Magnetiske linjer til en leder med strøm. Magnetfelt til en rett leder med strøm

Tenk på en rett leder (fig. 3.2), som er en del av en lukket elektrisk krets. I henhold til Biot-Savart-Laplace-loven, den magnetiske induksjonsvektoren
felt opprettet på et punkt MEN element leder med strøm Jeg, har betydningen
, hvor - vinkel mellom vektorer og . For alle tomter denne ledervektorene og ligge i plan for tegningen, så på punktet MEN alle vektorer
generert av hver seksjon , rettet vinkelrett på tegningens plan (til oss). Vektor bestemmes av prinsippet om superposisjon av felt:

,

dens modul er:

.

Angi avstanden fra punktet MEN til dirigent . Tenk på en del av dirigenten
. Fra et punkt MEN tegne en bue FRAD radius ,
er liten, altså
og
. Det kan sees av tegningen at
;
, men
(CD=
) Derfor har vi:

.

Til vi får:

hvor og - vinkelverdier for lederens ekstreme punkter MN.

Hvis lederen er uendelig lang, da
,
. Deretter

induksjonen i hvert punkt av magnetfeltet til en uendelig lang rettlinjet strømførende leder er omvendt proporsjonal med den korteste avstanden fra dette punktet til lederen.

3.4. Sirkulært strømmagnetfelt

Tenk på en sirkulær sløyfe med radius R som strømmen går gjennom Jeg (Fig. 3.3) . I henhold til Biot-Savart-Laplace-loven, induksjon
felt opprettet på et punkt O element spole med strøm er lik:

,

og
, derfor
, og
. Med det sagt får vi:

.

Alle vektorer
rettet vinkelrett på tegningens plan mot oss, så induksjon

Spenninger
.

La S- området som dekkes av den sirkulære spolen,
. Deretter den magnetiske induksjonen på et vilkårlig punkt på aksen til en sirkulær spole med strøm:

,

hvor er avstanden fra punktet til spoleoverflaten. Det er kjent at
er det magnetiske momentet til spolen. Retningen sammenfaller med vektoren når som helst på spolens akse, så
, og
.

Uttrykk for ligner i utseende uttrykket for den elektriske forskyvningen ved punktene av feltet som ligger på aksen til den elektriske dipolen langt nok fra den:

.

Derfor blir det magnetiske feltet til ringstrømmen ofte betraktet som magnetfeltet til en betinget "magnetisk dipol", den positive (nord) polen anses å være siden av spoleplanet som de magnetiske kraftlinjene går ut av, og den negative (sør) - den de går inn i.

For en strømsløyfe som har en vilkårlig form:

,

hvor - enhetsvektoren til den ytre normalen til elementet overflater S, begrenset kontur. I tilfelle av en flat kontur, overflaten S – flat og alle vektorer kamp.

3.5. Solenoid magnetfelt

En solenoid er en sylindrisk spole med et stort antall ledninger. Spolene til solenoiden danner en helix. Hvis svingene er tett plassert, kan solenoiden betraktes som et system med seriekoblede sirkulære strømmer. Disse svingene (strømmene) har samme radius og felles akse (fig. 3.4).

Vurder delen av solenoiden langs dens akse. Sirkler med en prikk vil betegne strømmene som kommer fra bak tegningens plan til oss, og en sirkel med et kryss - strømmene som går utover tegningens plan, fra oss. L er lengden på solenoiden, n – antall omdreininger per lengdeenhet av solenoiden; - R- svingradius. Tenk på et poeng MEN liggende på aksen
solenoid. Det er klart at den magnetiske induksjonen på dette punktet er rettet langs aksen
og er lik den algebraiske summen av induksjonene til de magnetiske feltene som er skapt på dette punktet av alle svinger.

Tegn fra et punkt MEN radius - vektor til en hvilken som helst tråd. Denne radiusvektoren dannes med aksen
hjørne α . Strømmen som strømmer gjennom denne spolen skaper ved punktet MEN magnetfelt med induksjon

.

Tenk på et lite område
solenoid, det har den
svinger. Disse svingene opprettes på punktet MEN magnetfelt hvis induksjon

.

Det er tydelig at avstanden langs aksen fra punktet MEN til nettstedet
er lik
; deretter
.Åpenbart,
, deretter

Magnetisk induksjon av felt skapt av alle svinger på et punkt MEN er lik

Magnetisk feltstyrke på et punkt MEN
.

