ทิศทางของเส้นแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน สมมติฐานของแอมแปร์

ให้เราคำนวณสนามที่สร้างขึ้นโดยกระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดเส้นตรงบาง ๆ ที่มีความยาวไม่สิ้นสุด

การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ณ จุดใดก็ได้ ก(รูปที่ 6.12) สร้างโดยองค์ประกอบตัวนำ ง ล จะเท่ากัน

ข้าว. 6.12. สนามแม่เหล็กของตัวนำตรง

สนามจากองค์ประกอบที่แตกต่างกันจะมีทิศทางเดียวกัน (วงสัมผัสเป็นวงกลมที่มีรัศมี รนอนอยู่ในระนาบตั้งฉากกับตัวนำ) ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเพิ่ม (รวม) ค่าสัมบูรณ์ได้

มาแสดงออกกันเถอะ รและทำบาปผ่านตัวแปรอินทิเกรต ล

จากนั้น (6.7) สามารถเขียนใหม่ได้เป็น

ดังนั้น,

รูปภาพของเส้นสนามแม่เหล็กของตัวนำตรงที่ยาวเป็นอนันต์ซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะแสดงในรูปที่ 1 6.13.

ข้าว. 6.13. เส้นสนามแม่เหล็กของตัวนำตรงที่กระแสไหลผ่าน:
1 - มุมมองด้านข้าง; 2, 3 - ส่วนของตัวนำโดยระนาบที่ตั้งฉากกับตัวนำ

ข้าว. 6.14. การกำหนดทิศทางของกระแสในตัวนำ

เพื่อระบุทิศทางของกระแสในตัวนำที่ตั้งฉากกับระนาบของรูปเราจะใช้สัญลักษณ์ต่อไปนี้ (รูปที่ 6.14):

ให้เรานึกถึงการแสดงออกถึงความแรงของสนามไฟฟ้าของด้ายเส้นเล็กที่มีประจุความหนาแน่นประจุเชิงเส้น

ความคล้ายคลึงกันของการแสดงออกนั้นชัดเจน: เรามีการพึ่งพาระยะห่างจากเธรด (กระแส) เท่ากัน ความหนาแน่นประจุเชิงเส้นถูกแทนที่ด้วยความแรงของกระแส แต่ทิศทางของทุ่งนานั้นแตกต่างกัน สำหรับเส้นด้าย สนามไฟฟ้าจะพุ่งไปตามรัศมี เส้นสนามแม่เหล็กของตัวนำไฟฟ้าเป็นเส้นตรงที่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งมีกระแสไหลผ่านก่อให้เกิดระบบวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกันล้อมรอบตัวนำ ทิศทางของสายไฟก่อให้เกิดระบบทางขวาโดยมีทิศทางของกระแสไฟ

ในรูป รูปที่ 6.15 นำเสนอการทดลองในการศึกษาการกระจายตัวของเส้นสนามแม่เหล็กรอบตัวนำตรงที่กระแสไหลผ่าน ตัวนำทองแดงหนาจะถูกส่งผ่านรูในแผ่นโปร่งใสซึ่งมีตะไบเหล็กเทอยู่ หลังจากเปิดกระแสตรง 25 A แล้วแตะบนจาน ขี้เลื่อยจะสร้างโซ่ที่ทำซ้ำรูปร่างของเส้นสนามแม่เหล็ก

รอบเส้นลวดตรงที่ตั้งฉากกับแผ่น จะสังเกตเส้นแรงของวงแหวนซึ่งตั้งอยู่ใกล้เส้นลวดอย่างหนาแน่นที่สุด เมื่อคุณถอยห่างจากมัน สนามจะลดลง

ข้าว. 6.15. การแสดงเส้นสนามแม่เหล็กรอบตัวนำตรง

ในรูป รูปที่ 6.16 นำเสนอการทดลองเพื่อศึกษาการกระจายตัวของเส้นสนามแม่เหล็กรอบสายไฟที่พาดผ่านแผ่นกระดาษแข็ง ตะไบเหล็กที่เทลงบนจานจะเรียงตามแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

ข้าว. 6.16. การกระจายตัวของเส้นสนามแม่เหล็ก
ใกล้จุดตัดของสายไฟหนึ่ง สอง หรือหลายเส้นพร้อมแผ่น

