Magnetfält för den strömförande spolen

Om det finns ett elektrostatiskt fält i utrymmet runt stationära elektriska laddningar, så finns det i utrymmet runt rörliga laddningar (liksom runt de tidsvarierande elektriska fält som ursprungligen föreslagits av Maxwell) magnetiskt fält… Detta är lätt att observera experimentellt.

Tack vare magnetfältet interagerar elektriska strömmar med varandra, liksom permanentmagneter och strömmar med magneter. Jämfört med den elektriska interaktionen är den magnetiska interaktionen mycket starkare. Denna interaktion studerades i sinom tid av André-Marie Ampère.

Inom fysiken är magnetfältskarakteristiken magnetisk induktion B och ju större den är, desto starkare är magnetfältet. Den magnetiska induktionen B är en vektorkvantitet, dess riktning sammanfaller med riktningen för kraften som verkar på nordpolen av en konventionell magnetisk pil placerad vid någon punkt i magnetfältet - magnetfältet kommer att orientera den magnetiska pilen i vektorns riktning B , det vill säga i magnetfältets riktning .

Vektor B vid vilken punkt som helst av den magnetiska induktionslinjen är riktad mot den tangentiellt. Det vill säga, induktionen B karakteriserar krafteffekten av magnetfältet på strömmen. En liknande roll spelar kraften E för det elektriska fältet, som kännetecknar det elektriska fältets starka inverkan på laddningen.

Det enklaste experimentet med järnspån låter dig tydligt demonstrera fenomenet med verkan av ett magnetfält på ett magnetiserat föremål, eftersom små bitar av en ferromagnet (sådana bitar är järnspån) magnetiseras längs fältet, magnetiska pilar, som små kompasspilar.

Om du tar en vertikal koppartråd och drar den genom ett hål i ett horisontellt placerat pappersark (eller plexiglas eller plywood) och sedan häller metallspån på plåten, skakar den lite och drar sedan en likström genom tråden, det är lätt att se hur filningarna kommer att ordna sig i form av en virvel i cirklar runt tråden, i ett plan vinkelrätt mot strömmen i den.

Dessa cirklar av sågspån kommer helt enkelt att vara en konventionell representation av linjerna för magnetisk induktion B av magnetfältet hos en strömförande ledare. Cirklarnas mitt i detta experiment kommer att vara placerat exakt i mitten, längs den strömförande ledningens axel.

Riktningen för de magnetiska induktionsvektorerna i en strömförande tråd är lätt att bestämma av gimlet-regeln eller enligt den högra skruvregeln: med skruvaxelns translationsrörelse i strömriktningen i tråden, kommer rotationsriktningen för skruven eller kardanhandtaget (skruvas in eller ut) att indikera riktningen för magnetfält runt strömmen.

Varför tillämpas gimbalregeln? Eftersom rotorns arbete (betecknas i fältteorin med sönderfall) som används i två Maxwell-ekvationer kan skrivas formellt som en vektorprodukt (med operatorn nabla) och viktigast av allt eftersom rotorn i ett vektorfält kan liknas vid ( är en analogi) till vinkelhastigheten för rotation av den ideala vätskan (som föreställt sig av Maxwell själv), vars flödeshastighetsfält representerar ett givet vektorfält, kan användas för rotorn genom dessa regelformuleringar som beskrivs för vinkelhastigheten .

Således, om du vrider tummen i riktningen för vektorfältsvirveln, kommer den att skruvas i riktningen mot rotorvektorn för det fältet.

Som du kan se, till skillnad från linjerna för elektrostatisk fältintensitet, som är öppna i rymden, är linjerna för magnetisk induktion som omger den elektriska strömmen stängda. Om linjerna med elektrisk intensitet E börjar med positiva laddningar och slutar med negativa laddningar, så sluter linjerna för magnetisk induktion B helt enkelt runt strömmen som genererar dem.

Låt oss nu komplicera experimentet. Tänk istället för en rak tråd med ström, en böj med ström. Antag att det är bekvämt för oss att placera en sådan slinga vinkelrätt mot ritningens plan, med strömmen riktad mot oss till vänster och till höger från oss. Om nu en kompass med en magnetisk nål placeras inuti strömslingan, kommer den magnetiska nålen att indikera riktningen för magnetinduktionslinjerna - de kommer att riktas längs slingans axel.

Varför? Eftersom de motsatta sidorna av spolens plan kommer att vara analoga med polerna på den magnetiska nålen.Där B-linjerna lämnar är den magnetiska nordpolen, där de går in i sydpolen. Detta är lätt att förstå om man först tänker på en strömförande tråd och dess magnetfält och sedan helt enkelt lindar tråden till en ring.

För att bestämma riktningen för den magnetiska induktionen av en slinga med en ström använder de också kardanregeln eller högerskruvregeln. Placera spetsen på kardan i mitten av öglan och rotera den medurs. Den translationella rörelsen hos kardan kommer att sammanfalla i riktning med den magnetiska induktionsvektorn B i mitten av slingan.

Uppenbarligen är riktningen för strömmens magnetfält relaterad till strömriktningen i tråden, vare sig det är en rak tråd eller en spole.

Det är allmänt accepterat att sidan av den strömförande spolen eller spolen där linjerna för magnetisk induktion B utgång (riktningen för vektor B är utåt) är den nordliga magnetiska polen och där linjerna går in (vektor B är riktad inåt) är sydmagnetisk pol.

Om många varv med ström bildar en lång spole - en solenoid (längden på spolen är många gånger dess diameter), så är magnetfältet inuti den enhetligt, det vill säga linjerna för magnetisk induktion B är parallella med varandra och har samma densitet längs hela spolens längd. För övrigt liknar magnetfältet hos en permanentmagnet externt magnetfältet hos en strömförande spole.

För en spole med ström I, längd l, med antalet varv N, kommer den magnetiska induktionen i ett vakuum att vara numeriskt lika med:

Så magnetfältet inuti spolen med strömmen är enhetligt och riktat från sydpolen till nordpolen (inuti spolen!). Den magnetiska induktionen inuti spolen är modulo proportionell mot antalet amperevarv per längdenhet av den strömförande spolen.