Đường sức từ của một dây dẫn có dòng điện. Từ trường của một dây dẫn thẳng có dòng điện

Xét một dây dẫn thẳng (Hình 3.2), là một phần của mạch điện kín. Theo định luật Biot-Savart-Laplace, vectơ cảm ứng từ
trường được tạo tại một điểm VÀ thành phần dây dẫn có dòng điện Tôi, có ý nghĩa
, ở đâu - góc giữa các vectơ và . Đối với tất cả các lô véc tơ dây dẫn này và nằm trong mặt phẳng hình vẽ nên tại điểm VÀ tất cả các vectơ
được tạo bởi mỗi phần , hướng vuông góc với mặt phẳng của bản vẽ (với chúng tôi). véc tơ được xác định theo nguyên lý chồng chất trường:

,

mô đun của nó là:

.

Biểu thị khoảng cách từ điểm VÀđến nhạc trưởng . Xét một đoạn dây dẫn
. Từ một điểm VÀ vẽ một vòng cung VớiĐ. bán kính ,
là nhỏ, vì vậy
và
. Có thể thấy từ bản vẽ rằng
;
, nhưng
(đĩa CD=
) Do đó, ta có:

.

Vì chúng tôi nhận được:

ở đâu và - giá trị góc cho các điểm cực trị của dây dẫn MN.

Nếu dây dẫn dài vô hạn thì
,
. sau đó

cảm ứng từ tại mỗi điểm của từ trường của một dây dẫn thẳng dài vô hạn mang dòng điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách ngắn nhất từ ​​điểm này đến dây dẫn.

3.4. Từ trường dòng điện tròn

Xét một đường tròn có bán kính r dòng điện chạy qua đó Tôi (Hình 3.3) . Theo định luật Biot-Savart-Laplace, cảm ứng
trường được tạo tại một điểm Ô thành phần cuộn dây có dòng điện bằng:

,

và
, đó là lý do tại sao
, và
. Như đã nói, chúng tôi nhận được:

.

Tất cả các vectơ
hướng vuông góc với mặt phẳng của hình vẽ về phía chúng ta, nên cảm ứng

căng thẳng
.

Để cho được S- diện tích bao phủ bởi cuộn tròn,
. Khi đó cảm ứng từ tại một điểm tùy ý trên trục của cuộn dây tròn có dòng điện:

,

ở đâu là khoảng cách từ điểm đến bề mặt cuộn dây. được biết rằng
là momen từ của cuộn dây. Phương của nó trùng với vectơ tại bất kỳ điểm nào trên trục của cuộn dây, do đó
, và
.

biểu thức cho có bề ngoài tương tự như biểu thức cho sự dịch chuyển điện trường tại các điểm của trường nằm trên trục của lưỡng cực điện cách nó đủ xa:

.

Do đó, từ trường của dòng điện vòng thường được coi là từ trường của một số "lưỡng cực từ" có điều kiện, cực dương (bắc) được coi là mặt của mặt phẳng cuộn dây mà từ đó các đường sức từ thoát ra, và tiêu cực (phía nam) - cái mà họ bước vào.

Đối với một vòng lặp hiện tại có hình dạng tùy ý:

,

ở đâu - véc tơ đơn vị của pháp tuyến ngoài của phần tử bề mặt S, đường viền hạn chế. Trong trường hợp đường viền phẳng, bề mặt S – phẳng và tất cả các vectơ trận đấu.

3.5. từ trường điện từ

Solenoid là một cuộn dây hình trụ có số vòng dây lớn. Các cuộn dây điện từ tạo thành một chuỗi xoắn. Nếu các vòng cách đều nhau, thì điện từ có thể được coi là một hệ thống các dòng điện tròn nối tiếp. Các vòng quay (dòng điện) này có cùng bán kính và một trục chung (Hình 3.4).

Xem xét phần của điện từ dọc theo trục của nó. Các vòng tròn có dấu chấm sẽ biểu thị các dòng điện đi từ phía sau mặt phẳng của bản vẽ đến chúng ta và một vòng tròn có dấu thập - các dòng điện đi ra ngoài mặt phẳng của bản vẽ, từ chúng ta. l là chiều dài của solenoid, N – số vòng trên một đơn vị chiều dài của điện từ; - r- bán kính quay. Xem xét một điểm VÀ nằm trên trục
điện từ. Rõ ràng là cảm ứng từ tại điểm này được định hướng dọc theo trục
và bằng tổng đại số của các cảm ứng từ trường được tạo ra tại điểm này bởi tất cả các lượt.

Vẽ từ một điểm VÀ bán kính - véc tơ đến bất kỳ chủ đề nào. Vectơ bán kính này tạo với trục
góc α . Dòng điện chạy qua cuộn dây này tạo ra tại điểm VÀ từ trường có cảm ứng

.

Xem xét một khu vực nhỏ
điện từ, nó có
lần lượt. Những vòng quay này được tạo ra tại điểm VÀ từ trường có cảm ứng

.

