Магнетно поље намотаја са струјом

Ако електростатичко поље постоји у простору око стационарних електричних наелектрисања, онда у простору око покретних наелектрисања (као и око временски променљивих електричних поља које је првобитно предложио Максвел) постоји магнетно поље… Ово је лако експериментално посматрати.

Захваљујући магнетном пољу, електричне струје међусобно делују, као и трајни магнети и струје са магнетима. У поређењу са електричном интеракцијом, магнетна интеракција је много јача. Ову интеракцију је својевремено проучавао Андре-Мари Ампер.

У физици је карактеристика магнетног поља магнетна индукција Б и што је веће, то је јаче магнетно поље. Магнетна индукција Б је векторска величина, њен смер се поклапа са смером силе која делује на северни пол конвенционалне магнетне стрелице постављене у некој тачки магнетног поља — магнетно поље ће усмерити магнетну стрелицу у правцу вектора Б , односно у правцу магнетног поља .

Вектор Б у било којој тачки линије магнетне индукције усмерен је на њу тангенцијално. То јест, индукција Б карактерише ефекат силе магнетног поља на струју. Сличну улогу има и сила Е за електрично поље, која карактерише јако дејство електричног поља на наелектрисање.

Најједноставнији експеримент са гвозденим опиљцима омогућава вам да јасно демонстрирате феномен деловања магнетног поља на магнетизовани објекат, јер се у константном магнетном пољу мали комади феромагнета (такви комади су гвоздене струготине) магнетишу дуж поља, магнетно стрелице, као мале стрелице компаса.

Ако узмете вертикалну бакарну жицу и провучете је кроз рупу у хоризонтално постављеном листу папира (или плексигласа или шперплоче), а затим сипате металне струготине на лист, мало је протресете, а затим пустите једносмерну струју кроз жицу, лако је видети како ће се струготине распоредити у облику вртлога у круговима око жице, у равни окомитој на струју у њој.

Ови кругови пиљевине ће једноставно бити конвенционални приказ линија магнетне индукције Б магнетног поља проводника са струјом. Центар кругова у овом експерименту ће се налазити тачно у центру, дуж осе жице која води струју.

Лако је одредити смер вектора магнетне индукције у жици са струјом по правилу гимлета или према правилу десног завртња: са транслаторним кретањем осе завртња у смеру струје у жици, смер ротације завртња или дршке кардана (увртање или извлачење) ће указати на смер магнетно поље око струје.

Зашто се примењује правило кардана? Зато што се рад ротора (означен у теорији поља распадом) који се користи у две Максвелове једначине може формално да се запише као векторски производ (са оператором набла) и што је најважније зато што се ротор векторског поља може упоредити са ( је аналогија) за угаону брзину ротације идеалног флуида (како га је замислио сам Максвел), чије поље брзине протока представља дато векторско поље, може се користити за ротор према овим формулацијама правила које су описане за угаону брзину .

Дакле, ако окренете палац у правцу вртлога векторског поља, он ће се заврнути у правцу вектора ротора тог поља.

Као што видите, за разлику од линија интензитета електростатичког поља које су отворене у простору, линије магнетне индукције које окружују електричну струју су затворене. Ако линије електричног интензитета Е почињу позитивним наелектрисањем и завршавају се негативним наелектрисањем, онда се линије магнетне индукције Б једноставно затварају око струје која их генерише.

Хајде сада да компликујемо експеримент. Размотрите уместо равне жице са струјом, кривину са струјом. Претпоставимо да нам је згодно да такву петљу поставимо окомито на раван цртежа, са струјом усмереном према нама лево, а десно од нас. Ако се сада у струјну петљу постави компас са магнетном иглом, онда ће магнетна игла указати на правац линија магнетне индукције — оне ће бити усмерене дуж осе петље.

Зашто? Пошто ће супротне стране равни завојнице бити аналогне половима магнетне игле.Тамо где Б линије излазе је северни магнетни пол, где улазе у јужни пол. Ово је лако разумети ако прво размотрите жицу са струјом и њено магнетно поље, а затим једноставно намотате жицу у прстен.

Да би одредили правац магнетне индукције петље са струјом, користе и правило кардана или правило десног завртња. Поставите врх кардана у центар петље и окрените га у смеру казаљке на сату. Транслаторно кретање кардана ће се поклопити у правцу са вектором магнетне индукције Б у центру петље.

Очигледно је да је смер магнетног поља струје повезан са смером струје у жици, било да је то равна жица или калем.

Опште је прихваћено да је страна завојнице или завојнице са струјом на којој излазе линије магнетне индукције Б (смер вектора Б је споља) северни магнетни пол и где линије улазе (вектор Б је усмерен ка унутра) је јужни магнетни пол.

Ако много завоја са струјом формира дугачку завојницу - соленоид (дужина завојнице је вишеструко већа од његовог пречника), онда је магнетно поље унутар њега униформно, односно, линије магнетне индукције Б су паралелне једна другој и имају исте густине по целој дужини намотаја. Узгред, магнетно поље трајног магнета је споља слично магнетном пољу намотаја са струјом.

За калем са струјом И, дужине л, са бројем завоја Н, магнетна индукција у вакууму ће бити нумерички једнака:

Дакле, магнетно поље унутар завојнице са струјом је равномерно и усмерено од јужног до северног пола (унутар завојнице!). Магнетна индукција унутар завојнице је модуло пропорционална броју ампер-завоја по јединици дужине намотаја са струјом.