1 м.  на другому 1 м довжини Е практичне відсутня. 

На графіках [Fig. c)] данні ВАХ короткого замикання заряджаного кондесатора через вимикач S3 (S1, S2 роз'єднані):  I = U / R+r = 12B / 0,024 Ом + 0.01 Ом = 480А.  Падіння напруги міттеве та утворення сили стуму великої мірності.

Потроху переходимо до замкненого електричного ланцюга. Ми вже побачили, що дією в електричному ланцюзі є поява сили струму I, це вже інше рівняння Максвелла на закон Ампера, який ми розглянемо далі.

Ампе́ра зако́н — 1820 році А.М.Ампером установлений закон, що описує взаємодію двох елементарних струмів I₁dλ₁ i I₂dλ₂. Величина і напрямок сили взаємодії визначаються подвійним векторним добутком: dF₁₂ = kI₁I₂(dl₂(dl₁r₁₂))/r₁₂³, де r₁₂ — відстань між провідниками елементарних струмів, k=μ₀/4π (у Міжнародній системi одиниць, СІ), k=1/c² (у системі одиниць Гауса), с — швидкість світла у вакуумі. Ця сила не є центральною силою, оскільки напрямок її дії не лежить на прямій, що пов’язує елементарні струми. Сила, що діє на елемент струму I2dl2, перпендикулярна до цього елементу й лежить у площині, яка містить елемент струму I1dl1 та радіус-вектор r₁₂ 

Два дроти зі струмом притягуються або відштовхуються залежно від напрямку струму. Якщо струми течуть в одному напрямку, дроти притягуються; якщо в протилежних – відштовхуються. Це явище використовується для визначення одиниці струму, ампера. 

Закон Ампера:

1. Притягування: Якщо два паралельні дроти несуть струми в одному напрямку, то вони притягуються один до одного.
2. Відштовхування: Якщо два паралельні дроти несуть струми в протилежних напрямках, то вони відштовхуються один від одного.

Магнітне поле та сила Ампера:

1. Струм у провіднику створює магнітне поле.
2. Дія магнітного поля одного дроту на інший дроти зі струмом, викликає силу, відому як сила Ампера.
3. Сила Ампера пропорційна до сили струму, довжини провідника, та магнітної індукції поля. 
4. Напрямок сили Ампера визначається правилом лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири витягнутих пальці показували напрямок струму, то відігнутий великий палець показує напрямок сили Ампера. 

Закон Ампера схожий на Закон Гауса, оскільки дозволяє нам (аналітично) визначати магнітне поле, яке виробляється електричним струмом в конфігураціях, що мають високий ступінь симетрії. Закон Ампера говорить:

∮B⋅dl = μ₀I^enc

де інтеграл зліва - це «інтеграл шляху», подібно до того, як ми обчислюємо роботу, виконану силою над певним шляхом. Знак кола на інтегралі означає, що це інтеграл над «замкнутим» контуром; шлях, де початкова і кінцева точки однакові. IencIencце чистий струм, який перетинає поверхню, яка визначається замкнутим шляхом, який часто називають «струмом, укладеним» шляхом. Це відрізняється від Закону Гауса, де інтеграл знаходиться над замкнутою поверхнею (а не замкнутим шляхом, як це тут). У контексті Закону Гауса ми маємо на увазі «обчислення потоку електричного поля через замкнуту поверхню»; в контексті Закону Ампера ми маємо на увазі «розрахунок циркуляції магнітного поля по замкнутому шляху».   Ми застосовуємо Закон Ампера приблизно так само, як ми застосовуємо Закон Гауса.  

Всі дії які пов'язані з силою або притягуванням - відштовхуванням дротів  засновані на явищі магнітного поля (магнітної індукції) навколо провідника зі струмом.  

Закон Біо-Савара-Лапласа  — закон, який визначає магнітну індукцію навколо провідника, в якому протікає електричний струм. Закон Біо-Савара-Лапласа був сформульований в 1820 році. Жан-Батіст Біо і Фелікс Савар експериментально довели його існування, а П'єр-Симон Лаплас сформулював загальну формулу на основі їхніх досліджень.

Оба закона Ампера та Біо-Савара-Лапласа з'явилися у 1820 році та доведено що СИЛА СТРУМУ I повязана напряму з утворенням  магнітного поля (індукції) B навколо провідника. Пізніше у 1826 році був відкритий Закон Ома  (німецьким фізиком Георгом Симоном Омом). Він встановив залежність між силою струму, напругою та опором у електричному колі, що стало фундаментом для електротехніки.

Закон Ома - це фундаментальний принцип у електриці, що описує взаємозв'язок між силою струму, напругою та опором в електричному колі. Він стверджує, що сила струму [I] в ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі [U] і обернено пропорційна опору [R]. Формула закону Ома має вигляд: I = U/R,  Для замкнутого кола: I = ε / R+r. Ще є явіще падіння напруги ∆U = IR.  