Rõ ràng là khoảng cách dọc theo trục từ điểm VÀ vào trang web
bằng
; sau đó
.Chắc chắn,
, sau đó

Cảm ứng từ trường tạo bởi tất cả các vòng quay tại một điểm VÀ bằng

Cường độ từ trường tại một điểm VÀ
.

Từ Hình.3. 4 chúng tôi thấy:
;
.

Vậy cảm ứng từ phụ thuộc vào vị trí của điểm VÀ trên trục của điện từ. Cô ấy là

tối đa ở giữa solenoid:

.

Nếu l>> r, thì điện từ có thể được coi là dài vô hạn, trong trường hợp này
,
,
,
; sau đó

;
.

Ở một đầu của một solenoid dài
,
hoặc
;
,
,
.

Nếu đưa một kim nam châm lại gần một dây dẫn thẳng có dòng điện thì nó sẽ có xu hướng vuông góc với mặt phẳng đi qua trục của dây dẫn và tâm quay của mũi tên. Điều này chỉ ra rằng các lực đặc biệt đang tác động lên kim, chúng được gọi là lực từ. Ngoài tác dụng lên kim nam châm, từ trường còn tác động lên các hạt mang điện chuyển động và dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường. Trong dây dẫn chuyển động trong từ trường hoặc trong dây dẫn đứng yên trong từ trường biến thiên, suất điện động cảm ứng e. d.s.

Theo những điều trên, chúng ta có thể đưa ra định nghĩa sau về từ trường.

Từ trường là một trong hai mặt của trường điện từ, được kích thích bởi điện tích của các hạt chuyển động và sự thay đổi của điện trường và được đặc trưng bởi tác dụng lực lên các hạt tích điện chuyển động, và do đó, lên dòng điện.

Nếu bạn luồn một dây dẫn dày xuyên qua bìa cứng và cho một dòng điện chạy qua nó, thì mạt thép rắc trên bìa cứng sẽ nằm xung quanh dây dẫn theo các vòng tròn đồng tâm, trong trường hợp này được gọi là đường cảm ứng từ (Hình. 78). Chúng ta có thể di chuyển các tông lên hoặc xuống dây dẫn, nhưng vị trí của các mạt thép sẽ không thay đổi. Do đó, một từ trường phát sinh xung quanh dây dẫn dọc theo toàn bộ chiều dài của nó.

Nếu bạn đặt các mũi tên từ tính nhỏ trên bìa cứng, thì bằng cách thay đổi hướng của dòng điện trong dây dẫn, bạn có thể thấy rằng các mũi tên từ tính sẽ quay (Hình 79). Điều này chứng tỏ chiều của các đường cảm ứng từ thay đổi theo chiều của dòng điện chạy trong dây dẫn.

Các đường cảm ứng từ xung quanh một dây dẫn có dòng điện có các tính chất sau: 1) các đường cảm ứng từ của một dây dẫn thẳng có dạng các đường tròn đồng tâm; 2) càng gần dây dẫn, các đường cảm ứng từ càng dày đặc; 3) cảm ứng từ (cường độ trường) phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong dây dẫn; 4) Chiều của các đường cảm ứng từ phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong dây dẫn.

Chiều của các đường cảm ứng từ xung quanh một dây dẫn có dòng điện có thể được xác định bằng "quy tắc của gimlet:". Nếu một gimlet (nút chai) có ren bên phải di chuyển về phía trước theo hướng của dòng điện, thì hướng quay của tay cầm sẽ trùng với hướng của các đường cảm ứng từ xung quanh dây dẫn (Hình 81),

Một kim nam châm được đưa vào từ trường của một dây dẫn mang dòng điện nằm dọc theo các đường cảm ứng từ. Do đó, để xác định vị trí của nó, bạn cũng có thể sử dụng "quy tắc của gimlet" (Hình 82). Từ trường là một trong những biểu hiện quan trọng nhất của dòng điện và không thể

Thu được một cách độc lập và tách biệt với hiện tại. Từ trường được đặc trưng bởi vectơ cảm ứng từ, do đó, có độ lớn và hướng nhất định trong không gian.

Một biểu thức định lượng cho cảm ứng từ là kết quả của việc tổng quát hóa dữ liệu thực nghiệm đã được thiết lập bởi Biot và Savart (Hình 83). Đo từ trường của dòng điện có kích thước và hình dạng khác nhau bằng độ lệch của kim từ tính, cả hai nhà khoa học đều đi đến kết luận rằng mỗi phần tử dòng điện tạo ra một từ trường ở một khoảng cách nào đó so với chính nó, cảm ứng từ của nó AB tỷ lệ thuận với chiều dài A1 của phần tử này, độ lớn của dòng điện chạy qua I, sin góc a giữa hướng của dòng điện và vectơ bán kính nối điểm trường mà chúng ta quan tâm với một phần tử dòng điện đã cho và tỷ lệ nghịch với bình phương độ dài của vectơ bán kính r này:

henry (h) - đơn vị điện cảm; 1 h = 1 ôm giây.

