Magnetfeld der stromdurchflossenen Spule

Wenn im Raum um stationäre elektrische Ladungen ein elektrostatisches Feld existiert, dann existiert es auch im Raum um sich bewegende Ladungen (sowie um die zeitlich veränderlichen elektrischen Felder, die ursprünglich von Maxwell vorgeschlagen wurden). Magnetfeld… Dies ist experimentell leicht zu beobachten.

Dank des Magnetfeldes interagieren elektrische Ströme untereinander sowie Permanentmagnete und Ströme mit Magneten. Im Vergleich zur elektrischen Wechselwirkung ist die magnetische Wechselwirkung viel stärker. Diese Wechselwirkung wurde zu gegebener Zeit von André-Marie Ampère untersucht.

In der Physik ist die magnetische Feldcharakteristik magnetische Induktion B und je größer es ist, desto stärker ist das Magnetfeld. Die magnetische Induktion B ist eine Vektorgröße, ihre Richtung stimmt mit der Richtung der Kraft überein, die auf den Nordpol eines herkömmlichen Magnetpfeils wirkt, der an einem Punkt im Magnetfeld platziert ist – das Magnetfeld richtet den Magnetpfeil in Vektorrichtung aus B, also in Richtung des Magnetfeldes.

Der Vektor B ist an jedem Punkt der magnetischen Induktionslinie tangential darauf gerichtet. Das heißt, die Induktion B charakterisiert die Kraftwirkung des Magnetfeldes auf den Strom. Eine ähnliche Rolle spielt die Kraft E für das elektrische Feld, die die starke Wirkung des elektrischen Feldes auf die Ladung charakterisiert.

Mit dem einfachsten Experiment mit Eisenspänen können Sie das Phänomen der Wirkung eines Magnetfelds auf ein magnetisiertes Objekt anschaulich demonstrieren, da in einem konstanten Magnetfeld kleine Stücke eines Ferromagneten (solche Stücke sind Eisenspäne) entlang des Feldes magnetisiert werden, magnetisch Pfeile, wie kleine Kompasspfeile.

Wenn Sie einen vertikalen Kupferdraht nehmen und ihn durch ein Loch in einem horizontal platzierten Blatt Papier (oder Plexiglas oder Sperrholz) führen und dann Metallspäne auf das Blatt gießen, es ein wenig schütteln und dann einen Gleichstrom durch den Draht leiten, Es ist leicht zu erkennen, wie sich die Späne in Form eines Wirbels kreisförmig um den Draht anordnen, in einer Ebene senkrecht zum Strom darin.

Diese Sägemehlkreise sind lediglich eine herkömmliche Darstellung der magnetischen Induktionslinien B des Magnetfelds eines stromdurchflossenen Leiters. Der Mittelpunkt der Kreise liegt in diesem Experiment genau in der Mitte, entlang der Achse des stromführenden Drahtes.

Die Richtung der magnetischen Induktionsvektoren in einem stromdurchflossenen Draht lässt sich leicht bestimmen nach der Gimlet-Regel oder nach der Rechtsschraubenregel: Bei der translatorischen Bewegung der Schraubenachse in Richtung des Stroms im Draht gibt die Drehrichtung der Schraube bzw. des kardanischen Griffs (Ein- oder Ausdrehen) die Richtung an Magnetfeld um den Strom.

Warum wird die Gimbal-Regel angewendet? Weil die Arbeit des Rotors (in der Feldtheorie als Zerfall bezeichnet), die in zwei Maxwell-Gleichungen verwendet wird, formal als Vektorprodukt geschrieben werden kann (mit dem Operator nabla) und vor allem, weil der Rotor eines Vektorfeldes mit ( verglichen werden kann). Analogie) zur Winkelgeschwindigkeit der Rotation des idealen Fluids (wie von Maxwell selbst vorgestellt), dessen Strömungsgeschwindigkeitsfeld ein gegebenes Vektorfeld darstellt, kann durch diese Regelformulierungen, die für die Winkelgeschwindigkeit beschrieben werden, für den Rotor verwendet werden.

Wenn Sie also den Daumen in Richtung des Vektorfeldwirbels drehen, dreht er sich in Richtung des Rotorvektors dieses Feldes.

Wie Sie sehen können, sind die Linien der magnetischen Induktion, die den elektrischen Strom umgeben, im Gegensatz zu den Linien der elektrostatischen Feldstärke, die im Raum offen sind, geschlossen. Wenn die elektrischen Intensitätslinien E mit positiven Ladungen beginnen und mit negativen Ladungen enden, schließen sich die magnetischen Induktionslinien B einfach um den Strom, der sie erzeugt.

Jetzt komplizieren wir das Experiment. Betrachten Sie anstelle eines geraden Drahtes mit Strom einen Bogen mit Strom. Nehmen wir an, dass es für uns praktisch ist, eine solche Schleife senkrecht zur Zeichenebene zu positionieren, wobei der Strom links auf uns und rechts von uns gerichtet ist. Wenn nun ein Kompass mit einer Magnetnadel innerhalb der Stromschleife platziert wird, dann zeigt die Magnetnadel die Richtung der magnetischen Induktionslinien an – sie werden entlang der Achse der Schleife ausgerichtet.

Warum? Da die gegenüberliegenden Seiten der Spulenebene den Polen der Magnetnadel entsprechen.Wo die B-Linien austreten, ist der magnetische Nordpol, wo sie in den Südpol eintreten. Dies lässt sich leicht verstehen, wenn man zunächst einen stromdurchflossenen Draht und sein Magnetfeld betrachtet und den Draht dann einfach zu einem Ring aufwickelt.

Um die Richtung der magnetischen Induktion einer Schleife mit Strom zu bestimmen, verwenden sie auch das Kardanmaß oder das Rechtsschraubenmaß. Platzieren Sie die Spitze des Kardanrings in der Mitte der Schlaufe und drehen Sie ihn im Uhrzeigersinn. Die Translationsbewegung des Kardanrings stimmt in der Richtung mit dem magnetischen Induktionsvektor B in der Mitte der Schleife überein.

Offensichtlich hängt die Richtung des Magnetfelds des Stroms von der Richtung des Stroms im Draht ab, sei es ein gerader Draht oder eine Spule.

Es wird allgemein angenommen, dass die Seite der stromdurchflossenen Spule oder Spule, an der die magnetischen Induktionslinien B austreten (Richtung des Vektors B ist nach außen), der magnetische Nordpol und die Seite, an der die Linien eintreten (Vektor B ist nach innen gerichtet), der magnetische Nordpol ist magnetischer Südpol.

Wenn viele Windungen mit Strom eine lange Spule bilden – einen Magneten (die Länge der Spule beträgt ein Vielfaches ihres Durchmessers), dann ist das Magnetfeld darin gleichmäßig, d. h. die Linien der magnetischen Induktion B sind parallel zueinander und haben die gleiche Dichte über die gesamte Länge der Spule. Das Magnetfeld eines Permanentmagneten ähnelt übrigens äußerlich dem Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

Für eine Spule mit Strom I, Länge l und der Windungszahl N ist die magnetische Induktion im Vakuum numerisch gleich:

Das Magnetfeld innerhalb der Spule mit dem Strom ist also gleichmäßig und vom Südpol zum Nordpol gerichtet (innerhalb der Spule!). Die magnetische Induktion innerhalb der Spule ist modulo proportional zur Anzahl der Amperewindungen pro Längeneinheit der stromdurchflossenen Spule.