اتجاه الخطوط المغناطيسية للموصل الحامل للتيار. قسم الفيزياء العامة والفنية

يوم جيد للجميع. تحدثت في المقالة الأخيرة عن المجال المغناطيسي وتحدثت قليلاً عن معالمه. تواصل هذه المقالة موضوع المجال المغناطيسي وهي مخصصة لمعلمة مثل الحث المغناطيسي. ولتبسيط الموضوع سأتحدث عن المجال المغناطيسي في الفراغ، حيث أن المواد المختلفة لها خصائص مغناطيسية مختلفة، ونتيجة لذلك، من الضروري أخذ خصائصها بعين الاعتبار.

قانون بيوت-سافارت-لابلاس

نتيجة لدراسة المجالات المغناطيسية الناتجة عن التيار الكهربائي توصل الباحثون إلى الاستنتاجات التالية:

الحث المغناطيسي الناتج عن التيار الكهربائي يتناسب مع قوة التيار؛
يعتمد الحث المغناطيسي على شكل وحجم الموصل الذي يتدفق من خلاله التيار الكهربائي؛
يعتمد الحث المغناطيسي في أي نقطة في المجال المغناطيسي على موقع هذه النقطة بالنسبة للموصل الحامل للتيار.

لجأ العلماء الفرنسيون بيوت وسافارد، الذين توصلوا إلى مثل هذه الاستنتاجات، إلى عالم الرياضيات العظيم ب. لابلاس لتعميم واستخلاص القانون الأساسي للحث المغناطيسي. لقد افترض أن الحث عند أي نقطة من المجال المغناطيسي الناتج عن موصل يحمل تيارًا يمكن تمثيله كمجموع الحث المغناطيسي للمجالات المغناطيسية الأولية التي يتم إنشاؤها بواسطة قسم أولي من موصل يحمل تيارًا. أصبحت هذه الفرضية قانون الحث المغناطيسي، المسمى قانون بيوت-سافارت-لابلاس. للنظر في هذا القانون، دعونا نصور موصلًا يحمل تيارًا والحث المغناطيسي الذي يولده

الحث المغناطيسي ديسيبل تم إنشاؤه بواسطة قسم أولي للموصل dl.

ثم الحث المغناطيسي ديسيبلالمجال المغناطيسي الأولي الذي يتم إنشاؤه بواسطة قسم من الموصل دل، مع التيار أنافي نقطة تعسفية رسيتم تحديده من خلال التعبير التالي

حيث أنا هو التيار المتدفق عبر الموصل،

r هو ناقل نصف القطر المرسوم من عنصر الموصل إلى نقطة المجال المغناطيسي،

dl هو الحد الأدنى لعنصر الموصل الذي يخلق الحث dB،

ك - معامل التناسب، اعتمادًا على النظام المرجعي، في SI k = μ 0 /(4π)

لأن إذا كان منتجًا متجهًا، فإن التعبير النهائي للتحريض المغناطيسي الأولي سيبدو بهذا الشكل

وبالتالي، يسمح لنا هذا التعبير بإيجاد الحث المغناطيسي للمجال المغناطيسي، والذي يتم إنشاؤه بواسطة موصل بتيار ذو شكل وحجم عشوائيين من خلال دمج الجانب الأيمن من التعبير

حيث يشير الرمز l إلى أن التكامل يحدث على طول الموصل بالكامل.

الحث المغناطيسي لموصل مستقيم

كما تعلم، فإن أبسط مجال مغناطيسي يخلق موصلًا مستقيمًا يتدفق من خلاله التيار الكهربائي. كما قلت في المقالة السابقة، فإن خطوط القوة لمجال مغناطيسي معين هي دوائر متحدة المركز تقع حول الموصل.

لتحديد الحث المغناطيسي فيسلك مستقيم عند نقطة ما ردعونا نقدم بعض الرموز. منذ هذه النقطة رعلى مسافة بمن السلك، ثم المسافة من أي نقطة على السلك إلى هذه النقطة ريتم تعريفه على أنه r = b/sinα. ثم أقصر طول للموصل دليمكن حسابها من التعبير التالي

ونتيجة لذلك، فإن قانون بيوت-سافارت-لابلاس لسلك مستقيم بطول لا نهائي سيكون له الشكل

حيث I هو التيار المتدفق عبر السلك،

ب هي المسافة من مركز السلك إلى النقطة التي يتم عندها حساب الحث المغناطيسي.

الآن نقوم ببساطة بدمج التعبير الناتج دαتتراوح من 0 إلى π.

وبالتالي، فإن التعبير النهائي للحث المغناطيسي لسلك مستقيم بطول لا نهائي سيكون

أنا - التيار المتدفق عبر السلك،

ب هي المسافة من مركز الموصل إلى النقطة التي يتم عندها قياس الحث.