- độ thấm từ tương đối - một hệ số không thứ nguyên cho biết độ thấm từ của một vật liệu nhất định lớn hơn độ thấm từ của khoảng trống bao nhiêu lần. Chiều của cảm ứng từ có thể được tìm thấy theo công thức

volt-giây còn được gọi là weber (vb):

Trong thực tế, có một đơn vị nhỏ hơn của cảm ứng từ, gauss (gs):

Định luật Biot và Savart cho phép bạn tính toán cảm ứng từ của một dây dẫn thẳng dài vô hạn:

khoảng cách từ dây dẫn đến điểm

Cảm ứng từ. Tỷ số giữa cảm ứng từ với tích của độ từ thẩm được gọi là cường độ từ trường và được ký hiệu là chữ H:

Phương trình cuối cùng liên quan đến hai đại lượng từ tính: cảm ứng và cường độ từ trường. Hãy tìm kích thước H:

Đôi khi họ sử dụng một đơn vị căng thẳng khác - một oersted (er):

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

Cường độ từ trường H, giống như cảm ứng từ B, là một đại lượng vectơ.

Đường tiếp xúc với mỗi điểm trùng với phương của véc tơ cảm ứng từ gọi là đường cảm ứng từ hay đường cảm ứng từ.

Tích của cảm ứng từ bằng giá trị của diện tích vuông góc với phương của trường (vectơ cảm ứng từ) được gọi là từ thông của vectơ cảm ứng từ hay đơn giản là từ thông và được ký hiệu là chữ Ф:

Kích thước từ thông:

tức là từ thông được đo bằng vôn-giây hoặc weber. Một đơn vị nhỏ hơn của từ thông là maxwell (µs):

1 wb = 108 µs. 1 µs = 1 g cm2.

Nếu một kim nam châm được đưa đến một dây dẫn thẳng có dòng điện, thì nó sẽ có xu hướng trở nên vuông góc với mặt phẳng đi qua trục của dây dẫn và tâm quay của mũi tên (Hình 67). Điều này chỉ ra rằng các lực đặc biệt tác động lên kim, được gọi là từ tính. Nói cách khác, nếu một dòng điện chạy qua một dây dẫn, thì một từ trường sẽ phát sinh xung quanh dây dẫn. Có thể coi từ trường là một trạng thái đặc biệt của không gian bao quanh vật dẫn có dòng điện.

Nếu bạn luồn một dây dẫn dày qua thẻ và cho một dòng điện chạy qua nó, thì các mạt thép rắc trên bìa cứng sẽ nằm xung quanh dây dẫn theo các vòng tròn đồng tâm, trong trường hợp này được gọi là các đường sức từ (Hình 68). Chúng ta có thể di chuyển các tông lên hoặc xuống dây dẫn, nhưng vị trí của các mạt thép sẽ không thay đổi. Do đó, một từ trường phát sinh xung quanh dây dẫn dọc theo toàn bộ chiều dài của nó.

Nếu bạn đặt các mũi tên từ tính nhỏ trên bìa cứng, thì bằng cách thay đổi hướng dòng điện trong dây dẫn, bạn có thể thấy rằng các mũi tên từ tính sẽ quay (Hình 69). Điều này chứng tỏ chiều của các đường sức từ thay đổi theo chiều của dòng điện trong dây dẫn.

Từ trường xung quanh dây dẫn có dòng điện có các đặc điểm sau: đường sức từ của dây dẫn thẳng có dạng các đường tròn đồng tâm; càng gần dây dẫn, đường sức từ càng dày đặc thì cảm ứng từ càng lớn; cảm ứng từ (cường độ trường) phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn; chiều của các đường sức từ phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong dây dẫn.

Để hiển thị hướng của dòng điện trong dây dẫn được hiển thị trong phần này, một biểu tượng được sử dụng, chúng ta sẽ sử dụng ký hiệu này trong tương lai. Nếu chúng ta đặt một mũi tên vào dây dẫn theo hướng của dòng điện (Hình 70), thì trong dây dẫn, dòng điện hướng ra xa chúng ta, chúng ta sẽ thấy đuôi của bộ lông mũi tên (chéo); nếu dòng điện hướng về phía chúng ta, chúng ta sẽ thấy đầu mũi tên (điểm).

Hướng của các đường sức từ xung quanh một dây dẫn có dòng điện có thể được xác định bằng "quy tắc của gimlet". Nếu một gimlet (nút chai) có ren bên phải di chuyển về phía trước theo hướng của dòng điện, thì hướng quay của tay cầm sẽ trùng với hướng của các đường sức từ xung quanh dây dẫn (Hình 71).

Cơm. 71. Xác định chiều đường sức từ quanh dây dẫn có dòng điện chạy theo “quy tắc gimlet”

Một kim nam châm được đưa vào từ trường của một dây dẫn mang dòng điện được đặt dọc theo các đường sức từ. Do đó, để xác định vị trí của nó, bạn cũng có thể sử dụng "Quy tắc Gimlet" (Hình 72).

