สนามแม่เหล็กของขดลวดที่มีกระแส

หากมีสนามไฟฟ้าสถิตอยู่ในช่องว่างรอบๆ ประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่ง ดังนั้นในอวกาศรอบๆ ประจุเคลื่อนที่ (เช่นเดียวกับรอบๆ สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาที่เสนอโดย Maxwell) สนามแม่เหล็ก… นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะสังเกตการทดลอง

เนื่องจากสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าจึงมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับแม่เหล็กถาวรและกระแสด้วยแม่เหล็ก เมื่อเทียบกับปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าแล้ว ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งกว่ามาก ปฏิสัมพันธ์นี้ได้รับการศึกษาในเวลาที่เหมาะสมโดยAndré-Marie Ampère

ในทางฟิสิกส์ ลักษณะเฉพาะของสนามแม่เหล็กคือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B และยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใด สนามแม่เหล็กก็ยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B เป็นปริมาณเวกเตอร์ ทิศทางของมันเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อขั้วเหนือของลูกศรแม่เหล็กทั่วไปซึ่งวางไว้ ณ จุดใดจุดหนึ่งในสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะปรับทิศทางของลูกศรแม่เหล็กในทิศทางของเวกเตอร์ B นั่นคือในทิศทางของสนามแม่เหล็ก

เวกเตอร์ B ที่จุดใดๆ ของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะพุ่งตรงไปในแนวสัมผัส นั่นคือ การเหนี่ยวนำ B แสดงลักษณะผลกระทบของสนามแม่เหล็กที่มีต่อกระแส มีบทบาทที่คล้ายกันโดยแรง E สำหรับสนามไฟฟ้าซึ่งแสดงลักษณะการกระทำที่รุนแรงของสนามไฟฟ้าบนประจุ

การทดลองที่ง่ายที่สุดกับตะไบเหล็กช่วยให้คุณแสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์ของการกระทำของสนามแม่เหล็กบนวัตถุแม่เหล็กได้อย่างชัดเจนเนื่องจากในสนามแม่เหล็กคงที่ ชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก (ชิ้นส่วนดังกล่าวเป็นตะไบเหล็ก) แม่เหล็ก ลูกศรเช่นลูกศรขนาดเล็กของเข็มทิศ

หากคุณนำลวดทองแดงแนวตั้งมาร้อยผ่านรูในแผ่นกระดาษที่วางในแนวนอน (หรือ Plexiglas หรือไม้อัด) แล้วเทตะไบโลหะลงบนแผ่น เขย่าเล็กน้อย แล้วให้กระแสตรงผ่านลวด ง่ายต่อการดูว่าตะไบจะเรียงตัวอย่างไรในรูปแบบของกระแสน้ำวนเป็นวงกลมรอบเส้นลวดในระนาบที่ตั้งฉากกับกระแสในนั้น

วงกลมขี้เลื่อยเหล่านี้เป็นเพียงการแสดงธรรมดาของเส้นการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ของสนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า จุดศูนย์กลางของวงกลมในการทดลองนี้จะอยู่ตรงกึ่งกลางพอดี ตามแนวแกนของเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้า

ทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้านั้นสามารถระบุได้ง่าย ตามกฎค้อน หรือตามกฎสกรูมือขวา: เมื่อแกนสกรูเคลื่อนที่ตามทิศทางของกระแสในสายไฟ ทิศทางการหมุนของสกรูหรือที่จับ gimbal (การขันเข้าหรือออก) จะระบุทิศทางของ สนามแม่เหล็กรอบ ๆ กระแส

เหตุใดจึงใช้กฎ gimbal เนื่องจากการทำงานของโรเตอร์ (แสดงไว้ในทฤษฎีสนามโดยการสลายตัว) ที่ใช้ในสมการแมกซ์เวลล์สองสมการ สามารถเขียนอย่างเป็นทางการเป็นผลิตภัณฑ์เวกเตอร์ (ด้วยตัวดำเนินการ nabla) และที่สำคัญที่สุดคือ เนื่องจากโรเตอร์ของสนามเวกเตอร์สามารถเปรียบได้กับ ( คือ การเปรียบเทียบ) กับความเร็วเชิงมุมของการหมุนของของไหลในอุดมคติ (ตามจินตนาการของ Maxwell เอง) ซึ่งสนามความเร็วการไหลแทนสนามเวกเตอร์ที่กำหนด สามารถใช้กับโรเตอร์ได้ด้วยสูตรกฎเหล่านี้ซึ่งอธิบายไว้สำหรับความเร็วเชิงมุม