الحث المغناطيسي للحلقة

إن تحريض السلك المستقيم له قيمة صغيرة ويتناقص مع المسافة من الموصل، لذلك لا يستخدم عمليا في الأجهزة العملية. المجالات المغناطيسية الأكثر استخدامًا هي تلك التي يتم إنشاؤها بواسطة سلك ملفوف حول الإطار. ولذلك، تسمى هذه المجالات المجالات المغناطيسية للتيار الدائري. أبسط هذا المجال المغناطيسي يمتلكه تيار كهربائي يتدفق عبر موصل له شكل دائرة نصف قطرها R.

في هذه الحالة، هناك حالتان لهما أهمية عملية: المجال المغناطيسي عند مركز الدائرة والمجال المغناطيسي عند النقطة P، التي تقع على محور الدائرة. دعونا ننظر في الحالة الأولى.

في هذه الحالة، كل عنصر حالي dl يخلق تحريضًا مغناطيسيًا أوليًا dB في مركز الدائرة، وهو متعامد مع المستوى الكنتوري، عندها سيكون لقانون Biot-Savart-Laplace الشكل

كل ما تبقى هو دمج التعبير الناتج على كامل طول الدائرة

حيث μ 0 هو الثابت المغناطيسي، μ 0 = 4π 10 -7 H/m،

I - القوة الحالية في الموصل،

R هو نصف قطر الدائرة التي يدور فيها الموصل.

لنفكر في الحالة الثانية، عندما تكون النقطة التي يتم عندها حساب الحث المغناطيسي تقع على الخط المستقيم X، وهو عمودي على المستوى الذي يحده التيار الدائري.

في هذه الحالة، الحث عند هذه النقطة رسيكون مجموع التحريضات الأولية ديسيبل Xوالذي بدوره هو إسقاط على المحور Xالحث الابتدائي ديسيبل

وبتطبيق قانون بيوت-سافارت-لابلاس، نحسب قيمة الحث المغناطيسي

والآن دعونا ندمج هذا التعبير على طول الدائرة بالكامل

حيث μ 0 هو الثابت المغناطيسي، μ 0 = 4π 10 -7 H/m،

I - القوة الحالية في الموصل،

R هو نصف قطر الدائرة التي يدور فيها الموصل،

x هي المسافة من النقطة التي يتم عندها حساب الحث المغناطيسي إلى مركز الدائرة.

كما يتبين من صيغة x = 0، فإن التعبير الناتج يتحول إلى صيغة الحث المغناطيسي في مركز التيار الدائري.

تداول ناقلات الحث المغناطيسي

لحساب الحث المغناطيسي للمجالات المغناطيسية البسيطة، يكفي قانون Biot-Savart-Laplace. ومع ذلك، مع المجالات المغناطيسية الأكثر تعقيدًا، على سبيل المثال، المجال المغناطيسي للملف اللولبي أو الحلقي، سيزداد عدد الحسابات ومرهقة الصيغ بشكل كبير. لتبسيط الحسابات، تم تقديم مفهوم تداول ناقل الحث المغناطيسي.

دعونا نتخيل بعض الدوائر ل، وهو عمودي على التيار أنا. في أي مرحلة رمن هذه الدائرة، الحث المغناطيسي فيموجهة بشكل عرضي إلى هذا الكفاف. ثم نتاج المتجهات دلو فيموصوف بالتعبير التالي

منذ الزاوية دφصغيرة بما فيه الكفاية، ثم المتجهات دل ب يعرف بطول القوس

وبالتالي، بمعرفة الحث المغناطيسي لموصل مستقيم عند نقطة معينة، يمكننا استخلاص تعبير لتدوير ناقل الحث المغناطيسي

الآن كل ما تبقى هو دمج التعبير الناتج على كامل طول الكفاف

في حالتنا يدور ناقل الحث المغناطيسي حول تيار واحد، أما في حالة وجود عدة تيارات فإن التعبير عن تداول الحث المغناطيسي يتحول إلى قانون التيار الإجمالي الذي ينص على:

يتناسب دوران متجه الحث المغناطيسي في حلقة مغلقة مع المجموع الجبري للتيارات التي تغطيها الحلقة المعطاة.

المجال المغناطيسي للملف اللولبي والحلقي

باستخدام قانون التيار الإجمالي وتداول ناقل الحث المغناطيسي، من السهل جدًا تحديد الحث المغناطيسي لمثل هذه المجالات المغناطيسية المعقدة مثل تلك الموجودة في الملف اللولبي والحلقي.

الملف اللولبي عبارة عن ملف أسطواني يتكون من العديد من لفات جرح الموصل لتشغيل إطار أسطواني. يتكون المجال المغناطيسي للملف اللولبي في الواقع من مجالات مغناطيسية متعددة لتيار دائري مع محور مشترك عمودي على مستوى كل تيار دائري.