Cơm. 72. Xác định chiều lệch của kim nam châm đặt trong dây dẫn có dòng điện chạy theo “quy tắc kim chỉ nam”

Từ trường là một trong những biểu hiện quan trọng nhất của dòng điện và không thể có được một cách độc lập và tách biệt với dòng điện.

Trong nam châm vĩnh cửu, từ trường cũng được gây ra bởi sự chuyển động của các electron tạo nên các nguyên tử và phân tử của nam châm.

Cường độ của từ trường tại mỗi điểm của nó được xác định bởi độ lớn của cảm ứng từ, thường được ký hiệu bằng chữ B. Cảm ứng từ là một đại lượng vectơ, nghĩa là nó không chỉ được đặc trưng bởi một giá trị nhất định, mà còn theo một hướng nhất định tại mỗi điểm của từ trường. Hướng của vectơ cảm ứng từ trùng với tiếp tuyến của đường sức từ tại một điểm cho trước trong trường (Hình 73).

Do tổng quát hóa dữ liệu thực nghiệm, các nhà khoa học người Pháp Biot và Savard đã phát hiện ra rằng cảm ứng từ B (cường độ từ trường) ở khoảng cách r so với một dây dẫn thẳng dài vô hạn có dòng điện được xác định bằng biểu thức

trong đó r là bán kính của đường tròn vẽ qua điểm đang xét của trường; tâm đường tròn nằm trên trục của dây dẫn (2πr - chu vi);

I là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn.

Giá trị μ a đặc trưng cho tính chất từ ​​của môi trường được gọi là độ từ thẩm tuyệt đối của môi trường.

Đối với tính không, độ từ thẩm tuyệt đối có giá trị cực tiểu và người ta thường gọi nó là μ 0 và gọi nó là độ từ thẩm tuyệt đối của tính không.

1 giờ = 1 ôm⋅ giây.

Tỷ lệ μ a / μ 0 , cho biết độ từ thẩm tuyệt đối của một môi trường nhất định lớn hơn độ từ thẩm tuyệt đối của khoảng trống bao nhiêu lần, được gọi là độ từ thẩm tương đối và được ký hiệu là chữ μ.

Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), các đơn vị đo cảm ứng từ B được chấp nhận - tesla hoặc weber trên một mét vuông (t, wb / m 2).

Trong thực tế kỹ thuật, cảm ứng từ thường được đo bằng gauss (gauss): 1 t = 10 4 gauss.

Nếu tại mọi điểm của từ trường các vectơ cảm ứng từ đều có độ lớn bằng nhau và song song với nhau thì trường đó được gọi là trường đồng nhất.

Tích của cảm ứng từ B và kích thước của diện tích S, vuông góc với hướng của trường (vectơ cảm ứng từ), được gọi là từ thông của vectơ cảm ứng từ, hay đơn giản là từ thông và được ký hiệu là chữ Φ ( Hình 74):

Trong Hệ thống Quốc tế, đơn vị đo từ thông là weber (wb).

Trong tính toán kỹ thuật, từ thông được đo bằng maxwell (µs):

1 wb \u003d 10 8 μs.

Khi tính toán từ trường, người ta còn sử dụng một đại lượng gọi là cường độ từ trường (kí hiệu là H). Cảm ứng từ B và cường độ từ trường H liên hệ với nhau bằng biểu thức

Đơn vị đo cường độ từ trường H là ampe trên mét (a/m).

Cường độ của từ trường trong một môi trường đồng nhất, cũng như cảm ứng từ, phụ thuộc vào cường độ dòng điện, số lượng và hình dạng của dây dẫn mà dòng điện chạy qua. Nhưng khác với cảm ứng từ, cường độ từ trường không tính đến ảnh hưởng của tính chất từ ​​của môi trường.

Các chủ đề của mã hóa USE: tương tác của nam châm, từ trường của dây dẫn với dòng điện.

Tính chất từ ​​của vật chất đã được con người biết đến từ lâu. Nam châm có tên từ thành phố cổ Magnesia: một loại khoáng chất (sau này được gọi là quặng sắt từ tính hoặc từ tính) phổ biến trong vùng lân cận của nó, các mảnh của nó đã thu hút các vật thể bằng sắt.

Tương tác của nam châm

Trên hai mặt của mỗi nam châm được đặt Cực Bắc và cực Nam. Hai nam châm hút nhau bởi các cực trái dấu và đẩy nhau bởi các cực giống nhau. Nam châm có thể tác động lên nhau ngay cả trong chân không! Tất cả điều này gợi nhớ đến sự tương tác của các điện tích, tuy nhiên tương tác của nam châm không phải là điện. Điều này được chứng minh bằng các sự kiện thực nghiệm sau đây.

Lực từ yếu dần khi nam châm nóng lên. Cường độ tương tác của các điện tích điểm không phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng.