Fra fig.3. 4 finner vi:
;
.

Dermed avhenger den magnetiske induksjonen av posisjonen til punktet MEN på solenoidens akse. Hun er

maksimum i midten av solenoiden:

.

Hvis en L>> R, så kan solenoiden betraktes som uendelig lang, i dette tilfellet
,
,
,
; deretter

;
.

I den ene enden av en lang solenoid
,
eller
;
,
,
.

Hvis en magnetisk nål bringes til en rett leder med elektrisk strøm, vil den ha en tendens til å bli vinkelrett på planet som går gjennom lederens akse og pilens rotasjonssenter. Dette indikerer at spesialkrefter virker på nålen, som kalles magnetiske krefter. I tillegg til å virke på en magnetisk nål, påvirker et magnetfelt bevegelige ladede partikler og strømførende ledere som befinner seg i et magnetfelt. I ledere som beveger seg i et magnetfelt, eller i stasjonære ledere i et vekslende magnetfelt, er en induktiv f.eks. d.s.

I samsvar med ovenstående kan vi gi følgende definisjon av magnetfeltet.

Et magnetfelt er en av de to sidene av det elektromagnetiske feltet, eksitert av de elektriske ladningene til partikler i bevegelse og en endring i det elektriske feltet og preget av en krafteffekt på bevegelige ladede partikler, og derfor på elektriske strømmer.

Hvis du fører en tykk leder gjennom pappen og sender en elektrisk strøm gjennom den, vil stålspålene som er drysset på pappen, bli plassert rundt lederen i konsentriske sirkler, som i dette tilfellet er de såkalte magnetiske induksjonslinjene (fig. 78). Vi kan flytte pappen opp eller ned i lederen, men plasseringen av stålfilene endres ikke. Derfor oppstår et magnetfelt rundt lederen langs hele dens lengde.

Hvis du legger små magnetiske piler på papp, kan du ved å endre retningen på strømmen i lederen se at magnetpilene vil snu (fig. 79). Dette viser at retningen til de magnetiske induksjonslinjene endres med retningen til strømmen i lederen.

Magnetiske induksjonslinjer rundt en leder med strøm har følgende egenskaper: 1) magnetiske induksjonslinjer til en rettlinjet leder er i form av konsentriske sirkler; 2) jo nærmere lederen, jo tettere er de magnetiske induksjonslinjene; 3) magnetisk induksjon (feltintensitet) avhenger av størrelsen på strømmen i lederen; 4) retningen til de magnetiske induksjonslinjene avhenger av retningen til strømmen i lederen.

Retningen til magnetiske induksjonslinjer rundt en leder med strøm kan bestemmes av "regelen for gimlet:". Hvis en gimlet (korketrekker) med en høyregjenger beveger seg fremover i strømmens retning, vil rotasjonsretningen til håndtaket falle sammen med retningen til de magnetiske induksjonslinjene rundt lederen (fig. 81),

En magnetisk nål introdusert i feltet til en strømførende leder er plassert langs de magnetiske induksjonslinjene. Derfor, for å bestemme plasseringen, kan du også bruke "gimletregelen" (fig. 82). Magnetfeltet er en av de viktigste manifestasjonene av elektrisk strøm og kan ikke være det

Innhentet uavhengig og separat fra strømmen. Magnetfeltet er preget av den magnetiske induksjonsvektoren, som derfor har en viss størrelse og en viss retning i rommet.

Et kvantitativt uttrykk for magnetisk induksjon som et resultat av generalisering av eksperimentelle data ble etablert av Biot og Savart (fig. 83). Ved å måle magnetfeltene til elektriske strømmer av forskjellige størrelser og former ved avviket til den magnetiske nålen, kom begge forskerne til den konklusjon at hvert strømelement skaper et magnetfelt i en viss avstand fra seg selv, hvis magnetiske induksjon AB er direkte proporsjonal med lengden A1 til dette elementet, størrelsen på den flytende strømmen I, sinusen vinkelen a mellom retningen til strømmen og radiusvektoren som forbinder feltet som er av interesse for oss med et gitt strømelement, og er omvendt proporsjonal med kvadratet av lengden til denne radiusvektoren r:

henry (h) - enhet for induktans; 1 t = 1 ohm sek.

