Câmp magnetic al bobinei purtătoare de curent

Dacă există un câmp electrostatic în spațiul din jurul sarcinilor electrice staționare, atunci în spațiul din jurul sarcinilor în mișcare (precum și în jurul câmpurilor electrice care variază în timp propuse inițial de Maxwell) există camp magnetic… Acest lucru este ușor de observat experimental.

Datorită câmpului magnetic, curenții electrici interacționează între ei, precum și magneții permanenți și curenții cu magneți. Comparativ cu interacțiunea electrică, interacțiunea magnetică este mult mai puternică. Această interacțiune a fost studiată la timp de André-Marie Ampère.

În fizică, caracteristica câmpului magnetic este inducție magnetică B și cu cât este mai mare, cu atât câmpul magnetic este mai puternic. Inducția magnetică B este o mărime vectorială, direcția acesteia coincide cu direcția forței care acționează asupra polului nord al unei săgeți magnetice convenționale plasată într-un punct oarecare din câmpul magnetic — câmpul magnetic va orienta săgeata magnetică în direcția vectorului. B , adică în direcția câmpului magnetic .

Vectorul B în orice punct al liniei de inducție magnetică este îndreptat către el tangențial. Adică, inducția B caracterizează efectul de forță al câmpului magnetic asupra curentului. Un rol similar îl joacă forța E pentru câmpul electric, care caracterizează acțiunea puternică a câmpului electric asupra sarcinii.

Cel mai simplu experiment cu pilitura de fier vă permite să demonstrați în mod clar fenomenul acțiunii unui câmp magnetic asupra unui obiect magnetizat, deoarece într-un câmp magnetic constant bucăți mici de feromagnet (astfel de bucăți sunt pilitură de fier) ​​sunt magnetizate de-a lungul câmpului , magnetic. săgeți, ca niște săgeți mici ale busolei.

Dacă luați un fir de cupru vertical și îl treceți printr-o gaură dintr-o foaie de hârtie așezată orizontal (sau plexiglas sau placaj) și apoi turnați pilitura de metal pe foaie, agitați-l puțin și apoi treceți un curent continuu prin fir, este ușor de văzut cum pilitura se vor aranja sub forma unui vortex în cercuri în jurul firului, într-un plan perpendicular pe curentul din acesta.

Aceste cercuri de rumeguș vor fi pur și simplu o reprezentare convențională a liniilor de inducție magnetică B a câmpului magnetic al unui conductor care poartă curent. Centrul cercurilor din acest experiment va fi situat exact în centru, de-a lungul axei firului care transportă curent.

Direcția vectorilor de inducție magnetică într-un fir care transportă curent este ușor de determinat prin regula gimletului sau conform regulii șurubului din dreapta: odată cu mișcarea de translație a axei șurubului în direcția curentului din fir, sensul de rotație al șurubului sau al mânerului cardanului (înșurubare sau scoatere) va indica direcția șurubului. câmp magnetic în jurul curentului.

De ce se aplică regula gimbalului? Deoarece munca rotorului (notată în teoria câmpului prin dezintegrare) utilizată în două ecuații Maxwell poate fi scrisă formal ca produs vectorial (cu operatorul nabla) și, cel mai important, deoarece rotorul unui câmp vectorial poate fi asemănat cu ( este un analogie) cu viteza unghiulară de rotație a fluidului ideal (cum a fost imaginat de Maxwell însuși), al cărui câmp de viteză a curgerii reprezintă un câmp vectorial dat, poate fi utilizat pentru rotor prin aceste formulări de reguli care sunt descrise pentru viteza unghiulară.

Astfel, dacă rotiți degetul mare în direcția vortexului câmpului vectorial, acesta se va înșuruba în direcția vectorului rotor al acelui câmp.

După cum puteți vedea, spre deosebire de liniile de intensitate a câmpului electrostatic, care sunt deschise în spațiu, liniile de inducție magnetică care înconjoară curentul electric sunt închise. Dacă liniile de intensitate electrică E încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative, atunci liniile de inducție magnetică B pur și simplu se închid în jurul curentului care le generează.

Acum să complicăm experimentul. Luați în considerare în loc de un fir drept cu curent, o îndoire cu curent. Să presupunem că ne este convenabil să poziționăm o astfel de buclă perpendicular pe planul desenului, cu curentul îndreptat spre noi în stânga și în dreapta de noi. Dacă acum o busolă cu un ac magnetic este plasată în interiorul buclei de curent, atunci acul magnetic va indica direcția liniilor de inducție magnetică - acestea vor fi direcționate de-a lungul axei buclei.

De ce? Deoarece părțile opuse ale planului bobinei vor fi analoge cu polii acului magnetic.Unde pleacă liniile B este polul magnetic nord, unde intră în polul sud. Acest lucru este ușor de înțeles dacă luați în considerare mai întâi un fir care transportă curent și câmpul său magnetic, apoi pur și simplu înfășurați firul într-un inel.

Pentru a determina direcția inducției magnetice a unei bucle cu un curent, ei folosesc și regula gimbal sau regula cu șurub din dreapta. Așezați vârful cardanului în centrul buclei și rotiți-l în sensul acelor de ceasornic. Mișcarea de translație a cardanului va coincide în direcția cu vectorul de inducție magnetică B din centrul buclei.

Evident, direcția câmpului magnetic al curentului este legată de direcția curentului din fir, fie el un fir drept sau o bobină.

Este în general acceptat că partea bobinei sau bobinei purtătoare de curent în care ies liniile de inducție magnetică B (direcția vectorului B este spre exterior) este polul nord magnetic și unde intră liniile (vectorul B este îndreptat spre interior) este polul magnetic sudic.

Dacă multe spire cu curent formează o bobină lungă - un solenoid (lungimea bobinei este de mai multe ori diametrul său), atunci câmpul magnetic din interiorul său este uniform, adică liniile de inducție magnetică B sunt paralele între ele și au aceeași densitate pe toată lungimea bobinei. De altfel, câmpul magnetic al unui magnet permanent este similar în exterior cu câmpul magnetic al unei bobine purtătoare de curent.

Pentru o bobină cu curent I, lungime l, cu numărul de spire N, inducția magnetică în vid va fi numeric egală cu:

Deci, câmpul magnetic din interiorul bobinei cu curentul este uniform și direcționat de la polul sud la polul nord (în interiorul bobinei!). Inducția magnetică din interiorul bobinei este modulo proporțională cu numărul de spire de amperi pe unitatea de lungime a bobinei purtătoare de curent.