Lực từ bị yếu đi khi lắc nam châm. Không có gì tương tự xảy ra với các cơ thể tích điện.

Điện tích dương có thể được tách ra khỏi điện tích âm (ví dụ, khi cơ thể được nhiễm điện). Nhưng không thể tách các cực của nam châm: nếu bạn cắt nam châm thành hai phần, thì tại điểm cắt cũng xuất hiện các cực và nam châm tách thành hai nam châm có các cực đối diện ở hai đầu (được định hướng hoàn toàn giống nhau). cách như các cực của nam châm ban đầu).

Vì vậy các nam châm luôn lưỡng cực, chúng chỉ tồn tại ở dạng lưỡng cực. Các cực từ bị cô lập (còn gọi là đơn cực từ- tương tự điện tích) không tồn tại trong tự nhiên (trong mọi trường hợp, chúng chưa được phát hiện bằng thực nghiệm). Đây có lẽ là sự bất đối xứng ấn tượng nhất giữa điện và từ.

Giống như các vật thể tích điện, nam châm tác dụng lên các điện tích. Tuy nhiên nam châm chỉ tác dụng lên di chuyển sạc điện; Nếu điện tích đứng yên so với nam châm thì không có lực từ tác dụng lên điện tích. Ngược lại, một vật nhiễm điện tác dụng lên bất kỳ điện tích nào, bất kể nó đứng yên hay chuyển động.

Theo các khái niệm hiện đại về lý thuyết hành động tầm ngắn, sự tương tác của nam châm được thực hiện thông qua từ trường. Cụ thể, một nam châm tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh, từ trường này tác động lên một nam châm khác và gây ra lực hút hoặc lực đẩy có thể nhìn thấy của các nam châm này.

Một ví dụ về nam châm là kim nam châm compa. Với sự trợ giúp của kim nam châm, người ta có thể đánh giá sự hiện diện của từ trường trong một vùng không gian nhất định, cũng như hướng của trường.

Hành tinh Trái đất của chúng ta là một nam châm khổng lồ. Không xa cực bắc địa lý của Trái đất là cực nam từ. Do đó, đầu phía bắc của kim la bàn, quay về cực từ phía nam của Trái đất, chỉ về phía bắc địa lý. Do đó, trên thực tế, cái tên "cực bắc" của nam châm đã xuất hiện.

đường sức từ

Chúng tôi nhớ lại rằng điện trường được nghiên cứu với sự trợ giúp của các điện tích thử nghiệm nhỏ, nhờ tác động mà người ta có thể đánh giá độ lớn và hướng của trường. Một chất tương tự của điện tích thử trong trường hợp từ trường là một kim nam châm nhỏ.

Ví dụ, bạn có thể có được một số ý tưởng hình học của từ trường bằng cách đặt các kim la bàn rất nhỏ tại các điểm khác nhau trong không gian. Kinh nghiệm cho thấy rằng các mũi tên sẽ xếp hàng dọc theo các dòng nhất định - cái gọi là đường sức từ. Hãy để chúng tôi định nghĩa khái niệm này dưới dạng ba đoạn văn sau đây.

1. Các đường sức từ, hay các đường sức từ, là các đường có hướng trong không gian có tính chất sau: một kim la bàn nhỏ đặt tại mỗi điểm của một đường như vậy được định hướng tiếp tuyến với đường này.

2. Hướng của đường sức từ là hướng của các đầu cực bắc của các kim la bàn đặt tại các điểm của đường sức từ này.

3. Các đường này càng dày thì từ trường trong một vùng không gian nhất định càng mạnh..

Mạt sắt có thể thực hiện thành công vai trò của kim la bàn: trong từ trường, các mạt nhỏ bị từ hóa và hoạt động giống hệt như kim nam châm.

Vì vậy, sau khi đổ mạt sắt xung quanh một nam châm vĩnh cửu, chúng ta sẽ thấy hình ảnh gần đúng về các đường sức từ sau đây (Hình 1).

Cơm. 1. Trường nam châm vĩnh cửu

Cực bắc của nam châm được chỉ định bằng màu xanh lam và chữ ; cực nam - màu đỏ và chữ . Lưu ý rằng các đường sức đi ra khỏi cực bắc của nam châm và đi vào cực nam, vì đầu cực bắc của kim la bàn sẽ chỉ về cực nam của nam châm.

Kinh nghiệm của Oersted

Mặc dù thực tế là các hiện tượng điện và từ đã được con người biết đến từ thời cổ đại, nhưng không có mối quan hệ nào giữa chúng được quan sát trong một thời gian dài. Trong nhiều thế kỷ, nghiên cứu về điện và từ được tiến hành song song và độc lập với nhau.

Thực tế đáng chú ý là các hiện tượng điện và từ thực sự có liên quan với nhau lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1820 trong thí nghiệm nổi tiếng của Oersted.

