Magnetno polje tokovne tuljave

Če v prostoru okoli mirujočih električnih nabojev obstaja elektrostatično polje, potem v prostoru okoli gibajočih se nabojev (kot tudi okoli časovno spremenljivih električnih polj, ki jih je prvotno predlagal Maxwell) obstaja magnetno polje… To je lahko opazovati eksperimentalno.

Zahvaljujoč magnetnemu polju medsebojno delujejo električni tokovi, pa tudi trajni magneti in tokovi z magneti. V primerjavi z električno interakcijo je magnetna interakcija veliko močnejša. To interakcijo je pravočasno proučeval André-Marie Ampère.

V fiziki je karakteristika magnetnega polja magnetna indukcija B in večji kot je, močnejše je magnetno polje. Magnetna indukcija B je vektorska količina, njena smer sovpada s smerjo sile, ki deluje na severni pol običajne magnetne puščice, nameščene na neki točki v magnetnem polju - magnetno polje bo usmerilo magnetno puščico v smeri vektorja B, to je v smeri magnetnega polja.

Vektor B na kateri koli točki črte magnetne indukcije je usmerjen nanjo tangencialno. To pomeni, da indukcija B označuje učinek sile magnetnega polja na tok. Podobno vlogo ima sila E za električno polje, ki označuje močno delovanje električnega polja na naboj.

Najenostavnejši poskus z železnimi opilki vam omogoča, da jasno prikažete pojav delovanja magnetnega polja na magnetiziran predmet, saj so v stalnem magnetnem polju majhni koščki feromagneta (takšni kosi so železni opilki) magnetizirani vzdolž polja , magnetno puščice, kot majhne puščice kompasa.

Če vzamete navpično bakreno žico in jo napeljete skozi luknjo v vodoravno postavljenem listu papirja (ali pleksi stekla ali vezanega lesa) in nato na list stresete kovinske opilke, jih malo stresete in nato skozi žico spustite enosmerni tok, enostavno je videti, kako se bodo opilki razporedili v obliki vrtinca v krogih okoli žice, v ravnini, ki je pravokotna na tok v njej.

Ti krogi žagovine bodo preprosto konvencionalna predstavitev linij magnetne indukcije B magnetnega polja prevodnika, po katerem teče tok. Središče krogov v tem poskusu bo točno v središču, vzdolž osi žice, po kateri teče tok.

Smer vektorjev magnetne indukcije v žici, po kateri teče tok, je enostavno določiti po pravilu gimleta ali po pravilu desnega vijaka: pri translacijskem gibanju osi vijaka v smeri toka v žici bo smer vrtenja vijaka ali kardanskega ročaja (vijačenje ali ven) kazala smer magnetno polje okoli toka.

Zakaj se uporablja pravilo gimbala? Ker je delo rotorja (v teoriji polja označeno z razpadom), uporabljeno v dveh Maxwellovih enačbah, formalno zapisano kot vektorski produkt (z operatorjem nabla) in kar je najpomembneje, ker je rotor vektorskega polja mogoče primerjati z ( je analogija) s kotno hitrostjo vrtenja idealne tekočine (kot si je zamislil sam Maxwell), katere polje hitrosti toka predstavlja dano vektorsko polje, se lahko uporabi za rotor s temi formulacijami pravil, ki so opisane za kotno hitrost.

Tako, če obrnete palec v smeri vrtinca vektorskega polja, se bo privil v smeri vektorja rotorja tega polja.

Kot lahko vidite, so črte magnetne indukcije, ki obkrožajo električni tok, za razliko od črt jakosti elektrostatičnega polja, ki so v prostoru odprte, zaprte. Če se linije električne jakosti E začnejo s pozitivnimi naboji in končajo z negativnimi naboji, potem se črte magnetne indukcije B preprosto zaprejo okoli toka, ki jih ustvarja.

Zdaj pa zakomplicirajmo poskus. Namesto ravne žice s tokom razmislite o ovinku s tokom. Predpostavimo, da nam je primerno, da takšno zanko postavimo pravokotno na ravnino risbe, pri čemer je tok usmerjen proti nam na levi in ​​na desni od nas. Če zdaj v tokovno zanko postavite kompas z magnetno iglo, bo magnetna igla pokazala smer linij magnetne indukcije - usmerjene bodo vzdolž osi zanke.

Zakaj? Ker bosta nasprotni strani ravnine tuljave analogni poli magnetne igle.Tam, kjer črte B zapustijo, je severni magnetni pol, kjer vstopijo v južni pol. To je enostavno razumeti, če najprej upoštevate žico, po kateri teče tok, in njeno magnetno polje, nato pa žico preprosto navijete v obroč.

Za določanje smeri magnetne indukcije zanke s tokom uporabljajo tudi kardansko pravilo ali pravilo desnega vijaka. Postavite konico gimala na sredino zanke in jo zavrtite v smeri urinega kazalca. Translacijsko gibanje gimbala bo sovpadalo v smeri z vektorjem magnetne indukcije B v središču zanke.

Očitno je smer tokovnega magnetnega polja povezana s smerjo toka v žici, pa naj bo to ravna žica ali tuljava.

Splošno sprejeto je, da je stran tuljave ali tuljave s tokom, kjer izstopajo črte magnetne indukcije B (smer vektorja B je navzven), severni magnetni pol in kjer črte vstopajo (vektor B je usmerjen navznoter), je južni magnetni pol.

Če veliko zavojev s tokom tvori dolgo tuljavo - solenoid (dolžina tuljave je mnogokrat večja od njenega premera), potem je magnetno polje v njej enakomerno, to pomeni, da so črte magnetne indukcije B med seboj vzporedne in imajo enako gostoto po celotni dolžini tuljave. Mimogrede, magnetno polje trajnega magneta je navzven podobno magnetnemu polju tuljave s tokom.

Za tuljavo s tokom I, dolžine l, s številom obratov N, bo magnetna indukcija v vakuumu številčno enaka:

Torej je magnetno polje znotraj tuljave s tokom enakomerno in usmerjeno od južnega proti severnemu polu (znotraj tuljave!). Magnetna indukcija znotraj tuljave je modulno sorazmerna s številom amperskih ovojev na enoto dolžine tuljave, po kateri teče tok.