- relativ magnetisk permeabilitet - en dimensjonsløs koeffisient som viser hvor mange ganger den magnetiske permeabiliteten til et gitt materiale er større enn den magnetiske permeabiliteten til tomrommet. Dimensjonen til magnetisk induksjon kan finnes ved hjelp av formelen

volt-sekund kalles ellers weber (vb):

I praksis er det en mindre enhet for magnetisk induksjon, gauss (gs):

Biot og Savarts lov lar deg beregne den magnetiske induksjonen til en uendelig lang rett leder:

hvor er avstanden fra lederen til punktet hvor

Magnetisk induksjon. Forholdet mellom magnetisk induksjon og produktet av magnetiske permeabiliteter kalles magnetfeltstyrken og er betegnet med bokstaven H:

Den siste ligningen relaterer to magnetiske størrelser: induksjon og magnetisk feltstyrke. La oss finne dimensjonen H:

Noen ganger bruker de en annen spenningsenhet - en oersted (er):

1 er = 79,6 a/m = 0,796 a/cm.

Den magnetiske feltstyrken H, i likhet med den magnetiske induksjonen B, er en vektormengde.

En linje tangent til hvert punkt som sammenfaller med retningen til den magnetiske induksjonsvektoren kalles en magnetisk induksjonslinje eller en magnetisk induksjonslinje.

Produktet av magnetisk induksjon med verdien av området vinkelrett på feltets retning (magnetisk induksjonsvektor) kalles fluksen til den magnetiske induksjonsvektoren eller ganske enkelt magnetisk fluks og er betegnet med bokstaven Ф:

Magnetisk fluksdimensjon:

dvs. magnetisk fluks måles i volt-sekunder eller webers. En mindre enhet av magnetisk fluks er maxwell (µs):

1 wb = 108 µs. 1 µs = 1 gs cm2.

Hvis en magnetisk nål føres til en rettlinjet leder med strøm, vil den ha en tendens til å bli vinkelrett på planet som går gjennom lederens akse og rotasjonssenteret til pilen (fig. 67). Dette indikerer at spesialkrefter virker på nålen, som kalles magnetiske. Med andre ord, hvis en elektrisk strøm flyter gjennom en leder, oppstår det et magnetfelt rundt lederen. Magnetfeltet kan betraktes som en spesiell tilstand av rommet som omgir ledere med strøm.

Hvis du fører en tykk leder gjennom kortet og sender en elektrisk strøm gjennom det, vil stålspon drysset på papp bli plassert rundt lederen i konsentriske sirkler, som i dette tilfellet er de såkalte magnetiske linjene (fig. 68). Vi kan flytte pappen opp eller ned i lederen, men plasseringen av stålfilene endres ikke. Derfor oppstår et magnetfelt rundt lederen langs hele dens lengde.

Hvis du legger små magnetiske piler på papp, kan du ved å endre retningen på strømmen i lederen se at magnetpilene vil snu (fig. 69). Dette viser at retningen til magnetlinjene endres med retningen til strømmen i lederen.

Magnetfeltet rundt en leder med strøm har følgende egenskaper: magnetlinjene til en rettlinjet leder er i form av konsentriske sirkler; jo nærmere lederen, jo tettere de magnetiske linjene er, jo større er den magnetiske induksjonen; magnetisk induksjon (feltintensitet) avhenger av størrelsen på strømmen i lederen; retningen til magnetlinjene avhenger av retningen til strømmen i lederen.

For å vise retningen til strømmen i lederen vist i seksjonen, er et symbol vedtatt, som vi vil bruke i fremtiden. Hvis vi mentalt setter en pil i lederen i retning av strømmen (fig. 70), så vil vi i lederen, strømmen som er rettet bort fra oss, se halen av pilfjærdrakten (kryss); hvis strømmen rettes mot oss, vil vi se spissen av pilen (punkt).

Retningen til magnetiske linjer rundt en leder med strøm kan bestemmes av "gimletens regel". Hvis en gimlet (korketrekker) med en høyregjenger beveger seg fremover i strømmens retning, vil rotasjonsretningen til håndtaket falle sammen med retningen til magnetlinjene rundt lederen (fig. 71).

Ris. 71. Bestemme retningen til magnetiske linjer rundt en leder med strøm i henhold til "gimlets regel"

En magnetisk nål satt inn i feltet til en strømførende leder er plassert langs magnetlinjene. Derfor, for å bestemme plasseringen, kan du også bruke "Gimlet-regelen" (fig. 72).

