Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (37)

číslo 1/2004

archiv

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (37)

Ing. Josef Heřman, CSc.

7.4 Amperova elektrodynamika

Do roku 1820 dosáhl Ampre určitých úspěchů v matematice i chemii. Oerstedův objev na jaře toho roku otevřel před Amprem dosud netušené obzory vědy. V tomto případě, pravděpodobně jednom z mála v jeho životě, se Amperovi vyplatila jeho důvěřivost. Okamžitě akceptoval Oerstedův objev a již 18. září seznámil Akademii věd se svým prvním objevem. Další výzkumy zveřejnil 25. září a 9. října – tak se v těchto horečnatých týdnech zrodila elektrodynamika.

O přesné podstatě prvního Amperova objevu panují určité nejasnosti. V publikaci Mémoire sur l‘action naturelle de deux courants électriques... (1820) uvedl, že se v mysli začal okamžitě zabývat podstatou magnetismu, a to ve vazbě na magnetismus zemský. Proti tomu jsou však zápisy o Ampérových vystoupeních na zasedání Akademie věd uvádějí poněkud jiný postup jeho objevů.

Obr. 1.

Na zasedání Akademie věd 18. září 1820 se Ampere zabýval působením proudovodiče na magnetickou střelku, a to i ve vazbě na činnost Voltova sloupu. Zde rovněž předložil své pravidlo plavce určující směr magnetického působení proudu: „Představme si člověka, který plave s proudem v drátě a který se při tom stále dívá na magnetku, ať už je nad ní nebo pod ní. Pak konec magnetky směřující k severu se bude vždy vychylovat směrem k jeho levé ruce.„ (obr. 1).

Později toto pravidlo nahradil James Clark Maxwell (1831–1879) formulací známou ze školy jako Ampérovo pravidlo pravé ruky: Uchopíme-li pravou rukou vodič tak, aby palec ukazoval smysl proudu, potom prsty udávají smysl točení idukčních čar (a tím i směr vektoru magnetické indukce).

Obsahově zcela stejné je Maxwellovo pravidlo o vývrtce: Smysl indukčních čar magnetického pole je shodný se smyslem otáčení vývrtky zavrtávané ve smyslu, jímž prochází proud vodičem.

Obr. 2.

Ampér dále navrhl konvenci týkající se směru toku proudu: Směrem toku elektrického proudu je směr toku kladného elektrického fluida. Jinými slovy, elektrický proud teče od kladného pólu k pólu zápornému. Konvence byla roku 1825 přijata.

Na zasedání Akademie věd 25. září 1820 Ampére hovořil o vzájemném silovém působení dvou proudovodičů. Kromě silových účinků dvou přímých proudovodičů uvedl i případ vzájemného přitahování či odpuzování dvou proudovodičů svinutých do smyček.

V průběhu dalších zasedání přednesl Ampére důležité sdělení o ekvivalenci z proudovodičů vytvořené cívky a trvalého magnetu. Pro cívku zvolil označení solenoid.

Ampére dále referoval o svých experimentech s působením pernamentních magnetů a zemského magnetismu na proudovodič. Podařilo se mu dokázat, že rámeček z proudovodičů se vlivem zemského magnetismu nastaví kolmo ke směru magnetické střelky.

Obr. 3.

Pro své experimenty si zkonstruoval důmyslné zařízení, které mu umožňovalo studovat vzájemné působení proudů v závislosti na jejich velikosti, vzdálenosti a orientaci (obr. 2). Základními experimenty na zařízení zjistil, že paralelní proudovodiče se při stejném smyslu tekoucího proudu přitahují, při opačném smyslu se odpuzují; jsou-li zkříženy, jejich prvotní tendencí je zaujmout navzájem rovnoběžnou polohu (obr. 3).