دعونا نستخدم دوران ناقل الحث المغناطيسي ونتخيل الدوران على طول محيط مستطيل 1-2-3-4 . ثم سيكون لتداول ناقل الحث المغناطيسي لدائرة معينة الشكل

منذ في المناطق 2-3 و 4-1 يكون متجه الحث المغناطيسي عموديًا على الدائرة، وبالتالي يكون الدوران صفرًا. الموقع على 3-4 ، والذي تتم إزالته بشكل كبير من الملف اللولبي، فيمكن أيضًا تجاهله. بعد ذلك، مع الأخذ في الاعتبار قانون التيار الإجمالي، فإن الحث المغناطيسي في ملف لولبي ذو طول كبير بما فيه الكفاية سيكون له الشكل

حيث n هو عدد دورات موصل الملف اللولبي لكل وحدة طول،

أنا - التيار المتدفق عبر الملف اللولبي.

يتم تشكيل حلقي عن طريق لف موصل حول إطار حلقة. وهذا التصميم يعادل نظاماً من العديد من التيارات الدائرية المتطابقة، والتي تقع مراكزها على شكل دائرة.

على سبيل المثال، النظر في حلقي من نصف القطر رالذي جرح عليه نيتحول من الأسلاك. حول كل دورة من السلك نأخذ محيط نصف قطر ص، يتزامن مركز هذا الكفاف مع مركز الحلقي. منذ ناقل الحث المغناطيسي بيتم توجيهه بشكل عرضي إلى الكفاف عند كل نقطة من الكفاف، ثم سيكون لتدوير ناقل الحث المغناطيسي الشكل

حيث r هو نصف قطر حلقة الحث المغناطيسي.

تغطي الدائرة التي تمر داخل الملف الحلقي N عدد لفات من السلك مع التيار I، ومن ثم سيكون قانون التيار الإجمالي للحلقي على الشكل

حيث n هو عدد دورات الموصل لكل وحدة طول،

ص - نصف قطر حلقة الحث المغناطيسي،

R هو نصف قطر الحلقي.

وبالتالي، باستخدام قانون التيار الإجمالي وتداول ناقل الحث المغناطيسي، من الممكن حساب مجال مغناطيسي معقد بشكل تعسفي. إلا أن القانون الحالي الإجمالي لا يعطي نتائج صحيحة إلا في فراغ. عند حساب الحث المغناطيسي في مادة ما، من الضروري أن تأخذ بعين الاعتبار ما يسمى بالتيارات الجزيئية. سيتم مناقشة هذا في المقالة التالية.

النظرية جيدة، ولكن بدون التطبيق العملي فهي مجرد كلمات.

هل يعتمد حجم تحريض المجال المغناطيسي على البيئة التي يتشكل فيها؟ للإجابة على هذا السؤال، دعونا نقوم بالتجربة التالية. دعونا أولاً نحدد القوة (انظر الشكل 117) التي يعمل بها المجال المغناطيسي على موصل به تيار في الهواء (من حيث المبدأ، يجب أن يتم ذلك في الفراغ)، ثم قوة المجال المغناطيسي على هذا الموصل على سبيل المثال، في الماء الذي يحتوي على مسحوق أكسيد الحديد (يظهر الشكل الوعاء بخط منقط). في وسط أكسيد الحديد، يؤثر المجال المغناطيسي على الموصل الحامل للتيار بقوة أكبر. في هذه الحالة، يكون حجم تحريض المجال المغناطيسي أكبر. وهناك مواد مثل الفضة والنحاس تكون نسبة وجودها فيها أقل منها في الفراغ. يعتمد حجم تحريض المجال المغناطيسي على البيئة التي يتشكل فيها.

تسمى الكمية التي توضح عدد المرات التي يكون فيها تحريض المجال المغناطيسي في وسط معين أكبر أو أقل من تحريض المجال المغناطيسي في الفراغ النفاذية المغناطيسية للوسط.إذا كان تحريض المجال المغناطيسي للوسط B، والفراغ B 0، فإن النفاذية المغناطيسية للوسط

النفاذية المغناطيسية للوسط μ هي كمية بلا أبعاد. الأمر مختلف بالنسبة للمواد المختلفة. لذلك، بالنسبة للفولاذ الطري - 2180, هواء - 1,00000036, نحاس - 0,999991 . ويفسر ذلك حقيقة أن المواد المختلفة ممغنطة بشكل مختلف في المجال المغناطيسي.