Ris. 72. Bestemme avviksretningen til en magnetisk nål brakt til en leder med strøm, i henhold til "regelen for en gimlet"

Magnetfeltet er en av de viktigste manifestasjonene av den elektriske strømmen og kan ikke oppnås uavhengig og separat fra strømmen.

I permanente magneter er magnetfeltet også forårsaket av bevegelsen av elektroner som utgjør magnetens atomer og molekyler.

Intensiteten til det magnetiske feltet på hvert av dets punkter bestemmes av størrelsen på den magnetiske induksjonen, som vanligvis er betegnet med bokstaven B. Magnetisk induksjon er en vektormengde, det vil si at den ikke bare er preget av en viss verdi, men også av en bestemt retning ved hvert punkt av magnetfeltet. Retningen til den magnetiske induksjonsvektoren sammenfaller med tangenten til magnetlinjen ved et gitt punkt i feltet (fig. 73).

Som et resultat av generaliseringen av eksperimentelle data fant de franske forskerne Biot og Savard at den magnetiske induksjonen B (magnetisk feltintensitet) i en avstand r fra en uendelig lang rettlinjet leder med strøm bestemmes av uttrykket

hvor r er radiusen til sirkelen trukket gjennom det betraktede punktet i feltet; sentrum av sirkelen er på lederens akse (2πr - omkrets);

I er mengden strøm som flyter gjennom lederen.

Verdien av μ a, som karakteriserer mediets magnetiske egenskaper, kalles mediets absolutte magnetiske permeabilitet.

For tomhet har den absolutte magnetiske permeabiliteten en minimumsverdi, og det er vanlig å angi den μ 0 og kalle det den absolutte magnetiske permeabiliteten for tomhet.

1 t = 1 ohm⋅sek.

Forholdet μ a / μ 0 , som viser hvor mange ganger den absolutte magnetiske permeabiliteten til et gitt medium er større enn den absolutte magnetiske permeabiliteten til tomrommet, kalles relativ magnetisk permeabilitet og betegnes med bokstaven μ.

I International System of Units (SI) aksepteres måleenheter for magnetisk induksjon B - tesla eller weber per kvadratmeter (t, wb / m 2).

I ingeniørpraksis måles magnetisk induksjon vanligvis i gauss (gauss): 1 t = 10 4 gauss.

Hvis de magnetiske induksjonsvektorene på alle punkter i magnetfeltet er like store og parallelle med hverandre, kalles et slikt felt homogent.

Produktet av magnetisk induksjon B og størrelsen på området S, vinkelrett på feltets retning (magnetisk induksjonsvektor), kalles fluksen til den magnetiske induksjonsvektoren, eller ganske enkelt magnetisk fluks, og er betegnet med bokstaven Φ ( Fig. 74):

I det internasjonale systemet er måleenheten for magnetisk fluks weber (wb).

I tekniske beregninger måles den magnetiske fluksen i maksbrønner (µs):

1 wb \u003d 10 8 μs.

Ved beregning av magnetiske felt brukes også en mengde som kalles magnetfeltstyrken (betegnet H). Magnetisk induksjon B og magnetisk feltstyrke H er relatert av forholdet

Måleenheten for magnetfeltstyrken H er ampere per meter (a/m).

Styrken på magnetfeltet i et homogent medium, så vel som magnetisk induksjon, avhenger av størrelsen på strømmen, antallet og formen på lederne som strømmen går gjennom. Men i motsetning til magnetisk induksjon, tar ikke magnetfeltstyrken hensyn til påvirkningen av mediets magnetiske egenskaper.

Emner for USE-kodifikatoren: interaksjon av magneter, magnetfelt til en leder med strøm.

De magnetiske egenskapene til materie har vært kjent for mennesker i lang tid. Magneter har fått navnet sitt fra den gamle byen Magnesia: et mineral (senere kalt magnetisk jernmalm eller magnetitt) var utbredt i nærheten, og deler av disse trakk til seg jerngjenstander.

Samspill mellom magneter

På to sider av hver magnet er plassert Nordpolen og sydpol. To magneter blir tiltrukket av hverandre av motsatte poler og frastøter av like poler. Magneter kan virke på hverandre selv gjennom et vakuum! Alt dette minner imidlertid om samspillet mellom elektriske ladninger samspillet mellom magneter er ikke elektrisk. Dette er bevist av følgende eksperimentelle fakta.