ดังนั้น หากคุณหันนิ้วหัวแม่มือไปตามทิศทางของกระแสน้ำวนของสนามเวกเตอร์ มันจะหมุนไปในทิศทางของเวกเตอร์โรเตอร์ของสนามนั้น

อย่างที่คุณเห็น ซึ่งแตกต่างจากเส้นความเข้มของสนามไฟฟ้าสถิตซึ่งเปิดอยู่ในอวกาศ เส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่อยู่รอบๆ กระแสไฟฟ้าจะปิด หากเส้นความเข้มไฟฟ้า E เริ่มต้นด้วยประจุบวกและสิ้นสุดด้วยประจุลบ เส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ก็จะเข้าใกล้กระแสที่สร้างประจุเหล่านั้น

ทีนี้มาทำให้การทดลองซับซ้อนขึ้น พิจารณาแทนที่จะเป็นเส้นตรงกับกระแส โค้งด้วยกระแส สมมติว่าเราสะดวกที่จะวางตำแหน่งห่วงดังกล่าวในแนวตั้งฉากกับระนาบของรูปวาดโดยมีกระแสพุ่งเข้าหาเราทางซ้ายและทางขวาจากเรา หากตอนนี้วางเข็มทิศพร้อมเข็มแม่เหล็กไว้ในวงปัจจุบัน เข็มแม่เหล็กจะระบุทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก — พวกมันจะถูกนำทางไปตามแกนของวง

ทำไม เนื่องจากด้านตรงข้ามของระนาบของขดลวดจะคล้ายกับขั้วของเข็มแม่เหล็กโดยที่เส้น B ออกไปคือขั้วแม่เหล็กเหนือซึ่งเข้าสู่ขั้วใต้ สิ่งนี้เข้าใจได้ง่ายหากคุณพิจารณาลวดที่มีกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นอันดับแรก จากนั้นจึงม้วนลวดเข้าไปในวงแหวน

ในการกำหนดทิศทางของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของลูปด้วยกระแส พวกเขายังใช้กฎ gimbal หรือกฎของสกรูมือขวา วางปลายไม้กันสั่นไว้ตรงกลางห่วงแล้วหมุนตามเข็มนาฬิกา การเคลื่อนที่เชิงแปลของ gimbal จะตรงกับทิศทางกับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ที่กึ่งกลางของลูป

เห็นได้ชัดว่าทิศทางของสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้านั้นสัมพันธ์กับทิศทางของกระแสไฟฟ้าในเส้นลวด ไม่ว่าจะเป็นเส้นลวดตรงหรือขดลวด

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าด้านของขดลวดหรือขดลวดพากระแสซึ่งเส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ออก (ทิศทางของเวกเตอร์ B ออกไปด้านนอก) คือขั้วแม่เหล็กเหนือ และจุดที่เส้นเข้า (เวกเตอร์ B พุ่งเข้าด้านใน) คือ ขั้วแม่เหล็กใต้.

หากขดลวดยาวหลาย ๆ รอบก่อตัวเป็นขดลวดยาว - โซลินอยด์ (ความยาวของขดลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายเท่า) จากนั้นสนามแม่เหล็กภายในนั้นจะสม่ำเสมอนั่นคือเส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ขนานกันและมี มีความหนาแน่นเท่ากันตลอดความยาวของขดลวด อนึ่ง สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรมีลักษณะภายนอกคล้ายกับสนามแม่เหล็กของขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้า

สำหรับขดลวดที่มีกระแส I ความยาว l มีจำนวนรอบ N การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในสุญญากาศจะเท่ากับ:

ดังนั้นสนามแม่เหล็กภายในขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าสม่ำเสมอและพุ่งตรงจากขั้วใต้ไปยังขั้วเหนือ (ภายในขดลวด!) การเหนี่ยวนำแม่เหล็กภายในขดลวดเป็นแบบโมดูโลแปรผันตามจำนวนรอบแอมแปร์ต่อหน่วยความยาวของขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้า