Пізніше міра потужності ват (Вт) була прийнята в Британською науковою асоціацією у 1882 році. На 11-й Генеральній конференції мір та ваг у 1960 році вона була включена у Міжнародну систему одиниць (SI). Ват названо на честь шотландського винахідника Джеймса Ватта.  Потужність - це важлива фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи або перетворення енергії за одиницю часу. Вона використовується в різних областях фізики та інженерії, зокрема, у механіці, електриці та теплотехніці. 

 

Поту́жність (N, P, W) — робота, що виконана за одиницю часу, або енергія, передана за одиницю часу:  N=A / t,  де N — потужність, А — виконана робота, t — проміжок часу, за який ця робота виконана.  У системі CI потужність вимірюється у Ватах. Іншою одиницею вимірювання, яка ще й досі широко використовується, є кінська сила (1 к.с. = 735,5 Вт).   У механиці:   Якщо на рухоме тіло діє сила, то ця сила здійснює роботу. Потужність в цьому випадку рівна скалярному добутку вектора сили на вектор швидкості, з якою рухається тіло: N = F⋅v = F⋅v⋅cos⁡α, де F — сила, v — швидкість, α — кут між вектором швидкості і сили. У електриці:  Електри́чна потужність (потужність електричного струму) — фізична величина, що характеризує швидкість передавання або перетворення електричної енергії.  Миттєве значення електричної потужності P(t) для ділянки електричного кола: P(t) = I(t)⋅U(t), де I(t) — миттєве значення електричного струму на ділянці кола; U(t) — миттєве значення напруги на цій же ділянці.

С додаванням в розрахункову матрицю Закона Ома параметру Потужність (P, W), формули Закону Ому прийняли сучасний вигляд:

Як сучастна фізика пояснює явіще електричного струму:

Електри́чний струм — упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у речовині чи у вакуумі. Як зазначено в законі Ампера, це стає помітним через магнітне поле і зазвичай призводить до нагрівання провідника (не відбувається у надпровідниках). Струм виникає в електричному колі, щойно між клемами джерела живлення виникає провідне з’єднання.
До того ж, струм зміщення є частиною електричного струму. Це викликано не рухом зарядів, а зміною потоку електричного поля. Для прикладу, він з'являється між пластинами конденсатора під час його заряджання або розряджання і створює магнітне поле, як і звичайний струм. Електричний струм за напрямком протікає від додатного полюса джерела живлення постійного струму, до від'ємного. Рухомі заряди, які утворюють електричний струм, називають носіями струму: у металах це електрони, у напівпровідниках — електрони та дірки, в електролітах — позитивно та негативно заряджені йони, в іонізованих газах — йони й електрони. Упорядкований рух носіїв струму в електропровідному середовищі під дією електричного поля називають струмом провідності. Якщо рух зарядів відбувається разом з тілом, на якому вони перебувають, то такий струм називають конвекційним. Прикладом конвекційних струмів є струми, які виникають під час падіння заряджених краплин води в атмосфері, завдяки силі тяжіння. Короткочасні електричні струми виникають також у діелектриках внаслідок зміщення зв'язаних електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля. Такі струми називають струмами поляризації.

Електричне поле це поверхневий ефект для повідника (статична електрика):  Електричне поле не може протикнути у середовище провідника. У фізиці є таки парметри як Діелектрична проникність (ε) та Магнітна проникність (µ). В електротехниці с подання Ома існує такий параметр як: Опір електричному струму у провіднику – це фізична величина, яка характеризує здатність матеріалу протидіяти проходженню електричного струму. Він вимірюється в омах (Ω) і залежить від властивостей матеріалу, його довжини та площі поперечного перерізу.  Формула для розрахунку електричного опору провідника:  R = ρ ∙ (L / S) де: R – електричний опір,  ρ – питомий опір матеріалу (залежить від його фізичних властивостей),  L – довжина провідника,  S – площа поперечного перерізу провідника.   Чим більший питомий опір матеріалу, тим більше він протидіє струму. Наприклад, срібло та мідь мають низький питомий опір, що робить їх чудовими провідниками, тоді як гума чи скло – хорошими ізоляторами з високим опором.  Але  - питомий електричний опір - ρ, для багатьох речовин був встановлений під час досліджень. Існують таблиці, в які занесені дані, виміряні при температурі 20 градусів Цельсія. Ними часто користуються при вирішенні різних завдань, пов’язаних з електрикою.

