Az áramvezető tekercs mágneses tere

Ha az álló elektromos töltések körüli térben elektrosztatikus tér van, akkor a mozgó töltések körüli térben (valamint a Maxwell által eredetileg javasolt időben változó elektromos terek körül) létezik mágneses mező… Ezt könnyű kísérletileg megfigyelni.

A mágneses térnek köszönhetően az elektromos áramok kölcsönhatásba lépnek egymással, valamint az állandó mágnesek és a mágneses áramok. Az elektromos kölcsönhatáshoz képest a mágneses kölcsönhatás sokkal erősebb. Ezt a kölcsönhatást a kellő időben André-Marie Ampère tanulmányozta.

A fizikában a mágneses tér karakterisztikája az mágneses indukció B és minél nagyobb, annál erősebb a mágneses tér. A B mágneses indukció vektormennyiség, iránya egybeesik a mágneses tér valamely pontján elhelyezett hagyományos mágneses nyíl északi pólusára ható erő irányával – a mágneses tér a mágneses nyilat a vektor irányába fogja irányítani. B , vagyis a mágneses tér irányában .

A mágneses indukciós vonal bármely pontjában lévő B vektor tangenciálisan irányul rá. Vagyis a B indukció a mágneses tér áramerősségre gyakorolt ​​hatását jellemzi. Hasonló szerepet játszik az elektromos térre ható E erő, amely az elektromos tér töltésre gyakorolt ​​erős hatását jellemzi.

A vasreszelékekkel végzett legegyszerűbb kísérlet lehetővé teszi a mágneses tér mágnesezett tárgyra gyakorolt ​​hatásának egyértelmű bemutatását, mivel állandó mágneses térben a ferromágnes kis darabjai (az ilyen darabok vasreszelékek) mágneseződnek a mező mentén, mágneses. nyilak, mint az iránytű kis nyilai.

Ha veszünk egy függőleges rézhuzalt, és átvezetjük egy vízszintesen elhelyezett papírlapon (vagy plexiben vagy rétegelt lemezen) lévő lyukon, majd fémreszeléket öntünk a lapra, kicsit megrázzuk, majd egyenáramot vezetünk át a vezetéken, könnyen belátható, hogy a reszelék hogyan rendeződnek el örvény formájában a vezeték körül, a benne lévő áramerősségre merőleges síkban.

Ezek a fűrészporból készült körök egyszerűen egy áramvezető vezeték mágneses terének mágneses indukciójának B vonalainak hagyományos ábrázolásai. Ebben a kísérletben a körök középpontja pontosan a középpontban, az áramvezető vezeték tengelye mentén helyezkedik el.

A mágneses indukciós vektorok iránya egy áramvezető vezetékben könnyen meghatározható a gimlet szabály szerint vagy a jobb oldali csavarszabály szerint: a csavar tengelyének a huzalban lévő áram irányába történő transzlációs mozgásával a csavar vagy kardánfogantyú forgásiránya (becsavarás vagy kicsavarás) jelzi a csavar irányát. mágneses mező az áram körül.

Miért alkalmazzák a gimbal szabályt? Mert a két Maxwell-egyenletben használt forgórész munkája (amelyet a térelméletben bomlás jelöl) formálisan vektorszorzatként írható fel (a nabla operátorral), és ami a legfontosabb, mert egy vektormező forgórésze hasonlítható ( egy analógia) az ideális folyadék forgási szögsebességéhez (maga Maxwell képzeletében), amelynek áramlási sebességmezeje egy adott vektormezőt reprezentál, felhasználhatók a rotorra ezekkel a szögsebességre leírt szabályokkal.

Így, ha a hüvelykujjat a vektormező örvénye irányába forgatja, akkor az adott mező rotorvektorának irányába csavarodik.

Mint látható, az elektrosztatikus térerősség vonalaival ellentétben, amelyek a térben nyitottak, az elektromos áramot körülvevő mágneses indukciós vonalak zártak. Ha az E elektromos intenzitású vonalak pozitív töltésekkel kezdődnek és negatív töltésekkel végződnek, akkor a B mágneses indukció vonalai egyszerűen összezáródnak az őket létrehozó áram körül.

Most bonyolítsuk le a kísérletet. Fontolja meg az árammal járó egyenes vezeték helyett a kanyart árammal. Tegyük fel, hogy kényelmes nekünk egy ilyen hurkot a rajz síkjára merőlegesen elhelyezni úgy, hogy az áram balra irányul felénk, tőlünk pedig jobbra. Ha most egy mágneses tűvel ellátott iránytűt helyeznek el az áramhurok belsejében, akkor a mágneses tű jelzi a mágneses indukció vonalainak irányát - a hurok tengelye mentén irányulnak.

Miért? Mivel a tekercs síkjának ellentétes oldalai a mágnestű pólusaihoz hasonlóak.Ahol a B vonalak kilépnek, az az északi mágneses pólus, ahol belépnek a déli pólusba. Ez könnyen megérthető, ha először egy áramvezető vezetéket és annak mágneses terét veszünk figyelembe, majd egyszerűen gyűrűvé tekerjük a vezetéket.

Egy hurok árammal történő mágneses indukciójának irányának meghatározására a gimbal-szabályt vagy a jobb oldali csavarszabályt is használják. Helyezze a gimbal hegyét a hurok közepére, és forgassa el az óramutató járásával megegyező irányba. A gimbal transzlációs mozgása egybeesik a hurok közepén lévő B mágneses indukciós vektorral.

Nyilvánvaló, hogy az áram mágneses mezőjének iránya összefügg a vezetékben lévő áram irányával, legyen az egyenes vezeték vagy tekercs.

Általánosan elfogadott, hogy az áramvezető tekercsnek vagy tekercsnek az az oldala, ahol a mágneses indukció B kilépési vonalai (a B vektor iránya kifelé mutat), az északi mágneses pólus, és ahová a vonalak belépnek (B vektor befelé irányul). déli mágneses pólus.

Ha sok áramerősségű fordulat hosszú tekercset - mágnestekercset képez (a tekercs hossza többszöröse az átmérőjének), akkor a benne lévő mágneses mező egyenletes, vagyis a B mágneses indukció vonalai párhuzamosak egymással és azonos sűrűségű a tekercs teljes hosszában. Egyébként az állandó mágnes mágneses tere külsőleg hasonló az áramvezető tekercs mágneses teréhez.

Az I áramú, l hosszúságú, N menetszámú tekercsnél a mágneses indukció vákuumban számszerűen egyenlő lesz:

Tehát a tekercsen belüli mágneses mező az árammal egyenletes és a déli pólusról az északi pólusra irányul (a tekercsen belül!). A tekercsen belüli mágneses indukció modulo arányos az áramvezető tekercs egységnyi hosszára eső amper-fordulatok számával.