المجال المغناطيسي للملف الحامل للتيار

إذا كان هناك مجال إلكتروستاتيكي في الفضاء حول الشحنات الكهربائية الثابتة ، فعندئذٍ يوجد في الفضاء المحيط بالشحنات المتحركة (وكذلك حول المجالات الكهربائية المتغيرة بمرور الوقت التي اقترحها ماكسويل في الأصل) حقل مغناطيسي... من السهل ملاحظة ذلك من خلال التجربة.

بفضل المجال المغناطيسي ، تتفاعل التيارات الكهربائية مع بعضها البعض ، وكذلك المغناطيس الدائم والتيارات مع المغناطيس. بالمقارنة مع التفاعل الكهربائي ، يكون التفاعل المغناطيسي أقوى بكثير. تمت دراسة هذا التفاعل في الوقت المناسب من قبل أندريه ماري أمبير.

في الفيزياء ، خاصية المجال المغناطيسي هي الحث المغناطيسي B وكلما كان حجمه أكبر ، كلما كان المجال المغناطيسي أقوى. الحث المغناطيسي B عبارة عن كمية متجهة ، ويتزامن اتجاهها مع اتجاه القوة المؤثرة على القطب الشمالي لسهم مغناطيسي تقليدي موضوع في نقطة ما في المجال المغناطيسي - سيوجه المجال المغناطيسي السهم المغناطيسي في اتجاه المتجه ب ، أي في اتجاه المجال المغناطيسي.

يتم توجيه المتجه B في أي نقطة من خط الحث المغناطيسي إليها بشكل عرضي. أي أن الحث B يميز تأثير قوة المجال المغناطيسي على التيار. تلعب القوة E دورًا مشابهًا في المجال الكهربائي ، والذي يميز التأثير القوي للمجال الكهربائي على الشحنة.

تتيح لك أبسط تجربة مع برادة الحديد أن توضح بوضوح ظاهرة عمل المجال المغناطيسي على جسم ممغنط ، لأنه في مجال مغناطيسي ثابت ، يتم ممغنط قطع صغيرة من المغناطيس الحديدي (هذه القطع عبارة عن برادة حديدية) على طول المجال المغناطيسي. سهام مثل سهام صغيرة من البوصلة.

إذا أخذت سلكًا نحاسيًا رأسيًا وقمت بتشغيله من خلال ثقب في ورقة موضوعة أفقيًا (أو زجاجي أو خشب رقائقي) ثم صب برادة معدنية على الصفيحة ، قم بهزها قليلاً ، ثم قم بتشغيل تيار مباشر عبر السلك ، من السهل أن ترى كيف ستنظم البرادة نفسها في شكل دوامة في دوائر حول السلك ، في مستوى عمودي على التيار الموجود فيه.

ستكون دوائر نشارة الخشب هذه مجرد تمثيل تقليدي لخطوط الحث المغناطيسي B للمجال المغناطيسي للموصل الحامل للتيار. سيكون مركز الدوائر في هذه التجربة موجودًا بالضبط في المركز ، على طول محور السلك الحامل للتيار.

من السهل تحديد اتجاه نواقل الحث المغناطيسي في سلك يحمل التيار بحكم gimlet أو وفقًا لقاعدة اللولب اليمنى: مع الحركة الانتقالية لمحور المسمار في اتجاه التيار في السلك ، فإن اتجاه دوران المسمار أو مقبض gimbal (الشد إلى الداخل أو الخارج) سيشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي حول التيار.

لماذا يتم تطبيق قاعدة gimbal؟ نظرًا لأن عمل الدوار (المشار إليه في نظرية المجال عن طريق الانحلال) المستخدم في معادلتين من معادلات ماكسويل يمكن كتابته رسميًا كمنتج متجه (مع المشغل nabla) والأهم من ذلك أنه يمكن تشبيه دوار حقل متجه بـ (هو القياس) للسرعة الزاوية لدوران المائع المثالي (كما تخيلها ماكسويل نفسه) ، والذي يمثل حقل سرعة التدفق الخاص به حقلاً متجهًا معينًا ، يمكن استخدامه للدوار من خلال صيغ القواعد الموصوفة للسرعة الزاوية.