دعونا نكتشف ما الذي يحدد تحريض المجال المغناطيسي لموصل مستقيم يحمل التيار. بالقرب من القسم المستقيم A من دوران السلك (الشكل 122)، سنضع المؤشر C لتحريض المجال المغناطيسي. دعونا تشغيل التيار. يؤثر المجال المغناطيسي للقسم A على إطار المؤشر ويقوم بتدويره، مما يتسبب في انحراف الإبرة عن موضع الصفر. من خلال تغيير القوة الحالية في الإطار باستخدام مقاومة متغيرة، نلاحظ أنه بعدد المرات التي يزيد فيها التيار في الموصل، يزداد انحراف إبرة المؤشر بنفس المقدار: الخامس~أنا.

مع الحفاظ على التيار المستمر، سنزيد المسافة بين الموصل والإطار. ومن خلال قراءة المؤشر نلاحظ أن تحريض المجال المغناطيسي يتناسب عكسيا مع المسافة من الموصل إلى نقطة المجال محل الدراسة: الخامس ~ أنا/ر. يعتمد حجم تحريض المجال المغناطيسي على الخواص المغناطيسية للوسط - على نفاذيته المغناطيسية. كلما زادت النفاذية المغناطيسية، زاد تحريض المجال المغناطيسي: ب~ميكرو.

من الناحية النظرية ومن خلال تجارب أكثر دقة، أثبت الفيزيائيون الفرنسيون بيوت وسافارد ولابلاس أن حجم تحريض المجال المغناطيسي لسلك مستقيم ذو مقطع عرضي صغير في وسط متجانس مع نفاذية مغناطيسية μ على مسافة R منه يساوي

حيث μ 0 هو الثابت المغناطيسي. دعونا نجد قيمتها العددية واسمها في نظام SI. بما أن تحريض المجال المغناطيسي يساوي في نفس الوقت ثم، معادلة هاتين الصيغتين، نحصل على

ومن هنا الثابت المغناطيسي من تعريف الأمبير نعلم أن شرائح الموصلات المتوازية لها طول ل = 1 مبينما على مسافة ص = 1 ممن بعضها البعض، تتفاعل مع القوة و = 2*10 -7 ن،عندما يتدفق التيار من خلالها أنا = 1 أ.بناءً على ذلك، نحسب μ 0 (مع أخذ μ = 1):

الآن دعونا نكتشف ما الذي يحدد تحريض المجال المغناطيسي داخل ملف به تيار. لنقم بتجميع دائرة كهربائية (الشكل 123). من خلال وضع إطار مؤشر تحريض المجال المغناطيسي داخل الملف، نقوم بإغلاق الدائرة. وبزيادة شدة التيار بمقدار 2، 3، 4 مرات، نلاحظ أن تحريض المجال المغناطيسي داخل الملف يزداد تبعاً لذلك بنفس المقدار: الخامس~أنا.

بعد تحديد تحريض المجال المغناطيسي داخل الملف، نقوم بزيادة عدد اللفات لكل وحدة طول. للقيام بذلك، قم بتوصيل ملفين متطابقين على التوالي وأدخل أحدهما في الآخر. باستخدام مقاومة متغيرة، سوف نقوم بتعيين القوة الحالية السابقة. مع نفس طول الملف l، تضاعف عدد اللفات n فيه، ونتيجة لذلك، تضاعف عدد اللفات لكل وحدة طول للملف.

إذا تم تقريب إبرة مغناطيسية من موصل مستقيم يحمل تيارًا، فإنها تميل إلى أن تصبح متعامدة مع المستوى الذي يمر عبر محور الموصل ومركز دوران الإبرة (الشكل 67). وهذا يدل على أن الإبرة تخضع لقوى خاصة تسمى القوى المغناطيسية. بمعنى آخر، إذا مر تيار كهربائي عبر موصل، يظهر مجال مغناطيسي حول الموصل. يمكن اعتبار المجال المغناطيسي حالة خاصة من الفضاء المحيط بالموصلات الحاملة للتيار.

إذا قمت بتمرير موصل سميك عبر البطاقة وتمرير تيار كهربائي من خلاله، فسيتم وضع برادة الفولاذ المسكوبة على الورق المقوى حول الموصل في دوائر متحدة المركز، والتي تمثل في هذه الحالة ما يسمى بالخطوط المغناطيسية (الشكل 68) . يمكننا تحريك الورق المقوى لأعلى أو لأسفل الموصل، لكن موقع برادة الفولاذ لن يتغير. وبالتالي، ينشأ مجال مغناطيسي حول الموصل بطوله بالكامل.

إذا قمت بوضع أسهم مغناطيسية صغيرة على الورق المقوى، فمن خلال تغيير اتجاه التيار في الموصل، يمكنك أن ترى أن الأسهم المغناطيسية سوف تدور (الشكل 69). وهذا يدل على أن اتجاه الخطوط المغناطيسية يتغير مع تغير اتجاه التيار في الموصل.

