Magnetické pole cievky s prúdom

Ak existuje elektrostatické pole v priestore okolo stacionárnych elektrických nábojov, potom v priestore okolo pohybujúcich sa nábojov (ako aj okolo časovo premenných elektrických polí pôvodne navrhnutých Maxwellom) existuje magnetické pole… Toto je ľahké experimentálne pozorovať.

Vďaka magnetickému poľu na seba navzájom pôsobia elektrické prúdy, ako aj permanentné magnety a prúdy s magnetmi. V porovnaní s elektrickou interakciou je magnetická interakcia oveľa silnejšia. Túto interakciu včas študoval André-Marie Ampère.

Vo fyzike je charakteristika magnetického poľa magnetická indukcia B a čím je väčšia, tým silnejšie je magnetické pole. Magnetická indukcia B je vektorová veličina, jej smer sa zhoduje so smerom sily pôsobiacej na severný pól konvenčnej magnetickej šípky umiestnenej v určitom bode magnetického poľa — magnetické pole bude orientovať magnetickú šípku v smere vektora B , teda v smere magnetického poľa .

Vektor B v ktoromkoľvek bode magnetickej indukčnej čiary k nemu smeruje tangenciálne. To znamená, že indukcia B charakterizuje silový účinok magnetického poľa na prúd. Podobnú úlohu zohráva sila E pre elektrické pole, ktorá charakterizuje silné pôsobenie elektrického poľa na náboj.

Najjednoduchší experiment so železnými pilinami vám umožňuje jasne demonštrovať jav pôsobenia magnetického poľa na zmagnetizovaný predmet, pretože v konštantnom magnetickom poli sa malé kúsky feromagnetika (takýmito kúskami sú železné piliny) magnetizujú pozdĺž poľa , magnetické šípky, ako malé šípky kompasu.

Ak vezmete zvislý medený drôt a prevlečiete ho cez dieru vo vodorovne umiestnenom hárku papiera (alebo plexiskla alebo preglejky) a potom na hárok nasypete kovové piliny, trochu ním potraste a potom veďte cez drôt jednosmerný prúd, je ľahké vidieť, ako sa piliny usporiadajú vo forme víru v kruhoch okolo drôtu, v rovine kolmej na prúd v ňom.

Tieto kruhy pilín budú jednoducho konvenčným znázornením čiar magnetickej indukcie B magnetického poľa vodiča s prúdom. Stred kruhov v tomto experimente bude umiestnený presne v strede pozdĺž osi vodiča pod prúdom.

Smer vektorov magnetickej indukcie v drôte s prúdom sa dá ľahko určiť podľa pravidla gimlet alebo podľa pravidla pravej skrutky: pri translačnom pohybe osi skrutky v smere prúdu v drôte bude smer otáčania skrutky alebo kardanovej rukoväte (zaskrutkovanie alebo vyskrutkovanie) udávať smer magnetické pole okolo prúdu.

Prečo sa uplatňuje pravidlo gimbalu? Pretože prácu rotora (označovaného v teórii poľa rozpadom) použitú v dvoch Maxwellových rovniciach možno formálne zapísať ako vektorový súčin (s operátorom nabla) a čo je najdôležitejšie, pretože rotor vektorového poľa možno prirovnať k (je analógia) k uhlovej rýchlosti rotácie ideálnej tekutiny (ako si ju predstavuje sám Maxwell), ktorej pole rýchlosti prúdenia predstavuje dané vektorové pole, možno použiť pre rotor podľa týchto formulácií pravidiel, ktoré sú opísané pre uhlovú rýchlosť .

Ak teda otočíte palcom v smere víru vektorového poľa, bude sa skrutkovať v smere rotorového vektora tohto poľa.

Ako vidíte, na rozdiel od čiar intenzity elektrostatického poľa, ktoré sú v priestore otvorené, čiary magnetickej indukcie obklopujúce elektrický prúd sú uzavreté. Ak čiary elektrickej intenzity E začínajú kladnými nábojmi a končia zápornými nábojmi, potom sa čiary magnetickej indukcie B jednoducho uzavrú okolo prúdu, ktorý ich generuje.

Teraz experiment skomplikujme. Zvážte namiesto priameho drôtu s prúdom ohyb s prúdom. Predpokladajme, že je pre nás vhodné umiestniť takúto slučku kolmo na rovinu výkresu, pričom prúd smeruje k nám vľavo a vpravo od nás. Ak je teraz kompas s magnetickou strelkou umiestnený vo vnútri prúdovej slučky, potom magnetická strelka bude udávať smer čiar magnetickej indukcie - budú nasmerované pozdĺž osi slučky.

prečo? Pretože protiľahlé strany roviny cievky budú analogické pólom magnetickej ihly.Tam, kde čiary B odchádzajú, je severný magnetický pól, kde vstupujú do južného pólu. To je ľahké pochopiť, ak najprv zvážite vodič s prúdom a jeho magnetické pole a potom jednoducho naviniete vodič do krúžku.

Na určenie smeru magnetickej indukcie slučky s prúdom používajú aj kardanové pravidlo alebo pravidlo pravej skrutky. Umiestnite hrot gimbalu do stredu slučky a otočte ho v smere hodinových ručičiek. Translačný pohyb gimbalu sa bude zhodovať v smere s vektorom magnetickej indukcie B v strede slučky.

Je zrejmé, že smer magnetického poľa prúdu súvisí so smerom prúdu v drôte, či už ide o rovný drôt alebo cievku.

Všeobecne sa uznáva, že strana cievky s prúdom alebo cievky, kde vystupujú čiary magnetickej indukcie B (smer vektora B je von), je severný magnetický pól a kde čiary vstupujú (vektor B smeruje dovnútra) južný magnetický pól.

Ak veľa závitov s prúdom tvorí dlhú cievku - solenoid (dĺžka cievky je mnohonásobkom jej priemeru), potom je magnetické pole vo vnútri rovnomerné, to znamená, že čiary magnetickej indukcie B sú navzájom rovnobežné a majú rovnaká hustota po celej dĺžke cievky. Mimochodom, magnetické pole permanentného magnetu je zvonka podobné magnetickému poľu cievky s prúdom.

Pre cievku s prúdom I, dĺžka l, s počtom závitov N, bude magnetická indukcia vo vákuu číselne rovná:

Takže magnetické pole vo vnútri cievky s prúdom je rovnomerné a smeruje od južného pólu k severnému pólu (vo vnútri cievky!). Magnetická indukcia vo vnútri cievky je modulo úmerná počtu ampérzávitov na jednotku dĺžky cievky s prúdom.