Campo magnetico della bobina percorsa da corrente

Se esiste un campo elettrostatico nello spazio attorno a cariche elettriche stazionarie, allora nello spazio attorno a cariche in movimento (così come intorno ai campi elettrici variabili nel tempo originariamente proposti da Maxwell) esiste campo magnetico… Questo è facile da osservare sperimentalmente.

Grazie al campo magnetico, le correnti elettriche interagiscono tra loro, così come i magneti permanenti e le correnti con i magneti. Rispetto all'interazione elettrica, l'interazione magnetica è molto più forte. Questa interazione è stata studiata a tempo debito da André-Marie Ampère.

In fisica, la caratteristica del campo magnetico è induzione magnetica B e più grande è, più forte è il campo magnetico. L'induzione magnetica B è una quantità vettoriale, la sua direzione coincide con la direzione della forza che agisce sul polo nord di una freccia magnetica convenzionale posta in un punto del campo magnetico - il campo magnetico orienterà la freccia magnetica nella direzione del vettore B , cioè nella direzione del campo magnetico .

Il vettore B in qualsiasi punto della linea di induzione magnetica è diretto ad esso tangenzialmente. Cioè, l'induzione B caratterizza l'effetto della forza del campo magnetico sulla corrente. Un ruolo simile è svolto dalla forza E per il campo elettrico, che caratterizza la forte azione del campo elettrico sulla carica.

L'esperimento più semplice con limatura di ferro consente di dimostrare chiaramente il fenomeno dell'azione di un campo magnetico su un oggetto magnetizzato, perché in un campo magnetico costante piccoli pezzi di un ferromagnete (tali pezzi sono limatura di ferro) sono magnetizzati lungo il campo , magnetico frecce, come piccole frecce della bussola.

Se prendi un filo di rame verticale e lo fai passare attraverso un foro in un foglio di carta (o plexiglas o compensato) posizionato orizzontalmente e poi versi della limatura di metallo sul foglio, scuotilo un po' e poi fai passare una corrente continua attraverso il filo, è facile vedere come la limatura si disponga a forma di vortice in cerchi intorno al filo, in un piano perpendicolare alla corrente in esso.

Questi cerchi di segatura saranno semplicemente una rappresentazione convenzionale delle linee di induzione magnetica B del campo magnetico di un conduttore percorso da corrente. Il centro dei cerchi in questo esperimento si troverà esattamente al centro, lungo l'asse del filo che trasporta corrente.

La direzione dei vettori di induzione magnetica in un filo percorso da corrente è facile da determinare dalla regola del gimlet o secondo la regola della vite della mano destra: con il movimento traslatorio dell'asse della vite nella direzione della corrente nel filo, il senso di rotazione della vite o dell'impugnatura cardanica (avvitamento o svitamento) indicherà la direzione del campo magnetico attorno alla corrente.

Perché viene applicata la regola del gimbal? Poiché il lavoro del rotore (denotato nella teoria dei campi da decadimento) utilizzato in due equazioni di Maxwell può essere scritto formalmente come un prodotto vettoriale (con l'operatore nabla) e soprattutto perché il rotore di un campo vettoriale può essere paragonato a ( è un analogia) alla velocità angolare di rotazione del fluido ideale (come immaginato dallo stesso Maxwell), il cui campo di velocità di flusso rappresenta un dato campo vettoriale, può essere utilizzato per il rotore da queste formulazioni di regole che sono descritte per la velocità angolare .

Quindi, se giri il pollice nella direzione del vortice del campo vettoriale, si avviterà nella direzione del vettore rotore di quel campo.

Come puoi vedere, a differenza delle linee di intensità del campo elettrostatico, che sono aperte nello spazio, le linee di induzione magnetica che circondano la corrente elettrica sono chiuse. Se le righe di intensità elettrica E iniziano con cariche positive e terminano con cariche negative, allora le righe di induzione magnetica B si chiudono semplicemente attorno alla corrente che le genera.

Ora complichiamo l'esperimento. Considera invece di un filo dritto con corrente, una curva con corrente. Supponiamo che sia conveniente per noi posizionare un tale anello perpendicolare al piano del disegno, con la corrente diretta verso di noi a sinistra ea destra da noi. Se ora una bussola con un ago magnetico viene posizionata all'interno del circuito corrente, allora l'ago magnetico indicherà la direzione delle linee di induzione magnetica - saranno dirette lungo l'asse del circuito.

Perché? Poiché i lati opposti del piano della bobina saranno analoghi ai poli dell'ago magnetico.Dove escono le linee B è il polo magnetico nord, dove entrano nel polo sud. Questo è facile da capire se si considera prima un filo percorso da corrente e il suo campo magnetico, e poi si avvolge semplicemente il filo in un anello.

Per determinare la direzione dell'induzione magnetica di una spira con una corrente, usano anche la regola cardanica o la regola della vite di destra. Posiziona la punta del gimbal al centro dell'anello e ruotalo in senso orario. Il movimento di traslazione del gimbal coinciderà in direzione con il vettore di induzione magnetica B al centro del loop.

Ovviamente, la direzione del campo magnetico della corrente è correlata alla direzione della corrente nel filo, sia esso un filo rettilineo o una bobina.

È generalmente accettato che il lato della bobina o bobina che trasporta corrente dove escono le linee di induzione magnetica B (la direzione del vettore B è verso l'esterno) sia il polo nord magnetico e dove le linee entrano (il vettore B è diretto verso l'interno) sia il polo magnetico sud.

Se molte spire con corrente formano una bobina lunga - un solenoide (la lunghezza della bobina è molte volte il suo diametro), allora il campo magnetico al suo interno è uniforme, cioè le linee di induzione magnetica B sono parallele tra loro e hanno la stessa densità lungo l'intera lunghezza della bobina. Per inciso, il campo magnetico di un magnete permanente è esternamente simile al campo magnetico di una bobina percorsa da corrente.

Per una bobina con corrente I, lunghezza l, con il numero di spire N, l'induzione magnetica nel vuoto sarà numericamente uguale a:

Quindi, il campo magnetico all'interno della bobina con la corrente è uniforme e diretto dal polo sud al polo nord (all'interno della bobina!). L'induzione magnetica all'interno della bobina è modulo proporzionale al numero di ampere-spire per unità di lunghezza della bobina che trasporta corrente.