يتميز المجال المغناطيسي حول موصل يحمل تيارًا بالميزات التالية: الخطوط المغناطيسية للموصل المستقيم لها شكل دوائر متحدة المركز؛ كلما اقتربنا من الموصل، كلما كانت الخطوط المغناطيسية أكثر كثافة، كلما زاد الحث المغناطيسي؛ يعتمد الحث المغناطيسي (كثافة المجال) على حجم التيار في الموصل؛ يعتمد اتجاه الخطوط المغناطيسية على اتجاه التيار في الموصل.

لتوضيح اتجاه التيار في الموصل الموضح في القسم تم اعتماد رمز سنستخدمه في المستقبل. إذا قمت بوضع سهم عقليًا في موصل في اتجاه التيار (الشكل 70)، ففي الموصل الذي يتم فيه توجيه التيار بعيدًا عنا، سنرى ذيل ريش السهم (الصليب)؛ إذا تم توجيه التيار نحونا، فسنرى رأس السهم (نقطة).

يمكن تحديد اتجاه الخطوط المغناطيسية حول موصل يحمل تيارًا من خلال "قاعدة الثقب". إذا تحرك المثقاب (المفتاح) ذو الخيط الأيمن للأمام في اتجاه التيار، فإن اتجاه دوران المقبض سوف يتزامن مع اتجاه الخطوط المغناطيسية حول الموصل (الشكل 71).

أرز. 71. تحديد اتجاه الخطوط المغناطيسية حول موصل يحمل تيار باستخدام "قاعدة الثقب"

توجد إبرة مغناطيسية يتم إدخالها في مجال موصل يحمل تيارًا على طول الخطوط المغناطيسية. لذلك، لتحديد موقعه، يمكنك أيضًا استخدام "قاعدة المثقاب" (الشكل 72).

أرز. 72. تحديد اتجاه انحراف إبرة مغناطيسية يتم إحضارها إلى موصل به تيار وفقًا لـ "قاعدة المثقاب"

يعد المجال المغناطيسي من أهم مظاهر التيار الكهربائي ولا يمكن الحصول عليه بشكل مستقل ومنفصل عن التيار.

في المغناطيس الدائم، ينشأ المجال المغناطيسي أيضًا عن حركة الإلكترونات التي تشكل ذرات وجزيئات المغناطيس.

يتم تحديد شدة المجال المغناطيسي عند كل نقطة من خلال حجم الحث المغناطيسي، والذي يُشار إليه عادة بالحرف B. الحث المغناطيسي هو كمية متجهة، أي أنه يتميز ليس فقط بقيمة معينة، ولكن أيضًا اتجاه معين عند كل نقطة من المجال المغناطيسي. يتزامن اتجاه ناقل الحث المغناطيسي مع مماس الخط المغناطيسي عند نقطة معينة في المجال (الشكل 73).

نتيجة لتعميم البيانات التجريبية، أثبت العالمان الفرنسيان بيوت وسافارد أن الحث المغناطيسي B (شدة المجال المغناطيسي) على مسافة r من موصل مستقيم طويل لا نهائي مع التيار يتحدد بالتعبير

حيث r هو نصف قطر الدائرة المرسومة عبر نقطة المجال قيد النظر؛ يقع مركز الدائرة على محور الموصل (2πr هو المحيط)؛

I هو مقدار التيار المتدفق عبر الموصل.

تسمى القيمة μa، التي تميز الخواص المغناطيسية للوسط، بالنفاذية المغناطيسية المطلقة للوسط.

بالنسبة للفراغ، فإن النفاذية المغناطيسية المطلقة لها قيمة دنيا وعادة ما يُشار إليها بـ μ 0 وتسمى النفاذية المغناطيسية المطلقة للفراغ.

1 ح = 1 أوم⋅ثانية.

النسبة μ a / μ 0 ، التي توضح عدد المرات التي تكون فيها النفاذية المغناطيسية المطلقة لوسط معين أكبر من النفاذية المغناطيسية المطلقة للفراغ ، تسمى النفاذية المغناطيسية النسبية ويشار إليها بالحرف μ.

يستخدم النظام الدولي للوحدات (SI) وحدات قياس الحث المغناطيسي B - تسلا أو ويبر لكل متر مربع (tl، wb/m2).

في الممارسة الهندسية، عادة ما يتم قياس الحث المغناطيسي بوحدة غاوس (gs): 1 t = 10 4 gs.

إذا كانت نواقل الحث المغناطيسي متساوية في الحجم ومتوازية مع بعضها البعض في جميع نقاط المجال المغناطيسي، فإن هذا المجال يسمى موحدًا.

يُطلق على منتج الحث المغناطيسي B والمنطقة S المتعامدة مع اتجاه المجال (ناقل الحث المغناطيسي) تدفق ناقل الحث المغناطيسي، أو ببساطة التدفق المغناطيسي، ويُشار إليه بالحرف Φ (الشكل 74):

يستخدم النظام الدولي وحدة ويبر (wb) كوحدة لقياس التدفق المغناطيسي.