Den magnetiske kraften svekkes når magneten varmes opp. Styrken på samspillet mellom punktladninger avhenger ikke av deres temperatur.

Den magnetiske kraften svekkes ved å riste magneten. Ingenting lignende skjer med elektrisk ladede legemer.

Positive elektriske ladninger kan skilles fra negative (for eksempel når kropper er elektrifisert). Men det er umulig å skille magnetens poler: hvis du kutter magneten i to deler, vises poler også ved skjæringspunktet, og magneten brytes opp i to magneter med motsatte poler i endene (orientert i nøyaktig det samme). måte som polene til den originale magneten).

Så magnetene bestandig bipolare, de eksisterer bare i formen dipoler. Isolerte magnetiske poler (såkalt magnetiske monopoler- analoger av elektrisk ladning) i naturen eksisterer ikke (i alle fall er de ikke eksperimentelt oppdaget ennå). Dette er kanskje den mest imponerende asymmetrien mellom elektrisitet og magnetisme.

Som elektrisk ladede kropper virker magneter på elektriske ladninger. Imidlertid virker magneten bare på flytte lade; Hvis ladningen er i ro i forhold til magneten, virker ingen magnetisk kraft på ladningen. Tvert imot, et elektrifisert organ handler på enhver ladning, uansett om den er i ro eller i bevegelse.

I henhold til moderne konsepter av teorien om kortdistansehandling, utføres interaksjonen mellom magneter gjennom magnetfelt En magnet skaper nemlig et magnetfelt i det omkringliggende rommet, som virker på en annen magnet og forårsaker en synlig tiltrekning eller frastøting av disse magnetene.

Et eksempel på en magnet er magnetisk nål kompass. Ved hjelp av en magnetisk nål kan man bedømme tilstedeværelsen av et magnetfelt i et gitt område av rommet, samt retningen til feltet.

Jorden vår er en gigantisk magnet. Ikke langt fra jordens geografiske nordpol ligger den magnetiske sørpolen. Derfor peker den nordlige enden av kompassnålen, som vender mot den sørlige magnetiske polen til jorden, mot det geografiske nord. Derfor oppsto faktisk navnet "nordpolen" til magneten.

Magnetiske feltlinjer

Det elektriske feltet, husker vi, undersøkes ved hjelp av små testladninger, ved handlingen som man kan bedømme feltets størrelse og retning. En analog av en testladning i tilfelle av et magnetfelt er en liten magnetisk nål.

For eksempel kan du få en geometrisk ide om magnetfeltet ved å plassere veldig små kompassnåler på forskjellige punkter i rommet. Erfaring viser at pilene vil stille seg opp langs bestemte linjer - de såkalte magnetiske feltlinjer. La oss definere dette konseptet i form av de følgende tre avsnittene.

1. Magnetiske feltlinjer, eller magnetiske kraftlinjer, er rettede linjer i rommet som har følgende egenskap: en liten kompassnål plassert i hvert punkt på en slik linje er orientert tangentielt til denne linjen.

2. Retningen til den magnetiske feltlinjen er retningen til de nordlige endene av kompassnålene plassert ved punktene til denne linjen.

3. Jo tykkere linjene går, desto sterkere er magnetfeltet i et gitt område i rommet..

Rollen til kompassnåler kan med hell utføres av jernspåner: i et magnetfelt magnetiseres små spåner og oppfører seg nøyaktig som magnetiske nåler.

Så, etter å ha helt jernspon rundt en permanent magnet, vil vi se omtrent følgende bilde av magnetfeltlinjer (fig. 1).

Ris. 1. Permanent magnetfelt

Nordpolen til magneten er angitt i blått og bokstaven ; sørpolen - i rødt og bokstaven . Legg merke til at feltlinjene går ut av nordpolen til magneten og går inn i sørpolen, fordi det er mot sørpolen til magneten nordenden av kompassnålen vil peke.

Ørsteds erfaring

Til tross for at elektriske og magnetiske fenomener har vært kjent for folk siden antikken, har det ikke vært observert noe forhold mellom dem på lang tid. I flere århundrer foregikk forskningen på elektrisitet og magnetisme parallelt og uavhengig av hverandre.

