Магнитно поле на намотката с ток

Ако в пространството около стационарни електрически заряди съществува електростатично поле, то в пространството около движещи се заряди (както и около вариращи във времето електрически полета, които първоначално е предложил Максуел) съществува магнитно поле… Това е лесно да се наблюдава експериментално.

Благодарение на магнитното поле електрическите токове взаимодействат помежду си, както и постоянните магнити и токовете с магнити. В сравнение с електрическото взаимодействие, магнитното взаимодействие е много по -силно. Това взаимодействие е проучено своевременно от Андре-Мари Ампер.

Във физиката характеристиката на магнитното поле е магнитна индукция B и колкото по -голямо е то, толкова по -силно е магнитното поле. Магнитната индукция B е векторно количество, нейната посока съвпада с посоката на силата, действаща върху северния полюс на конвенционална магнитна стрела, поставена в някаква точка на магнитното поле — магнитното поле ще ориентира магнитната стрелка по посока на вектор B , тоест по посока на магнитното поле.

Вектор В във всяка точка на магнитната индукционна линия е насочен към нея тангенциално. Тоест, индукцията В характеризира силовия ефект на магнитното поле върху тока. Подобна роля играе силата Е за електрическото поле, която характеризира силното действие на електрическото поле върху заряда.

Най -простият експеримент с железни стружки ви позволява ясно да демонстрирате явлението на действието на магнитно поле върху намагнетизиран обект, тъй като в постоянно магнитно поле малки парченца феромагнит (такива парчета са железни стружки) се намагнетизират по полето , магнитни стрелки, като малки стрелки на компас.

Ако вземете вертикален меден проводник и го прокарате през отвор в хоризонтално разположен лист хартия (или плексиглас, или шперплат) и след това изсипете метални стружки върху листа, разклатете го малко и след това прекарайте постоянен ток през проводник, лесно е да се види как стърготините ще се подреждат под формата на вихър в кръгове около проводника, в равнина, перпендикулярна на тока в него.

Тези кръгове от дървени стърготини ще бъдат просто конвенционално изображение на линиите на магнитна индукция В на магнитното поле на проводник с ток. Центърът на кръговете в този експеримент ще бъде разположен точно в центъра, по оста на проводника с ток.

Посоката на векторите на магнитната индукция в проводник с ток е лесна за определяне по правилото на gimlet или съгласно правилото на десния винт: с транслационното движение на оста на винта по посока на тока в проводника, посоката на въртене на винта или дръжката на кардана (завинтване или излизане) ще показва посоката на магнитно поле около тока.

Защо се прилага правилото на кардана? Тъй като работата на ротора (обозначена в теорията на полето с гниене), използвана в две уравнения на Максуел, може да бъде записана формално като векторен продукт (с оператора nabla) и най -важното, защото роторът на векторно поле може да бъде оприличен (е аналогия) с ъгловата скорост на въртене на идеалната течност (както си представя самият Максуел), чието поле на скоростта на потока представлява дадено векторно поле, може да се използва за ротора чрез тези формулировки на правилото, които са описани за ъгловата скорост .

По този начин, ако завъртите палеца по посока на вихъра на векторното поле, той ще се завинтва по посока на вектора на ротора на това поле.

Както можете да видите, за разлика от линиите на интензивност на електростатичното поле, които са отворени в пространството, линиите на магнитна индукция, обграждащи електрическия ток, са затворени. Ако линиите с електрически интензитет E започват с положителни заряди и завършват с отрицателни заряди, тогава линиите на магнитната индукция B просто се затварят около тока, който ги генерира.

Сега нека усложним експеримента. Помислете вместо прав проводник с ток, завой с ток. Да предположим, че е удобно за нас да позиционираме такъв контур перпендикулярно на равнината на чертежа, като токът е насочен към нас отляво, а отдясно от нас. Ако сега компас с магнитна стрелка е поставен вътре в контура с ток, тогава магнитната стрелка ще посочи посоката на линиите на магнитната индукция — те ще бъдат насочени по оста на контура.

Защо? Тъй като противоположните страни на равнината на бобината ще бъдат аналогични на полюсите на магнитната игла. От мястото, където излизат линиите B, е северният магнитен полюс, където те влизат — южният полюс. Това е лесно да се разбере, ако първо вземете предвид проводник с ток и неговото магнитно поле и след това просто навиете проводника в пръстен.

За да определят посоката на магнитната индукция на контур с ток, те също използват правилото на кардана или правилото на десния винт. Поставете върха на кардана в центъра на контура и го завъртете по часовниковата стрелка. Транслационното движение на кардана ще съвпада по посока с вектора на магнитната индукция В в центъра на контура.

Очевидно посоката на магнитното поле на тока е свързана с посоката на тока в проводника, било то прав проводник или бобина.

Общоприето е, че страната на бобината или намотката с ток, откъдето излизат линиите на магнитната индукция В (посоката на вектора В е навън), е северният магнитен полюс и където линиите влизат (вектор В е насочен навътре ) е южният магнитен полюс.

Ако много обороти с ток образуват дълга намотка — соленоид (дължината на бобината е многократно диаметъра й), тогава магнитното поле вътре в нея е равномерно, тоест линиите на магнитната индукция В са успоредни една на друга и имат еднаква плътност по цялата дължина на бобината. Между другото, магнитното поле на постоянен магнит е подобно отвън на магнитното поле на бобина с ток.

За намотка с ток I, дължина l, с броя на завъртанията N, магнитната индукция във вакуум ще бъде числено равна на:

И така, магнитното поле вътре в бобината с тока е равномерно и е насочено от южния към северния полюс (вътре в бобината!). Магнитната индукция вътре в бобината е пропорционална по модул на броя ампер-завъртания на единица дължина на намотката с ток.