في الحسابات الهندسية، يتم قياس التدفق المغناطيسي بالوحدات القصوى (μs):

1 فولتب = 10 8 ميكروثانية.

عند حساب المجالات المغناطيسية، يتم أيضًا استخدام كمية تسمى قوة المجال المغناطيسي (يشار إليها بـ H). يرتبط الحث المغناطيسي B وشدة المجال المغناطيسي H بالعلاقة

وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي هي N - أمبير لكل متر (a/m).

تعتمد قوة المجال المغناطيسي في وسط متجانس، وكذلك الحث المغناطيسي، على حجم التيار، وعدد وشكل الموصلات التي يمر عبرها التيار. ولكن على عكس الحث المغناطيسي، فإن شدة المجال المغناطيسي لا تأخذ في الاعتبار تأثير الخواص المغناطيسية للوسط.

الظواهر الكهرومغناطيسية

تعكس الظواهر الكهرومغناطيسية اتصال التيار الكهربائي بالمجال المغناطيسي. إن جميع قوانينهم الفيزيائية معروفة جيدًا، ولن نحاول تصحيحها؛ هدفنا مختلف: شرح الطبيعة الفيزيائية لهذه الظواهر.

هناك شيء واحد واضح لنا بالفعل: لا يمكن للكهرباء ولا المغناطيسية أن توجد بدون إلكترونات؛ وفي هذه الكهرومغناطيسية تتجلى بالفعل. تحدثنا أيضًا عن حقيقة ذلك الملف الذي يحمل تيارًا يولد مجالًا مغناطيسيًا. دعونا نتناول الظاهرة الأخيرة ونوضح كيف تحدث.

دعونا ننظر إلى الملف من النهاية، وندع التيار الكهربائي يتدفق من خلاله عكس اتجاه عقارب الساعة. التيار هو تدفق الإلكترونات التي تنزلق على طول سطح الموصل (فقط على السطح توجد أخاديد شفط مفتوحة). سوف يستمر تدفق الإلكترونات على طول الأثير المجاور، وسيبدأ أيضًا في التحرك عكس اتجاه عقارب الساعة. سيتم تحديد سرعة الأثير المجاور للموصل من خلال سرعة الإلكترونات الموجودة في الموصل، وهي بدورها ستعتمد على الفرق في ضغط الأثير (على الجهد الكهربائي في الملف) وعلى مساحة التدفق الموصل. سيؤثر الأثير الذي يحمله التيار على الطبقات المجاورة، وسوف تتحرك أيضًا داخل وخارج الملف في دائرة. سيتم توزيع سرعة الأثير الدوامي على النحو التالي: قيمته العظمى بالطبع تقع في منطقة الملفات؛ عند إزاحته نحو المركز، فإنه يتناقص وفقًا لقانون خطي، بحيث يكون عند المركز صفرًا؛ عند الابتعاد عن المنعطفات إلى المحيط، ستنخفض السرعة أيضًا، ولكن ليس خطيًا، ولكن وفقًا لقانون أكثر تعقيدًا.

ستبدأ الدوامة الكلية للأثير التي يحومها التيار في توجيه الإلكترونات بطريقة تدور جميعها حتى تصبح محاور دورانها موازية لمحور الملف؛ في الوقت نفسه، داخل الملف سوف يدورون عكس اتجاه عقارب الساعة، وخارجه - في اتجاه عقارب الساعة؛ وفي الوقت نفسه، تميل الإلكترونات إلى أن تكون متحدة المحور، أي أنها ستتجمع في أسلاك مغناطيسية. ستستغرق عملية توجيه الإلكترون بعض الوقت، وعند الانتهاء سيظهر شعاع مغناطيسي داخل الملف مع القطب الشمالي في اتجاهنا، وخارج الملف، على العكس من ذلك، سيكون القطب الشمالي بعيدًا عنا. وبذلك نكون قد أثبتنا صحة قاعدة المسمار أو المثقاب المعروفة في الهندسة الكهربائية والتي تنشئ اتصالاً بين اتجاه التيار واتجاه المجال المغناطيسي المتولد عنه.

تتحدد القوة المغناطيسية (الشد) عند كل نقطة من نقاط المجال المغناطيسي بالتغير في سرعة الأثير عند هذه النقطة، أي مشتقة السرعة بالنسبة للمسافة من لفات الملف: كلما كان التغير في السرعة أكثر حدة، كلما زاد التوتر. إذا قمنا بربط القوة المغناطيسية للملف بمعلماته الكهربائية والهندسية، فسيكون لها اعتماد مباشر على القيمة الحالية واعتماد عكسي على قطر الملف. كلما زاد التيار وصغر القطر، زادت فرص تجميع الإلكترونات في أسلاك ذات اتجاه معين للدوران وزادت القوة المغناطيسية للملف. لقد قيل بالفعل أن شدة المجال المغناطيسي يمكن تعزيزها أو إضعافها بواسطة الوسط.