Тому доказів що явіще напряму зв'язано з рухом заряджаних частинок через середовище провідника немає. Але провідник може на поверхі створювати ту саму нульову зону [0_+/-]для счеплення  або фокусу спрямування силових ліній електричної індукції джерела.  Я не буду зараз робити висновки тільки факти. Перший факт електрична напруженність (індукція) досягає міттево кінця дроту якій ще не замкнутій до негативної клеми джерела. Ні якіх електорнів з негативної клеми ще не може бути у ланцюзі, а напруженнісь на вільному кінці дроту вже існує. Сила струму це як раз явіще тільки для замкненого електричного ланцюга, яке як брат близнюк пов'зане з магнітним полем навколо повідника. В одному підручнику автор дуже чудово описав дію у єлектричному колі:

    

Цитую: Під час проходження струму відбувається безперервне зменшення зарядів, або, точніше, нейтралізація позитивної та негативної електрики.

Я бачу лише один логічний висновок: щось зникає, позитивна та негативна електрика (заряди, електрична індукція, напруга) і щось з'являється, струм (магнітне поле, магнітна індукція). Куди поділися електричні компоненти? Розсіялися внаслідок утворення магнітного поля (магнітної індукції). Добре існує рівняння Максвелла на закон Ампера:

 

4.

ЗаконАмпера,розширений   Максвеллом

Електричний.струм змінне електричне   поле створюють магнітне поле.

Усі тонкощі та повороти цього рівняння Максвелла дуже добре пояснені на цій сторінці: 4-е рівняння Максвелла (https://www.maxwells-equations.com) Я трохи взяв формули та сформулював що саме стверджує формула записаная Максвеллом на Закон Ампера.  Максвелл зробив запис у електричної метричної системі, де символ H вказує на утвореня магнітної напруженністі у Амперах на метр. 

Фактично для утримання магнитної напруженності H, треба мати два елементи струм  J  та струм зміщення  J_D = dD / dt.  [∇×H = J + dD / dt]

Порівняємо дві формули: рівняння Максвелла на закон Ампера: ∇×H = J + J_D , та умови підтримки струму в законі Ома з підручника (див. слайд вище)   J = λ (E + E^ext).  Висновок з публікації полягає в тому, що ∇×H = J  говоре сам за себе: струм J і є магнітним полем (індукцією) H (B_i), навколо дроту в замкнутому колі.  Як виразити електричну напруженість навколо дроту, вона вже має відповідне позначення ЕРС або ж можна виразити її як зміщення силової лінії густини електричного заряду (струм зміщення Максвелла) зі швидкістю світла вздовж поверхні провідника.

 

Ще один доказ того, що струм є магнітною складовою сили. Магнітний диполь має рівну складову полюсів. Якщо електрична напруга вздовж провідника має ознаки спаду, то струм і магнітна напруженість мають рівномірний розподіл вздовж провідника. Навіть у тій частині, де електрична напруга майже дорівнює нулю. Візуалізація магнітних силових ліній навколо дроту вказує на спіральну структуру електричної індукції навколо дроту, це свідчить що магнітна силова лінія аочинається та закінчується на електричних посюсах джерела. Ми можемо скільки завгодно сумніватися в цьому, але факт є фактом. Електрична напруженість зміщення зникає Е_i, з'являється сила струму (магнітна індукція) J [B_i].

Робимо висновок що записи: Максвелла  ∇×H = J + dD/dt, або закону Ома J = λ (E + E^ext), є фатичним виразом електромагнітної індукції перетворення електричного поля у магнітне поле, та можемо це виразити як:

∇×В_i = - dE_i / dt

Крім того знаку мінус у формулі електромагнітної індукції ∇×В_i = - dEi / dt ми зобов'язані фізику німецького походження з царської Росії Ленцу. Правило Ленца визначає напрямок індукційного струму і говорить: "Індукційний струм завжди має такий напрямок, що він послаблює дію причини, що збуджує цей струм!" Правило сформульовано в 1833 Е. Х. Ленцем. На слайде я зазаначив як саме це відбувається.  

---

Магнітне поле (два типи магнітного поля)

Ще одне рівняння Максвелла на закон (теорему) Гауса:

2.

Закон Гауса для магнітного поля

Не існує заряду магнітного поля, силові лінії магнітного поля замкнені.

