Pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd

Jeśli w przestrzeni wokół nieruchomych ładunków elektrycznych istnieje pole elektrostatyczne, to w przestrzeni wokół poruszających się ładunków (a także wokół zmiennych w czasie pól elektrycznych pierwotnie zaproponowanych przez Maxwella) istnieje pole magnetyczne… Łatwo to zaobserwować eksperymentalnie.

Dzięki polu magnetycznemu prądy elektryczne oddziałują na siebie, podobnie jak magnesy trwałe i prądy z magnesami. W porównaniu z oddziaływaniem elektrycznym oddziaływanie magnetyczne jest znacznie silniejsze. Ta interakcja została zbadana we właściwym czasie przez André-Marie Ampère.

W fizyce charakterystyczne jest pole magnetyczne Indukcja magnetyczna B i im jest większy, tym silniejsze jest pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna B jest wielkością wektorową, jej kierunek pokrywa się z kierunkiem siły działającej na biegun północny konwencjonalnej strzałki magnetycznej umieszczonej w pewnym punkcie pola magnetycznego — pole magnetyczne zorientuje strzałkę magnetyczną w kierunku wektora B , czyli w kierunku pola magnetycznego .

Wektor B w dowolnym punkcie linii indukcji magnetycznej jest skierowany do niego stycznie. Oznacza to, że indukcja B charakteryzuje wpływ siły pola magnetycznego na prąd. Podobną rolę odgrywa siła E dla pola elektrycznego, która charakteryzuje silne działanie pola elektrycznego na ładunek.

Najprostszy eksperyment z opiłkami żelaza pozwala jednoznacznie zademonstrować zjawisko działania pola magnetycznego na namagnesowany przedmiot, ponieważ w stałym polu magnetycznym małe kawałki ferromagnesu (takie kawałki to opiłki żelaza) są namagnesowane wzdłuż pola magnetycznego, strzałki, jak małe strzałki kompasu.

Jeśli weźmiesz pionowy drut miedziany i przeciągniesz go przez otwór w poziomo ułożonej kartce papieru (lub pleksiglasie lub sklejce), a następnie wysypiesz opiłki metalu na arkusz, potrząśniesz nim trochę, a następnie przepuścisz przez drut prąd stały, łatwo zobaczyć, jak opiłki ułożą się w formie wiru zataczającego kręgi wokół drutu, w płaszczyźnie prostopadłej do płynącego w nim prądu.

Te koła trocin będą po prostu konwencjonalną reprezentacją linii indukcji magnetycznej B pola magnetycznego przewodnika z prądem. Środek okręgów w tym eksperymencie będzie znajdował się dokładnie w środku, wzdłuż osi przewodu z prądem.

Kierunek wektorów indukcji magnetycznej w przewodzie z prądem jest łatwy do określenia zgodnie z regułą świdra lub zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej: przy ruchu postępowym osi śruby w kierunku prądu w drucie kierunek obrotu śruby lub uchwytu kardanowego (wkręcanie lub wykręcanie) będzie wskazywał kierunek pole magnetyczne wokół prądu.

Dlaczego stosowana jest reguła gimbala? Ponieważ pracę wirnika (oznaczoną w teorii pola przez zanik) wykorzystaną w dwóch równaniach Maxwella można formalnie zapisać jako iloczyn wektorowy (z operatorem nabla), a co najważniejsze, ponieważ wirnik pola wektorowego można porównać do ( jest analogia) do prędkości kątowej obrotu płynu idealnego (wyobrażonego przez samego Maxwella), którego pole prędkości przepływu reprezentuje dane pole wektorowe, można zastosować dla wirnika za pomocą tych sformułowań reguł, które są opisane dla prędkości kątowej .

Tak więc, jeśli obrócisz kciuk w kierunku wiru pola wektorowego, przekręci się on w kierunku wektora wirnika tego pola.

Jak widać, w przeciwieństwie do linii natężenia pola elektrostatycznego, które są otwarte w przestrzeni, linie indukcji magnetycznej otaczające prąd elektryczny są zamknięte. Jeśli linie natężenia elektrycznego E zaczynają się od ładunków dodatnich, a kończą ładunkami ujemnymi, to linie indukcji magnetycznej B po prostu zamykają się wokół prądu, który je generuje.

Teraz skomplikujmy eksperyment. Rozważ zamiast prostego drutu z prądem zagięcie z prądem. Załóżmy, że wygodnie jest nam ustawić taką pętlę prostopadle do płaszczyzny rysunku, z prądem skierowanym do nas z lewej strony iz prawej strony od nas. Jeśli teraz kompas z igłą magnetyczną zostanie umieszczony wewnątrz pętli prądowej, to igła magnetyczna wskaże kierunek linii indukcji magnetycznej — będą one skierowane wzdłuż osi pętli.

Dlaczego? Ponieważ przeciwległe boki płaszczyzny cewki będą analogiczne do biegunów igły magnetycznej.Tam, gdzie odchodzą linie B, znajduje się północny biegun magnetyczny, gdzie wchodzą na biegun południowy. Łatwo to zrozumieć, jeśli najpierw rozważymy przewód przewodzący prąd i jego pole magnetyczne, a następnie po prostu zwijamy drut w pierścień.

Aby określić kierunek indukcji magnetycznej pętli z prądem, używają również reguły gimbala lub reguły śruby prawoskrętnej. Umieść końcówkę gimbala na środku pętli i obróć ją zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Ruch translacyjny gimbala zbiegnie się w kierunku z wektorem indukcji magnetycznej B w środku pętli.

Oczywiście kierunek pola magnetycznego prądu jest powiązany z kierunkiem prądu w przewodzie, czy to w przewodzie prostym, czy w cewce.

Ogólnie przyjmuje się, że strona cewki lub cewki przewodzącej prąd, po której wychodzą linie indukcji magnetycznej B (kierunek wektora B jest skierowany na zewnątrz), to północny biegun magnetyczny, a po której wchodzą linie (wektor B jest skierowany do wewnątrz) południowy biegun magnetyczny.

Jeśli wiele zwojów z prądem tworzy długą cewkę - solenoid (długość cewki jest wielokrotnością jej średnicy), to pole magnetyczne w jej wnętrzu jest jednorodne, to znaczy linie indukcji magnetycznej B są do siebie równoległe i mają jednakowej gęstości na całej długości cewki. Nawiasem mówiąc, pole magnetyczne magnesu trwałego jest zewnętrznie podobne do pola magnetycznego cewki przewodzącej prąd.

Dla cewki o natężeniu prądu I, długości l i liczbie zwojów N, indukcja magnetyczna w próżni będzie liczbowo równa:

Tak więc pole magnetyczne wewnątrz cewki z prądem jest jednorodne i skierowane od bieguna południowego do bieguna północnego (wewnątrz cewki!). Indukcja magnetyczna wewnątrz cewki jest modulo proporcjonalna do liczby amperozwojów na jednostkę długości cewki przewodzącej prąd.