คุณสามารถแสดงวิธีใช้กฎของแอมแปร์ได้โดยการหาสนามแม่เหล็กใกล้เส้นลวด ลองถามคำถาม: สนามที่อยู่ด้านนอกเส้นลวดตรงยาวของหน้าตัดทรงกระบอกคืออะไร? เราจะตั้งสมมติฐานข้อหนึ่ง อาจไม่ชัดเจนนัก แต่ก็ถูกต้อง: เส้นสนาม B พันรอบเส้นลวดเป็นวงกลม หากเราตั้งสมมติฐานนี้ กฎของแอมแปร์ [สมการ (13.16)] จะบอกเราว่าสนามแม่เหล็กมีขนาดเท่าใด เนื่องจากความสมมาตรของปัญหา ฟิลด์ B มีค่าเท่ากันทุกจุดของวงกลมที่มีศูนย์กลางกับเส้นลวด (รูปที่ 13.7) จากนั้นเราก็หาอินทิกรัลเส้นของ B·ds ได้ง่ายๆ มันก็แค่เท่ากับค่าของ B คูณด้วยเส้นรอบวง ถ้ารัศมีของวงกลมเป็น ร,ที่

กระแสรวมที่ผ่านลูปเป็นเพียงกระแส / ในเส้นลวด ดังนั้น

ความแรงของสนามแม่เหล็กจะลดลงตามสัดส่วนผกผันกับ ร,ระยะห่างจากแกนลวด หากต้องการ สามารถเขียนสมการ (13.17) ในรูปแบบเวกเตอร์ได้ เมื่อนึกถึงว่า B นั้นตั้งฉากกับทั้ง I และ r เราก็มี

เราเน้นปัจจัย 1/4πε 0 ด้วย 2 เนื่องจากปรากฏบ่อยครั้ง ควรจำไว้ว่ามันเท่ากับ 10 - 7 ทุกประการ (ในหน่วย SI) เนื่องจากใช้สมการของแบบฟอร์ม (13.17) สำหรับ คำจำกัดความหน่วยกระแส, แอมแปร์ ในระยะ 1 มกระแสไฟฟ้า 1 A ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเท่ากับ 2·10 - 7 เวเบอร์/m2.

เนื่องจากกระแสสร้างสนามแม่เหล็ก มันจะกระทำการด้วยแรงบางอย่างบนเส้นลวดที่อยู่ติดกันซึ่งกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านด้วย ในช. 1 เราได้อธิบายการทดลองง่ายๆ ที่แสดงแรงระหว่างสายไฟสองเส้นที่กระแสไหลผ่าน หากสายไฟขนานกัน แต่ละสายจะตั้งฉากกับสนาม B ของสายอีกเส้นหนึ่ง จากนั้นสายไฟก็จะผลักกันหรือดึงดูดกัน เมื่อกระแสน้ำไหลไปในทิศทางเดียว สายไฟจะดึงดูด เมื่อกระแสน้ำไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม สายไฟก็จะผลักกัน

ลองมาดูอีกตัวอย่างหนึ่ง ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้กฎของแอมแปร์ หากเราเพิ่มข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับลักษณะของสนามด้วย ให้มีลวดยาวขดเป็นเกลียวให้แน่น หน้าตัดดังแสดงในรูป. 13.8. เกลียวนี้เรียกว่า โซลินอยด์เราสังเกตการทดลองว่าเมื่อความยาวของโซลินอยด์มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลาง สนามด้านนอกจะมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับสนามด้านใน การใช้เพียงข้อเท็จจริงนี้และกฎของแอมแปร์ เราสามารถหาขนาดของสนามภายในได้

