はじめに
実験的に、2 つの通電導体が近くに配置され、電流の流れが反対方向である場合、両方の通電導体を引き寄せる観測可能な力がそれらの間に存在することが観察されています。また、電流の流れる方向が同じ場合、導体は互いに反発します。磁場は、ビオ・サバールの法則に従う電流が導体に流れる結果として存在することを学びました。また、外部磁場が通電中の導体に力を及ぼすことも発見しました。これは、ローレンツ力の公式の結果です。その結果、互いに近くに配置された 2 つの通電導体が互いに (磁気) 力を及ぼすのは当然のことです。
2 つの平行な通電導体間の力
アンペールは、1820 年から 1825 年の間に、この磁力の性質と、電流の大きさ、導体の形状とサイズ、および導体間の距離への依存性を研究しました。彼は、電磁気学の魔法に目がくらんだ勤勉な科学者でした。このセクションでは、Ampere の骨の折れる作業をよりよく理解するために、2 つの並列の通電導体の簡単な例を使用します。
この図は、d で分離された 2 つの長い平行な導体 a と b を示し、それぞれ (並列) 電流 Ia と Ib を運びます。同じ磁場 Ba は、導体「b」に沿ったすべての点で導体「a」によって生成されます。右手の法則によれば、この電界の方向は下向きです (導体が水平に配置されている場合)。アンペアの回路法則がその大きさを決定します:
Ba=0Ia2𝜋d
磁場 Ba により、電流 Ib を運ぶ導体「b」は横向きの力を受けます。この力は導体「a」に向けられます。この力は、Fba または a によって引き起こされる b のセグメント L 上の力として知られています。この力の大きさは次の式で与えられます:
Fba =Ib x L x Ba
=0IaIb2𝜋dL
上記と同じ理由を使用して、「b」の電流による「a」の長さ L のセグメント上の力 Fab を計算できます。それはFbaと同じ大きさを持ち、「b」を目指しています。その結果、私たちは導き出します
Fba =–Fab.
これは、ニュートンの第 3 法則と完全に一致しています。この法則は、すべてのアクションには同じ反対の反応があるというものです。したがって、少なくとも並列導体と定常電流の場合、ビオ・サバールの法則とローレンツ力がニュートンの第 3 法則と一致する結果を生み出すことを実証しました。
上記の式から、同じ方向に流れる電流は互いに引き合うことがわかります。反対向きの電流が互いに反発することを実証することは可能であるため、個別の計算は必要ありません。その結果、平行電流は引き合い、反平行電流は反発することがわかりました。この規則は、静電学で見られるものとは正反対です。同じ符号の電荷は互いに反発しますが、同じ符号の電流は互いに引き合います。
アンペアの定義
アンペアは、真空中に 1 メートル離れて配置された無視できる断面を持つ 2 つの非常に長くまっすぐで平行な導体に、長さ 1 メートルあたり 2 x 10-7 ニュートンの力を生成する定常電流の値です。
このアンペアの定義は 1946 年に採用されました。これは純粋に学術的な定義です。実際には、地球の磁場を取り除き、非常に長いワイヤを適切な形状のマルチターン コイルに置き換える必要があります。この機械的な力は、電流バランスと呼ばれる装置を使用して測定されます。単位長さあたりの Fba の大きさを Fba とすると、次に、上記の式を使用して、
Fba =0IaIb2𝜋d
上記の式は、アンペア (A)、7 つの SI 基本単位の 1 つ、さらにはクーロンを定義するために使用されます。 SI の充電単位をアンペアで定義できるようになりました。
導体に 1A の定電流を流した場合、導体の断面を 1 秒間に流れる電荷量は 1 クーロン (1C) です。
結論
通電導体は磁力を示すため、磁場の存在により互いに引き付けられたり反発したりします。地球の磁場の影響を軽減するには、長いワイヤの代わりにマルチターン コイルを使用して、導体への磁力を低減する必要があります。一方のワイヤにかかる力は、もう一方のワイヤの磁場によって引き起こされることを覚えておくことが重要です。ほとんどの学生は、磁場を考慮して特定のワイヤにかかる力を計算する際に間違いを犯します。電流が同じ方向に動いているとき、力は引き寄せられます。それらが反対方向に移動している場合、力を計算する際には、力の反発が唯一の概念であるべきです。