 

Перш ніж ознайомитись далі, ви повинні були прочитати її про закон Гаусса для електричних полів. Якщо в цьому є сенс, то друге з рівнянь Максвелла буде досить простим. По-перше, розглянемо обидва закони Гаусса, записані в «Рівнянні»: 

∇∙D = ρ [1]; ∇∙B = 0 [2]   

Як бачите, обидва цих рівняння задають розбіжність розглянутого поля. Для [1] рівняння, ми знаємо, що закон Гаусса для електричних полів стверджує, що Розбіжність густини електричного потоку D дорівнює густині об'ємного електричного заряду ρ. Але друге рівняння, закон магнетизму Гаусса, стверджує, що розбіжність густина магнітного потоку (В) дорівнює нулю.  Чому? Чому розбіжність В не дорівнює густині магнітного заряду?
Що ж, це так. Але так вже вийшло, що магнітного ніхто і так і не знайшов Заряд - не в лабораторії або на вулиці, не в метро. І тому, Поки цей гіпотетичний магнітний заряд не знайдений, встановлюємо праву сторону Закон Гаусса для магнітних полів до нуля:

Оскільки B і магнітне поле H пов'язані проникністю μ, то в рівнянні [2] зазначимо, що Розбіжність магнітного поля також дорівнює нулю.

Цій висновок повністью підтверджується нашим попередним розглядом. Магнітне поле В_і  навколо провідника є явіщем електромагнітної індукції перетворення та воно немає самостійного джерела. Крім того хочу зазначити що це поле маємо індифікувати як "горяче". Це поле існує також у вигляді горячої плазми.  Але, є ще магнитне поле у ферромагнітних  материалах. Позначимо його як B_m (холодне). В ферромагнітному осерді електромагнита поле B_m  збуджує поле яке утворюється від електромашгітної індукції в електричному контурі: ∇×Вi = - dEi / dt.

∇×B_m=µµ₀H   або   ∇×B_m=µВ_і

 

Але є протириччя, перше це існування постійних магнитів, які утврюються імпульсом магнітного поля від котущки збудження ∇×B_m=µВ_і. Далі вже в осерді постоянного магніту генераується магнітна індукція постійно без живлення котушкою яка здійсьнювала первинний  імпульс збудження. В протилежність постійному магніту є електромагнити, які генеруют (індукують) магнітне поле B_m в залізному осерді тільки при наявності поля В_і збудження.  Що є джерелом магнітної індукції після пуску електромагнітним імпульсом невідомо, а пояснення феномену скоріше є акт неспроможності встановити істину причини феномену. Тому я записав формулу магнітної індукції постійного магніту у вигляді:

∇×B_m=QE/(∂t→∞)

де QE - ефір, що є причиною генерації магнітної індукції у матеріалі постійного магніту, ∂t→∞ - відрізок часу цієї генерації, що прагне нескінченності.

чому я так записав, так абсолютно відомо, що причиною магнітного поля (індукції) в магнітно-провідних матеріалах може бути інше поле (наприклад, магнітне поле землі). Приклад: намагнічування стали іншим постійним магнітом або електромагнітом. Але для цієї операції важлива орієнтація полюсів наведеної індукції в сталі та магніті - джерелі повинні бути відповідні віддаленість полюсів і т.д. Ефір це ізотеричне позначення як всеосяжне енергетичне поле (заряд), таким чином до того моменту, поки не стане точно відомо, що є причиною магнітної індукції в матеріалі магніту? Доцільно вважати, що джерелом є Ефір. Але це не відповідає на питання як це робиться. 

Ще існує таке явіще, відоме явіще як магнітний зберегач Едварда Лідскальніна. (Edward Leedskalnin) Цей прилад описаний в його книзі "Магнітний струм. 1945".  Дія цього пристрою дуже проста, розбірне залізне осердя має котушку для створення магнітного потоку В_і, которе індукуе поле в осерді B_m,  але не зрозумило як магнітне поле утримується у осерді без живдення струмом котушок збудження від електричного джерела. Після примусового роз'єднання елементів осерля в котушці генерується котокий імпульс ЕРС.  

Український ютуб-блогер та дослідник Ігор Білецький  провів цікаві експеременти, які вказують що магнітне поле в замкнутому стані залізного осердя дуже міцне: ВІДЕО1 та ВІДЕО2.   Можливим поясненням утримання магнітного поля в замкнутому стані залізного осердя є явище АНАПОЛЬНОГО МОМЕНТУ, яке утворюється після збудження в замкнутому магнітнопровідному середовищі та фіксується, але причина цього явища невідома.

АНАПОЛЬ (від грец. an - негативна частка і polos - полюс), тороїдний диполь - система струмів, електромагнітне поле якої характеризується вектором анапольного моменту. Зміна анапольного моменту з часом призводить до випромінювання системою електромагнітних хвиль.

Якщо коротко, то АНАПОЛЬ - закільцьований по колу магнітний потік Φ=B_mS, в однорідному середовищі магнітно провідного контуру. Наприклад, отримати закільцьований потік Φ=B_iS намагаються отримати вже давно, проект ТОКАМАК. Американская версия анапольного момента:  Toroidal moment

У наступній частині розглянемо явища електромагнітної індукції, появи електричного поля за зміни магнітного.

---

Наступний розділ: Електромагнітні індукції та генерація електричного поля від магнітного поля.