Det bemerkelsesverdige faktum at elektriske og magnetiske fenomener faktisk er relatert til hverandre ble først oppdaget i 1820 i det berømte eksperimentet til Oersted.

Oppsettet til Oersteds eksperiment er vist i fig. 2 (bilde fra rt.mipt.ru). Over den magnetiske nålen (og - nord- og sørpolen til pilen) er en metallleder koblet til en strømkilde. Hvis du lukker kretsen, svinger pilen vinkelrett på lederen!
Dette enkle eksperimentet pekte direkte på forholdet mellom elektrisitet og magnetisme. Eksperimentene som fulgte Oersteds erfaring etablerte sterkt følgende mønster: magnetfeltet genereres av elektriske strømmer og virker på strømmer.

Ris. 2. Oersteds eksperiment

Bildet av linjene i magnetfeltet generert av en leder med strøm avhenger av lederens form.

Magnetisk felt av en rett ledning med strøm

De magnetiske feltlinjene til en rett ledning som fører strøm er konsentriske sirkler. Sentrene til disse sirklene ligger på ledningen, og deres plan er vinkelrett på ledningen (fig. 3).

Ris. 3. Felt til en direkte ledning med strøm

Det er to alternative regler for å bestemme retningen til likestrøms magnetiske feltlinjer.

timeviserregel. Feltlinjene går mot klokken når de sees slik at strømmen flyter mot oss..

skrueregel(eller gimlet regel, eller korketrekkerregel- det er nærmere noen ;-)). Feltlinjene går der skruen (med konvensjonell høyregjenger) må dreies for å bevege seg langs gjengen i strømmens retning.

Bruk den regelen som passer deg best. Det er bedre å venne seg til medursregelen - du vil se selv senere at den er mer universell og enklere å bruke (og husk den med takknemlighet i det første året når du studerer analytisk geometri).

På fig. 3, noe nytt har også dukket opp: dette er en vektor, som kalles magnetisk feltinduksjon, eller magnetisk induksjon. Den magnetiske induksjonsvektoren er en analog av vektoren for elektrisk feltstyrke: den tjener kraftkarakteristikk magnetisk felt, som bestemmer kraften som magnetfeltet virker på bevegelige ladninger.

Vi vil snakke om krefter i et magnetfelt senere, men foreløpig vil vi bare merke oss at størrelsen og retningen til magnetfeltet bestemmes av den magnetiske induksjonsvektoren. Ved hvert punkt i rommet er vektoren rettet i samme retning som nordenden av kompassnålen plassert på dette punktet, nemlig tangenten til feltlinjen i retning av denne linjen. Den magnetiske induksjonen måles i teslach(Tl).

Som i tilfellet med et elektrisk felt, for induksjon av et magnetisk felt, superposisjonsprinsipp. Det ligger i det faktum at induksjon av magnetiske felt opprettet på et gitt punkt av forskjellige strømmer legges til vektorielt og gir den resulterende vektoren for magnetisk induksjon:.

Magnetfeltet til en spole med strøm

Tenk på en sirkulær spole som en likestrøm sirkulerer gjennom. Vi viser ikke kilden som skaper strømmen i figuren.

Bildet av linjene i feltet for vår tur vil ha omtrent følgende form (fig. 4).

Ris. 4. Felt til spolen med strøm

Det vil være viktig for oss å kunne bestemme i hvilket halvrom (i forhold til spolens plan) magnetfeltet er rettet. Igjen har vi to alternative regler.

timeviserregel. Feltlinjene går dit og ser fra hvor strømmen ser ut til å sirkulere mot klokken.

skrueregel. Feltlinjene går der skruen (med konvensjonelle høyregjenger) ville beveget seg hvis den ble rotert i strømmens retning.

Som du kan se, er rollene til strømmen og feltet reversert - sammenlignet med formuleringene til disse reglene for tilfellet med likestrøm.

Magnetfeltet til en spole med strøm

Spole det vil vise seg, hvis det er tett, spole til spiral, vikle ledningen inn i en tilstrekkelig lang spiral (fig. 5 - bilde fra nettstedet en.wikipedia.org). Spolen kan ha flere titalls, hundrevis eller til og med tusenvis av svinger. Spolen kalles også solenoid.