Sơ đồ thí nghiệm của Oersted được thể hiện trong hình. 2 (hình ảnh từ rt.mipt.ru). Phía trên kim nam châm (và - cực bắc và cực nam của mũi tên) là một dây dẫn kim loại nối với nguồn điện. Nếu bạn đóng mạch, thì mũi tên quay vuông góc với dây dẫn!
Thí nghiệm đơn giản này chỉ thẳng vào mối quan hệ giữa điện và từ. Các thí nghiệm theo kinh nghiệm của Oersted đã thiết lập chắc chắn mô hình sau: từ trường được tạo ra bởi dòng điện và tác dụng lên dòng điện.

Cơm. 2. Thí nghiệm của Oersted

Hình ảnh của các đường sức từ được tạo ra bởi một dây dẫn có dòng điện phụ thuộc vào hình dạng của dây dẫn.

Từ trường của dây dẫn thẳng có dòng điện

Đường sức từ của ống dây thẳng có dòng điện là những đường tròn đồng tâm. Tâm của các vòng tròn này nằm trên dây và các mặt phẳng của chúng vuông góc với dây (Hình 3).

Cơm. 3. Điện trường của dây dẫn một chiều có dòng điện

Có hai quy tắc thay thế để xác định hướng của các đường sức từ có dòng điện một chiều.

quy tắc kim giờ. Các đường sức trường đi ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn sao cho dòng điện chạy về phía chúng ta..

quy tắc vít(hoặc quy tắc gimlet, hoặc quy tắc mở nút chai- nó gần gũi hơn với ai đó ;-)). Các dòng điện đi qua nơi vít (với ren bên phải thông thường) phải được xoay để di chuyển dọc theo ren theo hướng của dòng điện.

Sử dụng bất kỳ quy tắc nào phù hợp với bạn nhất. Tốt hơn hết là bạn nên làm quen với quy tắc theo chiều kim đồng hồ - sau này bạn sẽ tự mình thấy rằng nó phổ biến hơn và dễ sử dụng hơn (và sau đó hãy ghi nhớ nó với lòng biết ơn trong năm đầu tiên khi bạn học hình học giải tích).

Trên hình. 3, một cái gì đó mới cũng đã xuất hiện: đây là một vectơ, được gọi là cảm ứng từ trường, hoặc cảm ứng từ. Vectơ cảm ứng từ là một dạng tương tự của vectơ cường độ điện trường: nó phục vụ đặc tính năng lượng từ trường, xác định lực mà từ trường tác dụng lên các điện tích chuyển động.

Chúng ta sẽ nói về các lực trong từ trường sau, nhưng bây giờ chúng ta sẽ chỉ lưu ý rằng độ lớn và hướng của từ trường được xác định bởi vectơ cảm ứng từ. Tại mỗi điểm trong không gian, vectơ có hướng cùng hướng với đầu phía bắc của kim la bàn đặt tại điểm này, cụ thể là tiếp tuyến với đường sức theo hướng của đường thẳng này. Cảm ứng từ được đo bằng teslach(Tl).

Cũng như trường hợp điện trường, đối với cảm ứng từ trường, Nguyên lý chồng chất. Nó nằm trong thực tế rằng cảm ứng của từ trường được tạo ra tại một điểm nhất định bởi các dòng điện khác nhau được cộng theo vectơ và tạo ra vectơ cảm ứng từ:.

Từ trường của cuộn dây có dòng điện

Xét một cuộn dây tròn có dòng điện một chiều chạy qua. Chúng tôi không hiển thị nguồn tạo ra dòng điện trong hình.

Hình ảnh của các dòng của trường đến lượt chúng ta sẽ có dạng sau (Hình 4).

Cơm. 4. Trường của cuộn dây có dòng điện

Điều quan trọng đối với chúng ta là có thể xác định được từ trường hướng vào nửa không gian nào (so với mặt phẳng của cuộn dây). Một lần nữa chúng ta có hai quy tắc thay thế.

quy tắc kim giờ. Các đường sức đến đó, nhìn từ nơi dòng điện dường như đang lưu thông ngược chiều kim đồng hồ.

quy tắc vít. Các đường sức từ trường đi đến nơi vít (với các ren bên phải thông thường) sẽ di chuyển nếu quay theo hướng của dòng điện.

Như bạn có thể thấy, vai trò của dòng điện và trường bị đảo ngược - so với công thức của các quy tắc này đối với trường hợp dòng điện một chiều.

Từ trường của cuộn dây có dòng điện

Xôn xao hóa ra, nếu chặt chẽ, cuộn này sang cuộn khác, cuộn dây thành một hình xoắn ốc đủ dài (Hình 5 - hình ảnh từ trang en.wikipedia.org). Cuộn dây có thể có vài chục, hàng trăm thậm chí hàng nghìn vòng. Cuộn dây còn được gọi là điện từ.