وبالتالي ، إذا قمت بتدوير الإبهام في اتجاه دوامة الحقل المتجه ، فسوف يلف في اتجاه متجه الدوار لهذا الحقل.

كما ترون ، على عكس خطوط شدة المجال الكهروستاتيكي المفتوحة في الفضاء ، فإن خطوط الحث المغناطيسي المحيطة بالتيار الكهربائي مغلقة. إذا بدأت خطوط الشدة الكهربائية E بشحنات موجبة وانتهت بشحنات سالبة ، فإن خطوط الحث المغناطيسي B تغلق ببساطة حول التيار الذي يولدها.

الآن دعونا نعقد التجربة. ضع في اعتبارك بدلاً من سلك مستقيم مع تيار ، الانحناء مع التيار. افترض أنه من الملائم بالنسبة لنا وضع مثل هذه الحلقة بشكل عمودي على مستوى الرسم ، بحيث يكون التيار موجهًا نحونا على اليسار وعلى اليمين منا. إذا تم الآن وضع بوصلة بإبرة مغناطيسية داخل الحلقة الحالية ، فستشير الإبرة المغناطيسية إلى اتجاه خطوط الحث المغناطيسي - سيتم توجيهها على طول محور الحلقة.

لماذا؟ نظرًا لأن الجوانب المقابلة لمستوى الملف ستكون مماثلة لأقطاب الإبرة المغناطيسية.حيث تغادر الخطوط B هو القطب المغناطيسي الشمالي ، حيث تدخل القطب الجنوبي. يسهل فهم ذلك إذا فكرت أولاً في السلك الحامل للتيار ومجاله المغناطيسي ، ثم لف السلك ببساطة في حلقة.

لتحديد اتجاه الحث المغناطيسي لحلقة مع تيار ، يستخدمون أيضًا قاعدة gimbal أو قاعدة المسمار الأيمن. ضع طرف المحور في وسط الحلقة وقم بتدويره في اتجاه عقارب الساعة. ستتزامن الحركة الانتقالية للمحور في الاتجاه مع متجه الحث المغناطيسي B في مركز الحلقة.

من الواضح أن اتجاه المجال المغناطيسي للتيار يرتبط باتجاه التيار في السلك ، سواء كان سلكًا مستقيمًا أو ملفًا.

من المقبول عمومًا أن جانب الملف أو الملف الحامل للتيار حيث تكون خطوط الحث المغناطيسي B خروج (اتجاه المتجه B إلى الخارج) هو القطب المغناطيسي الشمالي وحيث تدخل الخطوط (يتم توجيه المتجه B إلى الداخل) هو القطب المغناطيسي الجنوبي.

إذا كان هناك العديد من المنعطفات مع التيار على شكل ملف طويل - ملف لولبي (طول الملف هو عدة أضعاف قطره) ، فإن المجال المغناطيسي بداخله يكون موحدًا ، أي أن خطوط الحث المغناطيسي B متوازية مع بعضها البعض ولها نفس الكثافة على طول الملف بالكامل. بالمناسبة ، المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم مشابه خارجيًا للحقل المغناطيسي للملف الحامل للتيار.

بالنسبة للملف ذي التيار I ، الطول l ، مع عدد الدورات N ، فإن الحث المغناطيسي في الفراغ سيكون مساويًا عدديًا لـ:

لذلك ، فإن المجال المغناطيسي داخل الملف مع التيار موحد وموجه من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي (داخل الملف!). يتناسب الحث المغناطيسي داخل الملف مع عدد دورات الأمبير لكل وحدة طول للملف الحامل للتيار.