Ris. 5. Spole (solenoid)

Magnetfeltet til en sving, som vi vet, ser ikke veldig enkelt ut. Enger? individuelle omdreininger av spolen er lagt over hverandre, og det ser ut til at resultatet skulle være et veldig forvirrende bilde. Dette er imidlertid ikke tilfelle: feltet til en lang spole har en uventet enkel struktur (fig. 6).

Ris. 6. spolefelt med strøm

I denne figuren går strømmen i spolen mot klokken sett fra venstre (dette vil skje hvis, i fig. 5, høyre ende av spolen er koblet til "pluss" av strømkilden, og venstre ende til "minus"). Vi ser at magnetfeltet til spolen har to karakteristiske egenskaper.

1. Inne i spolen, vekk fra kantene, er magnetfeltet homogen: ved hvert punkt er den magnetiske induksjonsvektoren den samme i størrelse og retning. Feltlinjene er parallelle rette linjer; de bøyer seg bare nær kantene på spolen når de går ut.

2. Utenfor spolen er feltet nær null. Jo flere svinger i spolen, jo svakere er feltet utenfor den.

Merk at en uendelig lang spole ikke sender ut et felt i det hele tatt: det er ikke noe magnetfelt utenfor spolen. Inne i en slik spole er feltet jevnt overalt.

Minner det deg ikke om noe? En spole er det "magnetiske" motstykket til en kondensator. Du husker at kondensatoren skaper et ensartet elektrisk felt inne i seg selv, hvis linjer er buede bare nær kantene på platene, og utenfor kondensatoren er feltet nær null; en kondensator med uendelige plater slipper ikke feltet i det hele tatt, og feltet er ensartet overalt inne i det.

Og nå - den viktigste observasjonen. Sammenlign, vær så snill, bildet av magnetfeltlinjene utenfor spolen (fig. 6) med feltlinjene til magneten i fig. en . Det er det samme, er det ikke? Og nå kommer vi til et spørsmål som du sannsynligvis hadde for lenge siden: hvis et magnetfelt genereres av strømmer og virker på strømmer, hva er da årsaken til utseendet til et magnetfelt nær en permanent magnet? Tross alt ser ikke denne magneten ut til å være en leder med strøm!

Ampères hypotese. Elementære strømmer

Først trodde man at samspillet mellom magneter skyldtes spesielle magnetiske ladninger konsentrert ved polene. Men, i motsetning til elektrisitet, kunne ingen isolere den magnetiske ladningen; tross alt, som vi allerede har sagt, var det ikke mulig å oppnå separat nord- og sørpolene til magneten - polene er alltid til stede i magneten i par.

Tvilen om magnetiske ladninger ble forverret av erfaringen til Oersted, da det viste seg at magnetfeltet genereres av en elektrisk strøm. Dessuten viste det seg at for enhver magnet er det mulig å velge en leder med en strøm av passende konfigurasjon, slik at feltet til denne lederen faller sammen med magnetfeltet.

Ampere la frem en dristig hypotese. Det er ingen magnetiske ladninger. Virkningen til en magnet forklares av lukkede elektriske strømmer inne i den..

Hva er disse strømmene? Disse elementære strømmer sirkulere innenfor atomer og molekyler; de er assosiert med bevegelse av elektroner i atombaner. Magnetfeltet til ethvert legeme består av magnetfeltene til disse elementære strømmene.

Elementærstrømmer kan være tilfeldig plassert i forhold til hverandre. Da kansellerer feltene deres hverandre, og kroppen viser ikke magnetiske egenskaper.

Men hvis elementære strømmer er koordinert, så forsterker feltene deres hverandre. Kroppen blir en magnet (fig. 7; magnetfeltet vil rettes mot oss; magnetens nordpol vil også rettes mot oss).

Ris. 7. Elementære magnetstrømmer

Amperes hypotese om elementærstrømmer klargjorde egenskapene til magneter.Oppvarming og risting av en magnet ødelegger arrangementet av dens elementære strømmer, og de magnetiske egenskapene svekkes. Uatskilleligheten til magnetpolene ble tydelig: på stedet der magneten ble kuttet, får vi de samme elementære strømmene i endene. Evnen til et legeme til å magnetiseres i et magnetfelt forklares av den koordinerte justeringen av elementære strømmer som "snuer" riktig (les om rotasjonen av en sirkulær strøm i et magnetfelt i neste ark).