Cơm. 5. Cuộn dây (điện từ)

Từ trường của một lượt, như chúng ta biết, trông không đơn giản lắm. Lĩnh vực? các vòng riêng lẻ của cuộn dây được xếp chồng lên nhau và có vẻ như kết quả sẽ là một bức tranh rất khó hiểu. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp: trường của một cuộn dây dài có cấu trúc đơn giản đến không ngờ (Hình 6).

Cơm. 6. trường cuộn dây có dòng điện

Trong hình này, dòng điện trong cuộn dây đi ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ bên trái (điều này sẽ xảy ra nếu, trong Hình 5, đầu bên phải của cuộn dây được nối với “điểm cộng” của nguồn dòng điện và đầu bên trái được nối với “điểm trừ”). Ta thấy từ trường của cuộn dây có hai tính chất đặc trưng.

1. Bên trong cuộn dây, ra xa các cạnh của nó, có từ trường đồng nhất: tại mỗi điểm, véc tơ cảm ứng từ đều cùng phương, cùng độ lớn. Các đường sức là những đường thẳng song song; chúng chỉ uốn cong gần các cạnh của cuộn dây khi chúng đi ra ngoài.

2. Bên ngoài cuộn dây, trường gần bằng không. Càng nhiều vòng trong cuộn dây thì từ trường bên ngoài nó càng yếu.

Lưu ý rằng một cuộn dây dài vô hạn hoàn toàn không phát ra trường: không có từ trường bên ngoài cuộn dây. Bên trong một cuộn dây như vậy, trường đồng nhất ở mọi nơi.

Nó không nhắc nhở bạn về bất cứ điều gì? Một cuộn dây là đối tác "từ tính" của một tụ điện. Bạn nhớ rằng tụ điện tạo ra một điện trường đều bên trong chính nó, các đường của nó chỉ cong ở gần các cạnh của bản và bên ngoài tụ điện, trường này gần bằng không; một tụ điện có vô số bản cực hoàn toàn không giải phóng trường và trường đều ở mọi nơi bên trong nó.

Và bây giờ - quan sát chính. Hãy so sánh hình ảnh của các đường sức từ bên ngoài cuộn dây (Hình 6) với các đường sức của nam châm trong Hình. một . Đó là điều tương tự, phải không? Và bây giờ chúng ta đến với một câu hỏi mà có lẽ bạn đã thắc mắc từ lâu: nếu từ trường được tạo ra bởi dòng điện và tác dụng lên dòng điện, thì lý do xuất hiện từ trường gần nam châm vĩnh cửu là gì? Rốt cuộc, nam châm này dường như không phải là chất dẫn điện với dòng điện!

Giả thuyết của Ampère. dòng sơ cấp

Lúc đầu, người ta cho rằng tương tác của nam châm là do các điện tích từ đặc biệt tập trung ở hai cực. Nhưng, không giống như điện, không ai có thể cô lập điện tích; xét cho cùng, như chúng ta đã nói, không thể lấy riêng các cực bắc và nam của nam châm - các cực luôn có trong nam châm theo cặp.

Những nghi ngờ về điện tích càng trở nên trầm trọng hơn sau trải nghiệm của Oersted, khi người ta phát hiện ra rằng từ trường được tạo ra bởi một dòng điện. Hơn nữa, hóa ra đối với bất kỳ nam châm nào, có thể chọn một dây dẫn có dòng điện có cấu hình phù hợp, sao cho trường của dây dẫn này trùng với trường của nam châm.

Ampere đưa ra một giả thuyết táo bạo. Không có điện tích từ tính. Hoạt động của nam châm được giải thích bằng dòng điện kín bên trong nó..

Những dòng điện này là gì? Này dòng điện cơ bản luân chuyển trong nguyên tử, phân tử; chúng gắn liền với sự chuyển động của các electron trong quỹ đạo nguyên tử. Từ trường của bất kỳ vật thể nào được tạo thành từ từ trường của các dòng điện cơ bản này.

Các dòng điện cơ bản có thể được định vị ngẫu nhiên so với nhau. Sau đó, các trường của chúng triệt tiêu lẫn nhau và cơ thể không hiển thị các thuộc tính từ tính.

Nhưng nếu các dòng cơ bản được phối hợp, thì các trường của chúng, cộng lại, củng cố lẫn nhau. Cơ thể trở thành một nam châm (Hình 7; từ trường sẽ hướng về phía chúng ta; cực bắc của nam châm cũng sẽ hướng về phía chúng ta).

Cơm. 7. Dòng điện nam châm sơ cấp

Giả thuyết của Ampe về các dòng điện cơ bản đã làm rõ các tính chất của nam châm. Việc làm nóng và lắc một nam châm sẽ phá hủy sự sắp xếp của các dòng điện cơ bản của nó và các tính chất từ ​​tính yếu đi. Tính không thể tách rời của các cực nam châm trở nên rõ ràng: tại nơi cắt nam châm, chúng ta thu được các dòng điện cơ bản giống nhau ở hai đầu. Khả năng của một vật thể bị từ hóa trong từ trường được giải thích bằng sự liên kết phối hợp của các dòng điện cơ bản “quay” đúng cách (đọc về sự quay của dòng điện tròn trong từ trường ở trang tiếp theo).

