Virtaa kuljettavan kelan magneettikenttä

Jos paikallaan pysyvien sähkövarausten ympärillä olevassa tilassa on sähköstaattinen kenttä, niin liikkuvien varausten ympärillä olevassa tilassa (samoin kuin Maxwellin alun perin ehdottamien ajassa muuttuvien sähkökenttien ympärillä) on olemassa magneettikenttä… Tämä on helppo havaita kokeellisesti.

Magneettikentän ansiosta sähkövirrat ovat vuorovaikutuksessa keskenään, samoin kuin kestomagneetit ja virrat magneettien kanssa. Sähköiseen vuorovaikutukseen verrattuna magneettinen vuorovaikutus on paljon vahvempi. Tätä vuorovaikutusta tutki aikanaan André-Marie Ampère.

Fysiikassa magneettikentän ominaisuus on magneettinen induktio B ja mitä suurempi se on, sitä vahvempi magneettikenttä. Magneettinen induktio B on vektorisuure, jonka suunta osuu yhteen magneettikentän johonkin pisteeseen sijoitetun tavanomaisen magneettisen nuolen pohjoisnapaan vaikuttavan voiman suunnan kanssa – magneettikenttä suuntaa magneettisen nuolen vektorin suuntaan B eli magneettikentän suunnassa.

Vektori B missä tahansa magneettisen induktiolinjan kohdassa on suunnattu siihen tangentiaalisesti. Eli induktio B luonnehtii magneettikentän voimavaikutusta virtaan. Samanlainen rooli on sähkökentän voimalla E, joka luonnehtii sähkökentän voimakasta vaikutusta varaukseen.

Yksinkertaisin koe rautaviilailla antaa sinun osoittaa selvästi magneettikentän vaikutuksen ilmiön magnetoituun kohteeseen, koska jatkuvassa magneettikentässä pienet ferromagneetin palaset (sellaiset palat ovat rautaviilat) magnetisoituvat kenttää pitkin , magneettinen nuolet, kuten pienet kompassin nuolet.

Jos otat pystysuoran kuparilangan ja vedät sen vaakasuoraan sijoitetussa paperiarkissa (tai pleksilasissa tai vanerissa) olevan reiän läpi ja kaadat sitten metalliviilaa levylle, ravistat sitä hieman ja johdat sitten tasavirtaa langan läpi, on helppo nähdä, kuinka viilat asettuvat pyörteen muotoon ympyröiksi langan ympärille tasolle, joka on kohtisuorassa sen virtaan nähden.

Nämä sahanpuruympyrät ovat yksinkertaisesti tavanomainen esitys virtaa kuljettavan johtimen magneettikentän magneettisen induktion linjoista B. Ympyröiden keskipiste tässä kokeessa sijoittuu tarkalleen keskellä virtaa kuljettavan johtimen akselia pitkin.

Magneettisten induktiovektorien suunta virtaa kuljettavassa johdossa on helppo määrittää gimlet-säännön mukaan tai oikeanpuoleisen ruuvisäännön mukaan: ruuvin akselin translaatioliikkeellä johdossa olevan virran suuntaan ruuvin tai kardaanikahvan pyörimissuunta (kierrä sisään tai ulos) osoittaa ruuvin suunnan magneettikenttä virran ympärillä.

Miksi gimbal-sääntöä sovelletaan? Koska kahdessa Maxwell-yhtälössä käytetyn roottorin työ (jota kenttäteoriassa tarkoittaa vaimeneminen) voidaan kirjoittaa muodollisesti vektorituloksi (operaattorilla nabla) ja mikä tärkeintä, koska vektorikentän roottoria voidaan verrata ( on analogia) ideaalisen nesteen pyörimiskulmanopeuteen (kuten Maxwell itse on kuvitellut), jonka virtausnopeuskenttä edustaa tiettyä vektorikenttää, voidaan käyttää roottorille näillä sääntömuodoilla, jotka on kuvattu kulmanopeudelle .

Jos siis käännät peukaloa vektorikenttäpyörteen suuntaan, se kiertyy kyseisen kentän roottorivektorin suuntaan.

Kuten näette, toisin kuin sähköstaattisen kentän voimakkuuden viivat, jotka ovat avoimia avaruudessa, sähkövirtaa ympäröivät magneettisen induktion viivat ovat suljettuja. Jos sähköintensiteetin E viivat alkavat positiivisilla varauksilla ja päättyvät negatiivisiin varauksiin, niin magneettisen induktion B viivat yksinkertaisesti sulkeutuvat ne muodostavan virran ympärille.

Monimutkaistaan ​​nyt kokeilua. Harkitse suoran johdon sijasta virralla olevaa mutkaa. Oletetaan, että meidän on kätevää sijoittaa tällainen silmukka kohtisuoraan piirustuksen tasoon nähden siten, että virta suuntautuu meitä kohti vasemmalla ja oikealla meistä. Jos nyt magneettineulalla varustettu kompassi asetetaan virtasilmukan sisään, magneettineula osoittaa magneettisen induktion linjojen suunnan - ne suunnataan silmukan akselia pitkin.

Miksi? Koska käämin tason vastakkaiset puolet ovat analogisia magneettineulan napojen kanssa.Mistä B-linjat lähtevät, on pohjoinen magneettinapa, josta ne tulevat etelänavalle. Tämä on helppo ymmärtää, jos otat ensin huomioon virtaa kuljettavan johdon ja sen magneettikentän ja kelaat sitten johdon renkaaksi.

Virrallisen silmukan magneettisen induktion suunnan määrittämiseksi he käyttävät myös kardaanisääntöä tai oikeanpuoleista ruuvisääntöä. Aseta gimbalin kärki silmukan keskelle ja kierrä sitä myötäpäivään. Kardaanin translaatioliike osuu yhteen suunnassa silmukan keskellä olevan magneettisen induktiovektorin B kanssa.

On selvää, että virran magneettikentän suunta liittyy johdossa olevan virran suuntaan, olipa kyseessä sitten suora lanka tai kela.

On yleisesti hyväksyttyä, että virtaa kuljettavan kelan tai käämin se puoli, jossa magneettisen induktion B ulostulolinjat (vektorin B suunta on ulospäin) on pohjoinen magneettinapa ja jonne linjat tulevat (vektori B on suunnattu sisäänpäin), on magneettinen etelänapa.

Jos monet kierrokset virralla muodostavat pitkän kelan - solenoidin (kelan pituus on monta kertaa sen halkaisija), niin sen sisällä oleva magneettikenttä on tasainen, eli magneettisen induktion B linjat ovat yhdensuuntaisia ​​​​toistensa kanssa ja niillä on sama tiheys kelan koko pituudella. Muuten, kestomagneetin magneettikenttä on ulkoisesti samanlainen kuin virtaa kuljettavan kelan magneettikenttä.

Kelalle, jonka virta on I, pituus l ja kierrosten lukumäärä N, magneettinen induktio tyhjiössä on numeerisesti yhtä suuri kuin:

Joten magneettikenttä kelan sisällä virralla on tasainen ja suunnattu etelänavasta pohjoisnavalle (kelan sisällä!). Magneettinen induktio kelan sisällä on modulo verrannollinen ampeerikierrosten lukumäärään virtaa kuljettavan kelan pituusyksikköä kohti.