Amperes hypotese viste seg å være riktig - dette ble vist av fysikkens videre utvikling. Begrepet elementære strømninger har blitt en integrert del av teorien om atomet, utviklet allerede på det tjuende århundre – nesten hundre år etter Ampères strålende formodning.

Elektrisk strøm i en leder skaper et magnetfelt rundt lederen. Elektrisk strøm og magnetfelt er to uatskillelige deler av en enkelt fysisk prosess. Det magnetiske feltet til permanente magneter genereres til slutt også av molekylære elektriske strømmer generert av bevegelse av elektroner i baner og deres rotasjon rundt deres akser.

Magnetfeltet til en leder og retningen til dens kraftlinjer kan bestemmes ved hjelp av en magnetisk nål. De magnetiske linjene til en rettlinjet leder er i form av konsentriske sirkler plassert i et plan vinkelrett på lederen. Retningen til magnetfeltlinjene avhenger av strømmens retning i lederen. Hvis strømmen i lederen kommer fra observatøren, er kraftlinjene rettet med klokken.

Feltretningens avhengighet av strømmens retning bestemmes av regelen for gimlet: hvis translasjonsbevegelsen til gimlet faller sammen med retningen til strømmen i lederen, faller rotasjonsretningen til håndtaket sammen med retningen til magnetlinjene.

Gimlet-regelen kan også brukes til å bestemme retningen til magnetfeltet i spolen, men i følgende formulering: hvis rotasjonsretningen til håndtaket på gimlet er kombinert med retningen til strømmen i spolens svinger, vil translasjonsbevegelsen til gimleten vise retningen til feltlinjene for kraft inne i spolen (fig. 4.4) ).

Inne i spolen går disse linjene fra sørpolen til nord, og utenfor den - fra nord til sør.

Gimlet-regelen kan også brukes til å bestemme retningen til strømmen hvis retningen til magnetfeltlinjene er kjent.

En strømførende leder i et magnetfelt utsettes for en kraft lik

F = I L B sin

I - strømstyrke i lederen; B er modulen til magnetfeltinduksjonsvektoren; L er lengden på lederen i magnetfeltet;  - vinkelen mellom magnetfeltvektoren og retningen til strømmen i lederen.

Kraften som virker på en strømførende leder i et magnetfelt kalles Ampère-kraften.

Den maksimale kraften til Ampere er:

F = I L B

Retningen til Ampère-kraften bestemmes av regelen til venstre hånd: hvis venstre hånd er plassert slik at den vinkelrette komponenten til den magnetiske induksjonsvektoren B kommer inn i håndflaten, og fire utstrakte fingre er rettet i strømmens retning, da vil tommelen bøyd 90 grader vise retningen til kraften som virker på segmentlederen med strøm, det vil si Amperekraften.

Hvis og ligger i samme plan, så er vinkelen mellom og en rett linje, derfor. Deretter kraften som virker på det nåværende elementet,

(selvfølgelig virker nøyaktig samme kraft på den andre lederen fra siden av den første lederen).

Den resulterende kraften er lik en av disse kreftene. Hvis disse to lederne virker på den tredje, må magnetfeltene deres adderes vektorielt.

Krets med strøm i et magnetfelt

Ris. 4.13

La en ramme med strøm plasseres i et jevnt magnetfelt (fig. 4.13). Da vil Ampère-kreftene som virker på sidene av rammen skape et dreiemoment, hvis størrelse er proporsjonal med den magnetiske induksjonen, strømstyrken i rammen, dens areal S og avhenger av vinkelen a mellom vektoren og normalen til området:

Normalens retning er valgt slik at høyre skrue beveger seg i retning av normalen når den roterer i retning av strømmen i rammen.

Den maksimale verdien av dreiemomentet er når rammen er installert vinkelrett på de magnetiske kraftlinjene:

Dette uttrykket kan også brukes til å bestemme induksjonen av et magnetfelt:

En verdi lik produktet kalles kretsens magnetiske moment Rt. Det magnetiske momentet er en vektor hvis retning faller sammen med retningen til normalen til konturen. Da kan dreiemomentet skrives

Ved vinkel a = 0 er dreiemomentet null. Verdien av dreiemomentet avhenger av konturens område, men avhenger ikke av formen. Derfor er enhver lukket krets som en likestrøm flyter gjennom, utsatt for et dreiemoment M, som roterer den slik at den magnetiske momentvektoren er parallell med magnetfeltinduksjonsvektoren.