ตั้งแต่ลงสนาม ยังคงอยู่ภายใน (และมีค่าเบี่ยงเบนเป็นศูนย์) เส้นควรวิ่งขนานกับแกน ดังแสดงในรูป 13.8. หากเป็นกรณีนี้ เราสามารถใช้กฎของแอมแปร์กับ "เส้นโค้ง" G ของสี่เหลี่ยมในรูปได้ เส้นโค้งนี้เดินทางได้ไกล ล ภายในโซลินอยด์โดยที่สนามมีค่าเท่ากับ B o จากนั้นไปเป็นมุมฉากกับสนามแล้วย้อนกลับไปตามบริเวณรอบนอกซึ่งสนามสามารถละเลยได้ อินทิกรัลเส้นของ B ตามเส้นโค้งนี้เป๊ะๆ ที่ 0 ลิตรและนี่จะต้องเท่ากับ 1/ε 0 c 2 เท่าของกระแสรวมภายใน G นั่นคือ นิ(โดยที่ N คือจำนวนการหมุนของโซลินอยด์ตามความยาว ล). เรามี

หรือโดยการเข้าไป n- จำนวนรอบ ต่อความยาวหน่วยโซลินอยด์ (ดังนั้น n= ไม่มี), เราได้รับ

จะเกิดอะไรขึ้นกับเส้น B เมื่อถึงปลายโซลินอยด์? เห็นได้ชัดว่าพวกมันแยกจากกันและกลับไปที่โซลินอยด์จากปลายอีกด้านหนึ่ง (รูปที่ 13.9) สนามเดียวกันนี้สังเกตได้จากภายนอกแท่งแม่เหล็ก ดี มันคืออะไรแม่เหล็ก? สมการของเราบอกว่าสนาม B เกิดจากการมีกระแสน้ำ และเรารู้ว่าแท่งเหล็กธรรมดา (ไม่ใช่แบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ก็สร้างสนามแม่เหล็กเช่นกัน คุณอาจคาดหวังว่าจะมีคำศัพท์อื่นทางด้านขวามือของ (13.12) หรือ (16.13) ที่แสดงถึง "ความหนาแน่นของเหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก" หรือปริมาณที่คล้ายกัน แต่ไม่มีสมาชิกดังกล่าว ทฤษฎีของเราบอกว่าผลกระทบทางแม่เหล็กของเหล็กเกิดขึ้นจากกระแสภายในบางกระแสที่คำ j นำมาพิจารณาแล้ว

สสารมีความซับซ้อนมากเมื่อมองจากมุมมองที่ลึกซึ้ง เรามั่นใจในสิ่งนี้แล้วเมื่อเราพยายามทำความเข้าใจไดอิเล็กทริก เพื่อไม่ให้รบกวนการนำเสนอ เราจะเลื่อนการอภิปรายโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกภายในของวัสดุแม่เหล็ก เช่น เหล็ก ในตอนนี้เราจะต้องยอมรับว่าแม่เหล็กใดๆ เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสและมีกระแสภายในคงที่ในแม่เหล็กถาวร ในกรณีของเหล็ก กระแสน้ำเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่หมุนรอบแกนของมันเอง อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีการหมุนที่สอดคล้องกับกระแสหมุนเวียนเพียงเล็กน้อย แน่นอนว่าอิเล็กตรอนตัวหนึ่งไม่ได้สร้างสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ แต่สสารธรรมดาประกอบด้วยอิเล็กตรอนหลายพันล้านอิเล็กตรอน โดยปกติแล้วพวกมันจะหมุนไปในทางใดทางหนึ่งเพื่อให้เอฟเฟกต์โดยรวมหายไป สิ่งที่น่าประหลาดใจก็คือในสารบางชนิด เช่น เหล็ก อิเล็กตรอนส่วนใหญ่หมุนรอบแกนที่มุ่งไปในทิศทางเดียว ในเหล็ก อิเล็กตรอนสองตัวจากแต่ละอะตอมมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ของข้อต่อนี้ แม่เหล็กประกอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนมากที่หมุนไปในทิศทางเดียวกัน และดังที่เราจะได้เห็น ผลรวมของพวกมันจะเทียบเท่ากับกระแสที่ไหลเวียนผ่านพื้นผิวของแม่เหล็ก (สิ่งนี้คล้ายกับที่เราพบในไดอิเล็กตริกมาก นั่นคือไดอิเล็กตริกที่มีโพลาไรซ์สม่ำเสมอนั้นเทียบเท่ากับการกระจายประจุบนพื้นผิวของมัน) ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่แท่งแม่เหล็กจะเทียบเท่ากับโซลินอยด์