Giả thuyết của Ampe hóa ra là đúng - điều này đã được thể hiện qua sự phát triển hơn nữa của vật lý học. Khái niệm về dòng điện cơ bản đã trở thành một phần không thể thiếu trong lý thuyết nguyên tử, được phát triển từ thế kỷ XX - gần một trăm năm sau phỏng đoán xuất sắc của Ampère.

Dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường xung quanh dây dẫn. Dòng điện và từ trường là hai phần không thể tách rời của một quá trình vật lý duy nhất. Từ trường của nam châm vĩnh cửu suy cho cùng cũng do dòng điện phân tử sinh ra do chuyển động của các electron trên các quỹ đạo và chuyển động quay quanh trục của chúng.

Từ trường của một dây dẫn và hướng của các đường sức của nó có thể được xác định bằng kim nam châm. Đường sức từ của dây dẫn thẳng có dạng là các đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn. Chiều của các đường sức từ phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong dây dẫn. Nếu dòng điện trong dây dẫn xuất phát từ người quan sát, thì các đường sức được hướng theo chiều kim đồng hồ.

Sự phụ thuộc của hướng của trường vào hướng của dòng điện được xác định bởi quy tắc của gimlet: nếu chuyển động tịnh tiến của gimlet trùng với hướng của dòng điện trong dây dẫn, thì chiều quay của tay cầm trùng với hướng của các đường sức từ.

Quy tắc gimlet cũng có thể được sử dụng để xác định hướng của từ trường trong cuộn dây, nhưng theo công thức sau: nếu hướng quay của tay cầm của gimlet được kết hợp với hướng của dòng điện trong các vòng quay của cuộn dây, thì chuyển động tịnh tiến của gimlet sẽ biểu thị hướng của các đường sức bên trong cuộn dây (Hình 4.4 ).

Bên trong cuộn dây, những đường này đi từ cực nam đến cực bắc và bên ngoài nó - từ bắc xuống nam.

Quy tắc gimlet cũng có thể được sử dụng để xác định hướng của dòng điện nếu biết hướng của các đường sức từ.

Một dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường đều chịu tác dụng của một lực có độ lớn

F = I L B sin

I - cường độ dòng điện trong dây dẫn; B là mô đun của vectơ cảm ứng từ trường; L là chiều dài của dây dẫn trong từ trường;  - góc giữa vectơ từ trường và chiều dòng điện chạy trong dây dẫn.

Lực tác dụng lên dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường gọi là lực Ampère.

Lực cực đại của Ampe là:

F = Tôi L B

Hướng của lực Ampère được xác định theo quy tắc bàn tay trái: nếu đặt bàn tay trái sao cho thành phần vuông góc của véc tơ cảm ứng từ B đi vào lòng bàn tay và bốn ngón tay duỗi thẳng hướng theo chiều dòng điện, thì ngón tay cái cong 90 độ sẽ chỉ chiều của lực tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện, tức là lực Ampe.

Nếu và nằm trong cùng một mặt phẳng thì góc giữa và là một đường thẳng. Sau đó, lực tác dụng lên phần tử hiện tại,

(tất nhiên, chính xác cùng một lực tác dụng lên dây dẫn thứ hai từ phía dây dẫn thứ nhất).

Lực kết quả bằng một trong các lực này. Nếu hai dây dẫn này tác động lên dây thứ ba, thì từ trường của chúng phải được cộng theo vectơ.

Mạch có dòng điện trong từ trường

Cơm. 4.13

Cho một khung có dòng điện đặt trong từ trường đều (Hình 4.13). Khi đó lực Ampère tác dụng lên các mặt của khung sẽ tạo ra một ngẫu lực có độ lớn tỉ lệ thuận với cảm ứng từ, cường độ dòng điện chạy trong khung, diện tích của nó S và phụ thuộc vào góc a giữa vectơ và pháp tuyến của diện tích:

Chiều của pháp tuyến được chọn sao cho vít bên phải di chuyển theo hướng của pháp tuyến khi quay theo hướng của dòng điện trong khung.

Giá trị cực đại của momen lực khi khung được đặt vuông góc với các đường sức từ là:

Biểu thức này cũng có thể được sử dụng để xác định cảm ứng của từ trường:

Giá trị bằng tích gọi là momen từ của mạch R t. Mô men từ là một vectơ có hướng trùng với hướng của pháp tuyến với đường bao. Sau đó, mô-men xoắn có thể được viết

Ở góc a = 0, momen lực bằng không. Giá trị của mô-men xoắn phụ thuộc vào diện tích của đường viền, nhưng không phụ thuộc vào hình dạng của nó. Do đó, bất kỳ mạch kín nào có dòng điện một chiều chạy qua đều phải chịu một mô men xoắn m, làm quay nó sao cho vectơ momen từ song song với vectơ cảm ứng từ.