Magnetfelt til den strømførende spolen

Hvis det eksisterer et elektrostatisk felt i rommet rundt stasjonære elektriske ladninger, så eksisterer det i rommet rundt bevegelige ladninger (så vel som rundt de tidsvarierende elektriske feltene som opprinnelig ble foreslått av Maxwell) magnetfelt… Dette er enkelt å observere eksperimentelt.

Takket være magnetfeltet samhandler elektriske strømmer med hverandre, så vel som permanente magneter og strømmer med magneter. Sammenlignet med den elektriske interaksjonen er den magnetiske interaksjonen mye sterkere. Denne interaksjonen ble etter hvert studert av André-Marie Ampère.

I fysikk er magnetfeltkarakteristikken magnetisk induksjon B og jo større den er, jo sterkere er magnetfeltet. Den magnetiske induksjonen B er en vektormengde, dens retning sammenfaller med retningen til kraften som virker på nordpolen til en konvensjonell magnetisk pil plassert på et eller annet punkt i magnetfeltet - magnetfeltet vil orientere den magnetiske pilen i retningen til vektoren B , det vil si i retning av magnetfeltet .

Vektor B på et hvilket som helst punkt av den magnetiske induksjonslinjen er rettet mot den tangentielt. Det vil si at induksjonen B karakteriserer krafteffekten av magnetfeltet på strømmen. En lignende rolle spilles av kraften E for det elektriske feltet, som karakteriserer den sterke virkningen av det elektriske feltet på ladningen.

Det enkleste eksperimentet med jernspon lar deg tydelig demonstrere fenomenet med virkningen av et magnetfelt på en magnetisert gjenstand, fordi i et konstant magnetfelt magnetiseres små biter av en ferromagnet (slike stykker er jernspon) langs feltet , magnetisk piler, som små kompasspiler.

Hvis du tar en vertikal kobbertråd og kjører den gjennom et hull i et horisontalt plassert ark papir (eller pleksiglass eller kryssfiner) og deretter heller metallspåner på arket, rister det litt og kjører deretter likestrøm gjennom ledningen, det er lett å se hvordan filingene vil ordne seg i form av en virvel i sirkler rundt ledningen, i et plan vinkelrett på strømmen i den.

Disse sirklene av sagflis vil ganske enkelt være en konvensjonell representasjon av linjene for magnetisk induksjon B av magnetfeltet til en strømførende leder. Sentrum av sirklene i dette eksperimentet vil være plassert nøyaktig i sentrum, langs aksen til den strømførende ledningen.

Retningen til de magnetiske induksjonsvektorene i en strømførende ledning er lett å bestemme etter gimlet-regelen eller i henhold til høyre skrueregel: med translasjonsbevegelsen til skrueaksen i retning av strømmen i ledningen, vil rotasjonsretningen til skruen eller kardanhåndtaket (skruing inn eller ut) angi retningen til magnetfelt rundt strømmen.

Hvorfor brukes gimbal-regelen? Fordi rotorens arbeid (betegnet i feltteori med forfall) brukt i to Maxwell-ligninger kan skrives formelt som et vektorprodukt (med operatøren nabla) og viktigst av alt fordi rotoren til et vektorfelt kan sammenlignes med ( er en analogi) til vinkelhastigheten for rotasjon av det ideelle fluidet (som forestilt av Maxwell selv), hvis strømningshastighetsfelt representerer et gitt vektorfelt, kan brukes for rotoren ved disse regelformuleringene som er beskrevet for vinkelhastigheten .

Dermed, hvis du dreier tommelen i retning av vektorfeltvirvelen, vil den skru i retning av rotorvektoren til det feltet.

Som du kan se, i motsetning til linjene med elektrostatisk feltintensitet, som er åpne i rommet, er linjene med magnetisk induksjon som omgir den elektriske strømmen lukket. Hvis linjene med elektrisk intensitet E begynner med positive ladninger og slutter med negative ladninger, lukker linjene med magnetisk induksjon B ganske enkelt rundt strømmen som genererer dem.

La oss nå komplisere eksperimentet. Tenk i stedet for en rett ledning med strøm, en bøy med strøm. Anta at det er praktisk for oss å plassere en slik sløyfe vinkelrett på tegningens plan, med strømmen rettet mot oss til venstre og til høyre fra oss. Hvis nå et kompass med en magnetisk nål er plassert inne i strømsløyfen, vil den magnetiske nålen indikere retningen til linjene for magnetisk induksjon - de vil bli rettet langs sløyfens akse.

Hvorfor? Siden de motsatte sidene av spolens plan vil være analoge med polene til den magnetiske nålen.Der B-linjene forlater er den magnetiske nordpolen, der de går inn i sørpolen. Dette er lett å forstå hvis du først vurderer en strømførende ledning og dens magnetiske felt, og deretter ganske enkelt vikler ledningen til en ring.

For å bestemme retningen på den magnetiske induksjonen til en sløyfe med en strøm, bruker de også gimbal-regelen eller høyre skrueregel. Plasser spissen av gimbalen i midten av løkken og roter den med klokken. Translasjonsbevegelsen til gimbalen vil falle sammen i retning med den magnetiske induksjonsvektoren B i midten av sløyfen.

Det er klart at retningen til strømmens magnetfelt er relatert til retningen til strømmen i ledningen, enten det er en rett ledning eller en spole.

Det er generelt akseptert at siden av den strømførende spolen eller spolen der linjene for magnetisk induksjon B går ut (retningen til vektor B er utover) er den nordlige magnetiske polen og hvor linjene kommer inn (vektor B er rettet innover) er sørmagnetisk pol.

Hvis mange svinger med strøm danner en lang spole - en solenoid (lengden på spolen er mange ganger dens diameter), så er magnetfeltet inne i den ensartet, det vil si at linjene for magnetisk induksjon B er parallelle med hverandre og har samme tetthet langs hele spolens lengde. Forøvrig er magnetfeltet til en permanent magnet eksternt likt magnetfeltet til en strømførende spole.

For en spole med strøm I, lengde l, med antall omdreininger N, vil den magnetiske induksjonen i et vakuum være numerisk lik:

Så magnetfeltet inne i spolen med strømmen er jevnt og rettet fra sørpolen til nordpolen (inne i spolen!). Den magnetiske induksjonen inne i spolen er modulo proporsjonal med antall ampere-omdreininger per lengdeenhet av den strømførende spolen.