إن عملية تحويل التيار الكهربائي المباشر إلى مغناطيسية لا يمكن عكسها: إذا تم وضع مغناطيس في ملف، فلن ينشأ تيار فيه. إن طاقة الدوامة الكبيرة الموجودة حول المغناطيس صغيرة جدًا لدرجة أنها غير قادرة على إجبار الإلكترونات على التحرك على طول المنعطفات عند أصغر مقاومة لها. دعونا نتذكر مرة أخرى أنه في العملية العكسية، تعمل الدوامة الكبيرة للأثير، التي تعمل كوسيط، على توجيه الإلكترونات فقط، ولا شيء أكثر من ذلك، أي أنها تتحكم فقط في المجال المغناطيسي، ويتم تحديد قوة المجال بواسطة عدد الحبال المغناطيسية أحادية الاتجاه.

إذا قمت بتقريب الإبرة المغناطيسية، فسوف تميل إلى أن تصبح متعامدة مع المستوى الذي يمر عبر محور الموصل ومركز دوران الإبرة. يشير هذا إلى أن القوات الخاصة تعمل على السهم الذي يسمى القوى المغناطيسية. بالإضافة إلى التأثير على الإبرة المغناطيسية، يؤثر المجال المغناطيسي على الجزيئات المشحونة المتحركة والموصلات الحاملة للتيار الموجودة في المجال المغناطيسي. في الموصلات التي تتحرك في مجال مغناطيسي، أو في الموصلات الثابتة الموجودة في مجال مغناطيسي متناوب، تنشأ قوة دافعة كهربائية حثية (emf).

مجال مغناطيسي

وبناء على ما سبق يمكننا تقديم التعريف التالي للمجال المغناطيسي.

المجال المغناطيسي هو أحد طرفي المجال الكهرومغناطيسي، يحرض بواسطة الشحنات الكهربائية للجزيئات المتحركة والتغيرات في المجال الكهربائي ويتميز بتأثير القوة على الجزيئات المصابة المتحركة، وبالتالي على التيارات الكهربائية.

إذا قمت بتمرير موصل سميك من خلال الورق المقوى وتمرير تيار كهربائي من خلاله، فإن برادة الفولاذ المصبوبة على الورق المقوى سوف تكون موجودة حول الموصل في دوائر متحدة المركز، والتي في هذه الحالة هي ما يسمى خطوط الحث المغناطيسي (الشكل 1) . يمكننا تحريك الورق المقوى لأعلى أو لأسفل الموصل، لكن موقع برادة الفولاذ لن يتغير. وبالتالي، ينشأ مجال مغناطيسي حول الموصل بطوله بالكامل.

إذا قمت بوضع أسهم مغناطيسية صغيرة على الورق المقوى، فمن خلال تغيير اتجاه التيار في الموصل، يمكنك أن ترى أن الأسهم المغناطيسية سوف تدور (الشكل 2). وهذا يدل على أن اتجاه خطوط الحث المغناطيسي يتغير مع اتجاه التيار في الموصل.

تتميز خطوط الحث المغناطيسي حول الموصل الحامل للتيار بالخصائص التالية: 1) خطوط الحث المغناطيسي للموصل المستقيم لها شكل دوائر متحدة المركز؛ 2) كلما اقتربنا من الموصل، كلما كانت خطوط الحث المغناطيسي أكثر كثافة؛ 3) يعتمد الحث المغناطيسي (كثافة المجال) على حجم التيار في الموصل؛ 4) يعتمد اتجاه خطوط الحث المغناطيسي على اتجاه التيار في الموصل.

لتوضيح اتجاه التيار في الموصل الموضح في القسم تم اعتماد رمز سنستخدمه في المستقبل. إذا قمت بوضع سهم عقليًا في الموصل في اتجاه التيار (الشكل 3)، ففي الموصل الذي يتم فيه توجيه التيار بعيدًا عنا، سنرى ذيل ريش السهم (الصليب)؛ إذا تم توجيه التيار نحونا، فسنرى رأس السهم (نقطة).

الشكل 3. رمز لاتجاه التيار في الموصلات

تتيح لك قاعدة الثقب تحديد اتجاه خطوط الحث المغناطيسي حول موصل يحمل تيارًا. إذا تحرك المثقاب (المفتاح) ذو الخيط الأيمن للأمام في اتجاه التيار، فإن اتجاه دوران المقبض سوف يتزامن مع اتجاه خطوط الحث المغناطيسي حول الموصل (الشكل 4).

