Medan magnet kumparan pembawa arus

Jika medan elektrostatik ada di ruang sekitar muatan listrik stasioner, maka di ruang sekitar muatan bergerak (serta di sekitar medan listrik yang berubah waktu yang awalnya diusulkan oleh Maxwell) terdapat Medan gaya… Ini mudah diamati secara eksperimental.

Berkat medan magnet, arus listrik berinteraksi satu sama lain, serta magnet permanen dan arus dengan magnet. Dibandingkan dengan interaksi listrik, interaksi magnetik jauh lebih kuat. Interaksi ini dipelajari pada waktunya oleh André-Marie Ampère.

Dalam fisika, ciri medan magnet adalah induksi magnetik B dan semakin besar, semakin kuat medan magnetnya. Induksi magnet B adalah besaran vektor, arahnya bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada kutub utara panah magnet konvensional yang ditempatkan di beberapa titik dalam medan magnet — medan magnet akan mengarahkan panah magnet ke arah vektor B , yaitu searah medan magnet .

Vektor B pada setiap titik garis induksi magnetik diarahkan secara tangensial. Artinya, induksi B mencirikan efek gaya medan magnet pada arus. Peran serupa dimainkan oleh gaya E untuk medan listrik, yang mencirikan aksi kuat medan listrik pada muatan.

Eksperimen paling sederhana dengan serbuk besi memungkinkan Anda untuk mendemonstrasikan dengan jelas fenomena aksi medan magnet pada objek yang dimagnetisasi, karena dalam medan magnet yang konstan, potongan-potongan kecil feromagnet (potongan-potongan tersebut adalah serbuk besi) dimagnetisasi di sepanjang medan magnet. panah, seperti panah kecil kompas.

Jika Anda mengambil kawat tembaga vertikal dan menjalankannya melalui lubang di selembar kertas yang ditempatkan secara horizontal (atau Plexiglas atau kayu lapis) dan kemudian menuangkan serbuk logam ke atas lembaran, goyangkan sedikit, dan kemudian jalankan arus searah melalui kawat, mudah untuk melihat bagaimana pengarsipan akan mengatur dirinya sendiri dalam bentuk pusaran melingkar di sekitar kawat, dalam bidang yang tegak lurus dengan arus di dalamnya.

Lingkaran serbuk gergaji ini hanya akan menjadi representasi konvensional dari garis induksi magnetik B dari medan magnet konduktor pembawa arus. Pusat lingkaran dalam percobaan ini akan ditempatkan tepat di tengah, sepanjang sumbu kawat pembawa arus.

Arah vektor induksi magnetik dalam kawat pembawa arus mudah ditentukan dengan aturan gimlet atau menurut aturan sekrup kanan: dengan gerakan translasi sumbu sekrup ke arah arus di kawat, arah putaran sekrup atau pegangan gimbal (sekrup masuk atau keluar) akan menunjukkan arah medan magnet di sekitar arus.

Mengapa aturan gimbal diterapkan? Karena kerja rotor (dilambangkan dalam teori medan dengan peluruhan) yang digunakan dalam dua persamaan Maxwell dapat ditulis secara formal sebagai perkalian vektor (dengan operator nabla) dan yang paling penting karena rotor medan vektor dapat disamakan dengan ( adalah analogi) dengan kecepatan sudut rotasi fluida ideal (seperti yang dibayangkan oleh Maxwell sendiri), yang medan kecepatan alirannya mewakili medan vektor tertentu, dapat digunakan untuk rotor dengan rumusan aturan ini yang dijelaskan untuk kecepatan sudut .

Jadi, jika Anda memutar ibu jari ke arah pusaran medan vektor, itu akan berputar ke arah vektor rotor medan itu.

Seperti yang Anda lihat, tidak seperti garis intensitas medan elektrostatik yang terbuka di ruang angkasa, garis induksi magnet yang mengelilingi arus listrik tertutup. Jika garis intensitas listrik E dimulai dengan muatan positif dan diakhiri dengan muatan negatif, maka garis induksi magnet B hanya menutup di sekitar arus yang menghasilkannya.

Sekarang mari kita perumit eksperimennya. Pertimbangkan alih-alih kawat lurus dengan arus, tekukan dengan arus. Misalkan nyaman bagi kita untuk memposisikan loop seperti itu tegak lurus terhadap bidang gambar, dengan arus diarahkan ke kita di sebelah kiri, dan di sebelah kanan dari kita. Jika sekarang kompas dengan jarum magnet ditempatkan di dalam loop saat ini, jarum magnet akan menunjukkan arah garis induksi magnet - mereka akan diarahkan sepanjang sumbu loop.

Mengapa? Karena sisi berlawanan dari bidang kumparan akan dianalogikan dengan kutub jarum magnet.Di mana garis B keluar adalah kutub magnet utara, di mana mereka memasuki kutub selatan. Ini mudah dipahami jika Anda pertama-tama mempertimbangkan kabel pembawa arus dan medan magnetnya, lalu cukup melilitkan kabel ke dalam cincin.

Untuk menentukan arah induksi magnetik suatu loop dengan arus, mereka juga menggunakan aturan gimbal atau aturan sekrup kanan. Tempatkan ujung gimbal di tengah loop dan putar searah jarum jam. Gerakan translasi gimbal akan searah dengan vektor induksi magnetik B di pusat loop.

Jelas, arah medan magnet arus terkait dengan arah arus di kawat, baik itu kawat lurus atau gulungan.

Secara umum diterima bahwa sisi kumparan atau kumparan pembawa arus di mana garis-garis induksi magnetik B keluar (arah vektor B ke luar) adalah kutub magnet utara dan di mana garis-garis masuk (vektor B diarahkan ke dalam) adalah sisi kutub magnet selatan.

Jika banyak belokan dengan arus membentuk kumparan panjang - solenoida (panjang kumparan berkali-kali diameternya), maka medan magnet di dalamnya seragam, yaitu garis induksi magnet B sejajar satu sama lain dan memiliki kerapatan yang sama di sepanjang panjang kumparan. Kebetulan, medan magnet magnet permanen secara eksternal mirip dengan medan magnet kumparan pembawa arus.

Untuk kumparan dengan arus I, panjang l, dengan jumlah lilitan N, induksi magnetik dalam ruang hampa secara numerik akan sama dengan:

Jadi, medan magnet di dalam kumparan dengan arus seragam dan diarahkan dari kutub selatan ke kutub utara (di dalam kumparan!). Induksi magnetik di dalam koil adalah modulo sebanding dengan jumlah lilitan ampere per satuan panjang koil pembawa arus.