Magnetisch veld van de stroomvoerende spoel

Als er een elektrostatisch veld bestaat in de ruimte rond stationaire elektrische ladingen, dan bestaat er in de ruimte rond bewegende ladingen (evenals rond de in de tijd variërende elektrische velden die oorspronkelijk door Maxwell zijn voorgesteld) magnetisch veld… Dit is gemakkelijk experimenteel waar te nemen.

Dankzij het magnetische veld interageren elektrische stromen met elkaar, evenals permanente magneten en stromen met magneten. Vergeleken met de elektrische interactie is de magnetische interactie veel sterker. Deze interactie werd te zijner tijd bestudeerd door André-Marie Ampère.

In de natuurkunde is de magnetische veldkarakteristiek magnetische inductie B en hoe groter het is, hoe sterker het magnetische veld. De magnetische inductie B is een vectorgrootheid, de richting ervan valt samen met de richting van de kracht die op de noordpool inwerkt van een conventionele magnetische pijl die op een bepaald punt in het magnetische veld is geplaatst - het magnetische veld zal de magnetische pijl in de richting van de vector oriënteren B , dat wil zeggen in de richting van het magnetische veld .

Vector B op elk punt van de magnetische inductielijn wordt er tangentieel naar gericht. Dat wil zeggen, de inductie B kenmerkt het krachteffect van het magnetische veld op de stroom. Een vergelijkbare rol wordt gespeeld door de kracht E voor het elektrische veld, die de sterke werking van het elektrische veld op de lading kenmerkt.

Met het eenvoudigste experiment met ijzervijlsel kunt u het fenomeen van de werking van een magnetisch veld op een gemagnetiseerd object duidelijk demonstreren, omdat in een constant magnetisch veld kleine stukjes van een ferromagneet (dergelijke stukjes zijn ijzervijlsel) langs het veld worden gemagnetiseerd , magnetisch pijlen, zoals kleine kompaspijlen.

Als je een verticale koperdraad neemt en deze door een gat in een horizontaal geplaatst vel papier (of plexiglas of triplex) laat lopen en vervolgens metaalvijlsel op het vel giet, het een beetje schudt en dan een gelijkstroom door de draad laat lopen, het is gemakkelijk te zien hoe het vijlsel zich zal rangschikken in de vorm van een draaikolk in cirkels rond de draad, in een vlak loodrecht op de stroom erin.

Deze cirkels van zaagsel zullen gewoon een conventionele weergave zijn van de lijnen van magnetische inductie B van het magnetische veld van een stroomvoerende geleider. Het middelpunt van de cirkels in dit experiment zal precies in het midden liggen, langs de as van de stroomvoerende draad.

De richting van de magnetische inductievectoren in een stroomvoerende draad is eenvoudig te bepalen volgens de gimlet-regel of volgens de rechtse schroefregel: met de translatiebeweging van de schroefas in de richting van de stroom in de draad, zal de draairichting van de schroef of cardanische handgreep (in- of uitschroeven) de richting van de magnetisch veld rond de stroom.

Waarom wordt de cardanische regel toegepast? Omdat het werk van de rotor (in de veldtheorie aangeduid met verval) dat in twee Maxwell-vergelijkingen wordt gebruikt, formeel kan worden geschreven als een vectorproduct (met de operator nabla) en vooral omdat de rotor van een vectorveld kan worden vergeleken met ( is een analogie) met de hoeksnelheid van de rotatie van de ideale vloeistof (zoals voorgesteld door Maxwell zelf), waarvan het stroomsnelheidsveld een bepaald vectorveld vertegenwoordigt, kan voor de rotor worden gebruikt door deze regelformuleringen die worden beschreven voor de hoeksnelheid .

Dus als je de duim in de richting van de vectorveldvortex draait, zal hij in de richting van de rotorvector van dat veld schroeven.

Zoals je kunt zien, zijn de lijnen van magnetische inductie rond de elektrische stroom, in tegenstelling tot de lijnen van de elektrostatische veldintensiteit, die open zijn in de ruimte, gesloten. Als de lijnen van elektrische intensiteit E beginnen met positieve ladingen en eindigen met negatieve ladingen, dan sluiten de lijnen van magnetische inductie B zich gewoon rond de stroom die ze opwekt.

Laten we het experiment nu ingewikkelder maken. Overweeg in plaats van een rechte draad met stroom, een bocht met stroom. Stel dat het voor ons handig is om zo'n lus loodrecht op het vlak van de tekening te plaatsen, met de stroom naar ons toe gericht aan de linkerkant en aan de rechterkant van ons. Als nu een kompas met een magnetische naald in de stroomlus wordt geplaatst, geeft de magnetische naald de richting van de lijnen van magnetische inductie aan - ze zullen langs de as van de lus worden gericht.

Waarom? Omdat de tegenovergestelde zijden van het vlak van de spoel analoog zullen zijn aan de polen van de magnetische naald.Waar de B-lijnen vertrekken is de magnetische noordpool, waar ze de zuidpool binnenkomen. Dit is gemakkelijk te begrijpen als je eerst kijkt naar een stroomvoerende draad en zijn magnetisch veld, en de draad vervolgens eenvoudigweg tot een ring wikkelt.

Om de richting van de magnetische inductie van een lus met stroom te bepalen, gebruiken ze ook de cardanische regel of de rechterschroefregel. Plaats de punt van de gimbal in het midden van de lus en draai deze met de klok mee. De translatiebeweging van de cardanische ophanging zal in de richting samenvallen met de magnetische inductievector B in het midden van de lus.

Het is duidelijk dat de richting van het magnetische veld van de stroom gerelateerd is aan de richting van de stroom in de draad, of het nu een rechte draad is of een spoel.

Het is algemeen aanvaard dat de kant van de stroomvoerende spoel of spoel waar de lijnen van magnetische inductie B uitkomen (richting van vector B is naar buiten) de magnetische noordpool is en waar de lijnen binnenkomen (vector B is naar binnen gericht) de magnetische zuidpool.

Als vele windingen met stroom een ​​lange spoel vormen - een solenoïde (de lengte van de spoel is vele malen de diameter), dan is het magnetische veld erin uniform, dat wil zeggen, de lijnen van magnetische inductie B zijn evenwijdig aan elkaar en hebben dezelfde dichtheid over de gehele lengte van de spoel. Overigens is het magnetische veld van een permanente magneet extern vergelijkbaar met het magnetische veld van een stroomvoerende spoel.

Voor een spoel met stroom I, lengte l, met het aantal windingen N, zal de magnetische inductie in vacuüm numeriek gelijk zijn aan:

Het magnetische veld in de spoel met de stroom is dus uniform en gericht van de zuidpool naar de noordpool (in de spoel!). De magnetische inductie in de spoel is modulo evenredig met het aantal ampèrewindingen per lengte-eenheid van de stroomvoerende spoel.