שדה מגנטי של סליל נושא הזרם
אם קיים שדה אלקטרוסטטי במרחב שמסביב למטענים חשמליים נייחים, אז במרחב שמסביב למטענים נעים (כמו גם סביב השדות החשמליים המשתנים בזמן שהוצע במקור על ידי מקסוול) קיימים שדה מגנטי... קל לראות זאת בניסוי.
הודות לשדה המגנטי, זרמים חשמליים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, כמו גם מגנטים קבועים וזרמים עם מגנטים. בהשוואה לאינטראקציה החשמלית, האינטראקציה המגנטית חזקה הרבה יותר. אינטראקציה זו נחקרה בבוא העת על ידי אנדרה-מארי אמפר.
בפיזיקה, מאפיין השדה המגנטי הוא אינדוקציה מגנטית B וככל שהוא גדול יותר, כך השדה המגנטי חזק יותר. האינדוקציה המגנטית B היא כמות וקטורית, הכיוון שלה עולה בקנה אחד עם כיוון הכוח הפועל על הקוטב הצפוני של חץ מגנטי קונבנציונלי המוצב בנקודה כלשהי בשדה המגנטי - השדה המגנטי יכוון את החץ המגנטי לכיוון הווקטור B, כלומר, בכיוון השדה המגנטי.
וקטור B בכל נקודה של קו האינדוקציה המגנטי מכוון אליו באופן משיק. כלומר, האינדוקציה B מאפיינת את השפעת הכוח של השדה המגנטי על הזרם. תפקיד דומה ממלא הכוח E לשדה החשמלי, המאפיין את הפעולה החזקה של השדה החשמלי על המטען.
הניסוי הפשוט ביותר עם סיבי ברזל מאפשר לך להדגים בבירור את התופעה של פעולת שדה מגנטי על עצם ממוגנט, מכיוון שבשדה מגנטי קבוע חתיכות קטנות של פרומגנט (חתיכות כאלה הן סיבי ברזל) מתמגנטות לאורך השדה, מגנטיות חיצים, כמו חיצים קטנים של מצפן.
אם אתה לוקח חוט נחושת אנכי ומעביר אותו דרך חור בגיליון נייר המונח אופקית (או פרספקס או דיקט) ואז שופכים סיבי מתכת על הגיליון, מנערים אותו מעט, ואז מעבירים זרם ישר דרך החוט, קל לראות כיצד ההדבקות יסדרו את עצמן בצורה של מערבולת במעגלים סביב החוט, במישור המאונך לזרם שבו.
עיגולי נסורת אלה פשוט יהיו ייצוג קונבנציונלי של קווי האינדוקציה המגנטית B של השדה המגנטי של מוליך נושא זרם. מרכז המעגלים בניסוי זה ימוקם בדיוק במרכז, לאורך ציר החוט נושא הזרם.
קל לקבוע את הכיוון של וקטורי האינדוקציה המגנטיים בחוט נושא זרם לפי כלל הגימלט או לפי כלל הבורג הימני: עם תנועת התרגום של ציר הבורג לכיוון הזרם בחוט, כיוון הסיבוב של הבורג או ידית הגימבל (הברגה פנימה או החוצה) יצביע על כיוון הבורג. שדה מגנטי סביב הזרם.
מדוע מיושם כלל הגימבל? מכיוון שעבודת הרוטור (מסומנת בתורת השדות בדעיכה) המשמשת בשתי משוואות מקסוול יכולה להיכתב בצורה פורמלית כמוצר וקטור (עם האופרטור nabla) והכי חשוב כי ניתן להשוות את הרוטור של שדה וקטור ל- ( הוא אנלוגיה) למהירות הסיבוב הזוויתית של הנוזל האידיאלי (כפי שדמיין מקסוול עצמו), ששדה מהירות הזרימה שלו מייצג שדה וקטור נתון, יכול לשמש עבור הרוטור על ידי ניסוחי כללים אלה המתוארים עבור המהירות הזוויתית.
לפיכך, אם תסובב את האגודל לכיוון מערבולת השדה הווקטורי, הוא יתברג לכיוון וקטור הרוטור של אותו שדה.
כפי שניתן לראות, בניגוד לקווי עוצמת השדה האלקטרוסטטי, הפתוחים בחלל, קווי האינדוקציה המגנטית המקיפים את הזרם החשמלי סגורים. אם הקווים בעוצמה החשמלית E מתחילים במטענים חיוביים ומסתיימים במטענים שליליים, אז הקווים של אינדוקציה מגנטית B פשוט נסגרים סביב הזרם שיוצר אותם.
עכשיו בואו נסבך את הניסוי. שקול במקום חוט ישר עם זרם, עיקול עם זרם. נניח שנוח לנו למקם לולאה כזו בניצב למישור הציור, כשהזרם מכוון אלינו משמאל, ומימין מאיתנו. אם כעת מונח מצפן עם מחט מגנטית בתוך הלולאה הנוכחית, אז המחט המגנטית תציין את כיוון קווי ההשראה המגנטית - הם יופנו לאורך ציר הלולאה.
למה? מכיוון שהצדדים הנגדיים של מישור הסליל יהיו אנלוגיים לקטבים של המחט המגנטית.המקום שבו יוצאים קווי B נמצא הקוטב המגנטי הצפוני, שם הם נכנסים לקוטב הדרומי. קל להבין את זה אם אתה מחשיב תחילה חוט נושא זרם והשדה המגנטי שלו, ולאחר מכן פשוט מלופף את החוט לטבעת.
כדי לקבוע את כיוון ההשראה המגנטית של לולאה עם זרם, הם משתמשים גם בכלל הגימבל או בכלל הבורג הימני. הנח את קצה הגימבל במרכז הלולאה וסובב אותו בכיוון השעון. תנועת התרגום של הגימבל תחפוף בכיוון לווקטור האינדוקציה המגנטי B במרכז הלולאה.
ברור שכיוון השדה המגנטי של הזרם קשור לכיוון הזרם בחוט, בין אם זה חוט ישר או סליל.
מקובל בדרך כלל כי הצד של הסליל או הסליל נושא הזרם שבו קווי האינדוקציה המגנטית B יוצאים (כיוון וקטור B הוא כלפי חוץ) הוא הקוטב המגנטי הצפוני ואיפה הקווים נכנסים (וקטור B מכוון פנימה) הוא הקוטב המגנטי הצפוני. קוטב מגנטי דרומי.
אם סיבובים רבים עם זרם יוצרים סליל ארוך - סולנואיד (אורך הסליל פי הרבה מהקוטרו), אזי השדה המגנטי בתוכו אחיד, כלומר, קווי האינדוקציה המגנטית B מקבילים זה לזה ויש להם אותה צפיפות לכל אורך הסליל. אגב, השדה המגנטי של מגנט קבוע דומה חיצונית לשדה המגנטי של סליל נושא זרם.
עבור סליל עם זרם I, אורך l, עם מספר הסיבובים N, ההשראה המגנטית בוואקום תהיה שווה מספרית ל:
אז, השדה המגנטי בתוך הסליל עם הזרם הוא אחיד ומכוון מהקוטב הדרומי לקוטב הצפוני (בתוך הסליל!). האינדוקציה המגנטית בתוך הסליל היא פרופורציונלית מודולו למספר סיבובי האמפר ליחידת אורך של הסליל נושא הזרם.