توجد إبرة مغناطيسية يتم إدخالها في المجال المغناطيسي لموصل يحمل تيارًا على طول خطوط الحث المغناطيسي. لذلك، لتحديد موقعه، يمكنك أيضًا استخدام "قاعدة المثقاب" (الشكل 5). يعد المجال المغناطيسي من أهم مظاهر التيار الكهربائي ولا يمكن الحصول عليه بشكل مستقل ومنفصل عن التيار.


الشكل 4. تحديد اتجاه خطوط الحث المغناطيسي حول موصل يحمل تيارًا باستخدام "قاعدة الثقب"	الشكل 5. تحديد اتجاه انحراف إبرة مغناطيسية يتم إدخالها إلى موصل يمر به تيار، وفقًا لـ "قاعدة المثقاب"

الحث المغناطيسي

يتميز المجال المغناطيسي بمتجه تحريض مغناطيسي، وبالتالي له حجم معين واتجاه معين في الفضاء.

تم إنشاء تعبير كمي للحث المغناطيسي نتيجة لتعميم البيانات التجريبية بواسطة Biot وSavart (الشكل 6). من خلال قياس المجالات المغناطيسية للتيارات الكهربائية ذات الأحجام والأشكال المختلفة عن طريق انحراف الإبرة المغناطيسية، توصل كلا العالمين إلى استنتاج مفاده أن كل عنصر حالي يخلق مجالًا مغناطيسيًا على مسافة ما من نفسه، ويكون الحث المغناطيسي له Δ بيتناسب طرديا مع الطول Δ لهذا العنصر، وحجم التيار المتدفق أنا، جيب الزاوية α بين اتجاه التيار ومتجه نصف القطر الذي يربط نقطة المجال التي تهمنا بعنصر تيار معين، ويتناسب عكسيًا مع مربع طول ناقل نصف القطر هذا ص:

أين ك– معامل يعتمد على الخواص المغناطيسية للوسط وعلى نظام الوحدات المختار.

في النظام المرشد العملي المطلق لوحدات ICSA

حيث μ 0 – النفاذية المغناطيسية للفراغأو الثابت المغناطيسي في نظام MCSA:

μ 0 = 4 × π × 10 -7 (هنري/متر)؛

هنري (GN) – وحدة الحث. 1 GN = 1 أوم × ثانية.

µ – النفاذية المغناطيسية النسبية- معامل بلا أبعاد يوضح عدد المرات التي تكون فيها النفاذية المغناطيسية لمادة معينة أكبر من النفاذية المغناطيسية للفراغ.

يمكن العثور على بعد الحث المغناطيسي باستخدام الصيغة

ويسمى أيضا فولت الثانية ويبر (wb):

عمليا، هناك وحدة أصغر للحث المغناطيسي - غاوس (ع):

يسمح لنا قانون Biot-Savart بحساب الحث المغناطيسي لموصل مستقيم طويل بلا حدود:

أين أ- المسافة من الموصل إلى النقطة التي يتم فيها تحديد الحث المغناطيسي.

قوة المجال المغناطيسي

تسمى نسبة الحث المغناطيسي إلى ناتج النفاذية المغناطيسية μ × μ 0 قوة المجال المغناطيسيويتم تحديده بالحرف ح:

ب = ح × µ × µ 0 .

تربط المعادلة الأخيرة بين كميتين مغناطيسيتين: الحث وشدة المجال المغناطيسي.

دعونا نجد البعد ح:

في بعض الأحيان يتم استخدام وحدة أخرى لقياس شدة المجال المغناطيسي - أورستد (إيه):

1 إيه = 79,6 أ/م ≈ 80 أ/م ≈ 0,8 أ/سم .

قوة المجال المغناطيسي ح، مثل الحث المغناطيسي ب، هي كمية متجهة.

يسمى خط المماس لكل نقطة يتوافق مع اتجاه ناقل الحث المغناطيسي خط الحث المغناطيسيأو خط الحث المغناطيسي.

الفيض المغناطيسي

يسمى ناتج الحث المغناطيسي في المنطقة المتعامدة مع اتجاه المجال (ناقل الحث المغناطيسي). تدفق ناقلات الحث المغناطيسيأو ببساطة الفيض المغناطيسيويشار إليه بالحرف F:

ف = ب × س .

البعد التدفق المغناطيسي:

أي أن التدفق المغناطيسي يقاس بوحدة فولت ثانية أو ويبر.

الوحدة الأصغر للتدفق المغناطيسي هي ماكسويل (عضو الكنيست):

1 wb = 108 عضو الكنيست.
1عضو الكنيست = 1 ع× 1 سم 2.

فيديو 1. فرضية أمبير

فيديو 2. المغناطيسية والكهرومغناطيسية