Ampére vycházel z předpokladu, že vzájemné působení proudů mezi sebou, magnetů a proudů a magnetů mezi sebou může být převedeno na pouhé vzájemné působení proudů. A proto uvažoval, že když se nalezne zákon vzájemného působení proudů, může posloužit rozvoji teorie elektřiny a magnetismu stejně, jako newtonovské dynamice sloužil zákon gravitační. Ampérovi bylo známo, že v nové oblasti fyzikálních jevů se s přitahováním a odpuzováním nachází i směrové působení. Jeho cílem tedy bylo nalézt základní zákon pro síly vzájemného působení mezi dvěma prvky proudů a s využitím matematické analýzy vypočítat síly mezi proudy tvořícími libovolnou konfiguraci. Z tohoto zákona chtěl čistě deduktivní metodou získat výpočet elektromagnetických jevů – taková byla vize „Newtona elektřiny„, jak byl často Ampére nazýván.

Obr. 4.

Ještě do konce roku 1820 se Ampérovi podařilo výsledky svých experimentů vyjádřit matematickým vztahem. Jako reálnou fyzikální entitu zavedl proudový element ids, jenž představuje součin velikosti protékajícího proudu i a prvku délky ds proudovodiče. Z experimentů odvodil i jeho vlastnost: Síla vzbuzená proudovým prvkem ids je silou centrální, okamžitě působící na dálku. Měl za to, že pouze tímto způsobem lze pro vzájemné působení proudů zajistit platnost třetího Newtonova zákona – zákona o akci a reakci.

Z tohoto poznatku pak relativně snadno odvodil, že interaktivní silové působení dvou dlouhých proudovodičů je přímo úměrné součinu obou proudových prvků a určitým způsobem závisí na jejich vzdálenosti a vzájemné poloze (obr. 4). Pro elementární interaktivní sílu dF působící mezi dvěma proudovými prvky ids odvodil obecný vztah, jenž je nazýván Ampérův (silový) zákon nebo také Ampérův vzorec

Vzorec 1.

kde e je úhel mezi proudovými prvky i1ds1, i2ds2, v1, v2 úhly proudových prvků s jejich spojnicí.

Na základě dalších pokusů doplněných intuicí Ampére v roce 1826 dokázal, že n = 2 a k = –3/2, což jej přivedlo ke vztahu:

Vzorec 2.

Předpokládalo se, že zákonitost Ampére "odvodil z pokusu". Jak však odvodil uvedené vztahy, nikde a nikdy neuvedl. Je však známo, že jednoznačně diferenciální tvar zákona z měření vzájemného působení uzavřených proudů nelze získat. Již bylo zmíněno, že Ampére označil sílu dF za sílu centrální, tzn. že působí ve směru spojnice obou proudových prvků. Tento pomýlený názor plně zastávali nejen Ampsledovníci, kteří ze vztahu odvodili i zákonitosti vzájemného působení pohybujících se nábojů.

Ampérovu formulaci silového zákona lze považovat za počátek teoretické elektrodynamiky, přičemž její první etapa je obvykle označována za elektrodynamiku předklasickou, resp. Ampérovu.

Vztahu pro sílu byl v té době přisuzován velký význam. Avšak další vývoj ukázal, že vztah sám o sobě není tak důležitý, ale významné jsou důsledky, které z něho plynou. Důležitá asi též byla jeho obecně koncepční role. Bylo tomu tak proto, že síla byla pro fyziku v 19. století základem jedné koncepce – koncepce silové, proti níž stála koncepce energetická.

Ampérův zákon byl později upraven do vektorové formy. V ní se dnes používá. Z Ampérova zákona v tomto tvaru byl také exaktně odvozen zákon Biotův a Savartův, stanovené na základě empirických poznatků.

Základním důsledkem Ampérova silového zákona, tudíž i zákona Biotova a Savartova, je Ampérův zákon, někdy též označovaný zákon celkového proudu Udává souvislost intenzity magnetického pole H s proudem I, jenž toto pole vytváří:

Vzorec 3.

Uvedený vztah, později zobecněný a významně doplněný J. C. Maxwellem (viz dále), se stal jedním ze základních vztahů současné teorie elektromagnetismu.

(pokračování)