В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед сделал фундаментальное открытие: магнитная стрелка компаса отклоняется в сторону от проводника с постоянным электрическим током. Таким образом ученый установил в эксперименте, что магнитное поле тока направлено именно перпендикулярно току, а не параллельно ему, как можно было бы предположить.
Французский физик Андре-Мари Ампер был настолько вдохновлен демонстрацией эксперимента Эрстеда, что решил продолжить исследование по данному направлению самостоятельно.
Амперу удалось обнаружить, что не только магнитная стрелка отклоняется от проводника с током, но и два параллельных проводника, по которым текут постоянные токи, могут либо взаимно притягиваться, либо отталкиваться друг от друга - в зависимости от того, в каких направлениях относительно друг друга движутся токи в данных проводниках.
Оказалось, что электрический ток производит магнитное поле, и уже магнитное поле оказывает действие на другой ток. Ампер заключил, что проводник с током действует и на постоянный магнит (стрелку) лишь потому, что внутри магнита по замкнутым траекториям также текут множество микроскопических токов, и практически, хотя и взаимодействуют магнитные поля, все же отталкиваются источники этих магнитных полей — токи. Без токов магнитного взаимодействия просто не будет.
В результате, в том же 1820 году Ампер открыл закон, по которому постоянные электрические токи взаимодействуют. Проводники с токами, направленными в одну сторону — взаимно притягиваются, а проводники с противоположно направленными токами — отталкиваются друг от друга (смотрите - закон Ампера).
В результате своей экспериментальной работы, Ампер установил, что сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле, линейно зависит как от величины тока I в проводнике, так и от величины индукции B магнитного поля, в которое данный проводник помещен.
Закон Ампера может быть сформулирован следующим образом. Сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент тока dI, находящийся в магнитном поле с индукцией B, прямо пропорциональна току и векторному произведению длины элемента проводника dL на магнитную индукцию B.
Направление же силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Эта сила максимальна, когда проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. В общем виде сила Ампера для проводника длины L с током I, помещенного в магнитное поле с индукцией B под углом альфа к силовым линиям магнитного поля, равна:
На сегодняшний день можно утверждать, что любые электротехнические узлы, в которых электромагнитное действие приводит в механическое движение какой-либо элемент, используют силу Ампера.
Принцип действия электромеханических машин базируется именно на данной силе, например, в электрическом двигателе. В каждый момент времени, в процессе работы электродвигателя, часть обмотки его ротора движется в магнитном поле тока части обмотки статора. Это и есть проявление силы Ампера и закона Ампера о взаимодействии токов.
Данный принцип пожалуй наиболее всего распространен в электродвигателях, где электрическая энергия преобразуется таким образом в механическую.
Генератор, в принципе, представляет собой тот же самый электродвигатель, только реализующий обратное превращение: механическая энергия преобразуется в электрическую (смотрите - Как устроены генераторы постоянного и переменного тока).
В двигателе обмотка ротора, по которой течет ток, испытывает действие силы Ампера со стороны магнитного поля статора (по которой в этот момент также действует ток нужного направления), и ротор двигателя приходит таким образом во вращательное движение, вращая вал с нагрузкой.
Электрокары, трамваи, электропоезда и другой электротранспорт испытывают вращение колес благодаря валу, который вращается под действием силы Ампера в приводном двигателе переменного или постоянного тока. Двигатели переменного и постоянного тока — оба используют силу Ампера.
Подобным же образом работают электрические замки (дверей лифтов, ворот и т. д.), словом — любые механизмы, где электромагнитное действие приводит к механическому движению.
Например в динамике, производящем звук в колонках акустической системы, мембрана колеблется потому, что обмотка с током отталкивается магнитным полем постоянного магнита, вокруг которого она установлена. Так формируются звуковые колебания — сила Ампера переменно (поскольку ток в обмотке изменяется с частотой звука, который нужно воспроизвести) выталкивает диффузор порождая звук.
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы (стрелочные амперметры например) включают в себя подвижную проволочную рамку, установленную между полюсами постоянного магнита. Рамка подвешена на спиральных пружинах, по которым через данный измерительный прибор, по сути — через рамку, пропускается измеряемый электрический ток.
Когда ток проходит по рамке, сила Ампера, пропорциональная величине данного тока, действует на нее в магнитном поле постоянного магнита, рамка поэтому поворачивается деформируя пружины. Когда сила Ампера уравновешивается силой упругости пружин, рамка прекращает вращение, и в этот можно снимать показания.
С рамкой соединена стрелка, указывающая на градуированную шкалу измерительного прибора. Угол отклонения стрелки оказывается пропорционален общему току, пропускаемому по рамке. Рамка состоит обычно из нескольких витков (смотрите - Устройство амперметра и вольтметра).