หากนำเข็มแม่เหล็กเข้าใกล้ตัวนำตรงที่มีกระแสไฟฟ้า เข็มนั้นจะมีแนวโน้มที่จะตั้งฉากกับระนาบที่ผ่านแกนของตัวนำและจุดศูนย์กลางการหมุนของเข็ม สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเข็มนั้นอยู่ภายใต้แรงพิเศษที่เรียกว่าแรงแม่เหล็ก นอกเหนือจากผลกระทบต่อเข็มแม่เหล็กแล้ว สนามแม่เหล็กยังส่งผลต่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่และตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กอีกด้วย ในตัวนำที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก หรือในตัวนำที่อยู่นิ่งซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับ การปล่อยแบบเหนี่ยวนำจะเกิดขึ้น d.s.

จากที่กล่าวไว้ข้างต้น เราสามารถให้คำจำกัดความของสนามแม่เหล็กได้ดังต่อไปนี้

สนามแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสองด้านของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยประจุไฟฟ้าของอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และมีลักษณะพิเศษคือผลกระทบของแรงต่ออนุภาคที่มีประจุที่กำลังเคลื่อนที่ และต่อกระแสไฟฟ้าด้วย

หากคุณผ่านตัวนำหนาผ่านกระดาษแข็งและส่งกระแสไฟฟ้าผ่านไปตะไบเหล็กที่เทลงบนกระดาษแข็งจะตั้งอยู่รอบ ๆ ตัวนำในวงกลมศูนย์กลางซึ่งในกรณีนี้คือสิ่งที่เรียกว่าเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (รูปที่ 78 ). เราสามารถเลื่อนกระดาษแข็งขึ้นหรือลงตัวนำได้ แต่ตำแหน่งของตะไบเหล็กจะไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้ สนามแม่เหล็กจึงเกิดขึ้นรอบๆ ตัวนำตลอดความยาวทั้งหมด

หากคุณวางลูกศรแม่เหล็กเล็ก ๆ ไว้บนกระดาษแข็งจากนั้นเปลี่ยนทิศทางของกระแสในตัวนำคุณจะเห็นว่าลูกศรแม่เหล็กจะหมุน (รูปที่ 79) นี่แสดงให้เห็นว่าทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางของกระแสในตัวนำ

เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ 1) เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กของตัวนำตรงมีรูปร่างเป็นวงกลมมีศูนย์กลางร่วมกัน; 2) ยิ่งใกล้กับตัวนำมากเท่าใด เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กก็จะยิ่งหนาแน่นมากขึ้นเท่านั้น 3) การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (ความเข้มของสนาม) ขึ้นอยู่กับขนาดของกระแสในตัวนำ 4) ทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสในตัวนำ

ทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไหลสามารถกำหนดได้โดย "กฎของวงแหวน:" หากสว่าน (เหล็กไขจุก) ที่มีเกลียวขวาเคลื่อนที่ไปในทิศทางของกระแสไฟฟ้าทิศทางการหมุนของด้ามจับจะตรงกับทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำ (รูปที่ 81)

เข็มแม่เหล็กที่แทงเข้าไปในสนามของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าจะตั้งอยู่ตามแนวเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ดังนั้นเพื่อระบุตำแหน่งของมันคุณสามารถใช้ "กฎสว่าน" ได้เช่นกัน (รูปที่ 82) สนามแม่เหล็กเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดของกระแสไฟฟ้าและไม่สามารถทำได้

ได้รับอย่างอิสระและแยกจากปัจจุบัน สนามแม่เหล็กมีลักษณะเป็นเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ซึ่งมีขนาดและทิศทางที่แน่นอนในอวกาศ

Biot และ Savart กำหนดการแสดงออกเชิงปริมาณสำหรับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กอันเป็นผลมาจากข้อมูลทั่วไปของการทดลอง (รูปที่ 83) การวัดสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าขนาดและรูปร่างต่าง ๆ โดยการโก่งตัวของเข็มแม่เหล็ก นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคนได้ข้อสรุปว่าองค์ประกอบทุก ๆ กระแสสร้างสนามแม่เหล็กที่ระยะห่างจากตัวมันเอง การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก AB ซึ่งมีสัดส่วนโดยตรงกับ ความยาว A1 ขององค์ประกอบนี้ ขนาดของกระแสที่ไหล I, มุมไซน์ a ระหว่างทิศทางของกระแสและเวกเตอร์รัศมีที่เชื่อมต่อจุดสนามที่สนใจกับเรากับองค์ประกอบกระแสที่กำหนด และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของ ความยาวของเวกเตอร์รัศมี r:

เฮนรี่ (h) - หน่วยการเหนี่ยวนำ; 1 gn = 1 โอห์มวินาที

- การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ - ค่าสัมประสิทธิ์ไม่มีมิติแสดงว่าการซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุที่กำหนดนั้นมากกว่าการซึมผ่านของแม่เหล็กของโมฆะกี่ครั้ง มิติของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถพบได้โดยใช้สูตร

โวลต์-วินาที เรียกอีกอย่างว่าเวเบอร์ (vb):

ในทางปฏิบัติ มีหน่วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กขนาดเล็กกว่า - เกาส์ (gs):

กฎของ Biot และ Savart ช่วยให้เราสามารถคำนวณการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของตัวนำตรงที่ยาวเป็นอนันต์:

ระยะทางจากตัวนำถึงจุดที่กำหนดอยู่ที่ไหน

การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก อัตราส่วนของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กต่อผลคูณของการซึมผ่านของแม่เหล็กเรียกว่าความแรงของสนามแม่เหล็กและแสดงด้วยตัวอักษร H:

สมการสุดท้ายเชื่อมโยงปริมาณแม่เหล็กสองปริมาณ: การเหนี่ยวนำและความแรงของสนามแม่เหล็ก มาหามิติ H:

บางครั้งพวกเขาใช้หน่วยความตึงเครียดอื่น - เออร์สเตด (เอ้อ):

1 เอ้อ = 79.6 ก/ม = 0.796 ก/ซม.

ความแรงของสนามแม่เหล็ก H เช่นเดียวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B คือปริมาณเวกเตอร์

เส้นสัมผัสแต่ละจุดที่ตรงกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเรียกว่าเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

ผลคูณของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและขนาดของพื้นที่ตั้งฉากกับทิศทางของสนาม (เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก) เรียกว่าฟลักซ์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือเพียงแค่ฟลักซ์แม่เหล็กและเขียนแทนด้วยตัวอักษร F:

มิติฟลักซ์แม่เหล็ก:

กล่าวคือ ฟลักซ์แม่เหล็กวัดเป็นโวลต์-วินาทีหรือเวเบอร์ หน่วยฟลักซ์แม่เหล็กที่เล็กกว่าคือแมกซ์เวลล์ (µs):

1 วัตต์ = 108 ไมโครวินาที 1 μs = 1 gf cm2

หากนำเข็มแม่เหล็กเข้ามาใกล้จะมีแนวโน้มตั้งฉากกับระนาบที่ผ่านแกนของตัวนำและจุดศูนย์กลางการหมุนของเข็ม สิ่งนี้บ่งชี้ว่ากองกำลังพิเศษกระทำต่อลูกศรซึ่งเรียกว่า แรงแม่เหล็ก- นอกเหนือจากผลกระทบต่อเข็มแม่เหล็กแล้ว สนามแม่เหล็กยังส่งผลต่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่และตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กอีกด้วย ในตัวนำที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก หรือในตัวนำที่อยู่นิ่งซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับ จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ (emf)

สนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสองด้านของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งตื่นเต้นกับประจุไฟฟ้าของอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และมีลักษณะพิเศษคือผลกระทบของแรงต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ติดเชื้อ และต่อกระแสไฟฟ้าด้วย

หากคุณผ่านตัวนำหนาผ่านกระดาษแข็งและส่งกระแสไฟฟ้าผ่านนั้นตะไบเหล็กที่เทลงบนกระดาษแข็งจะตั้งอยู่รอบ ๆ ตัวนำในวงกลมศูนย์กลางซึ่งในกรณีนี้คือสิ่งที่เรียกว่าเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (รูปที่ 1) . เราสามารถเลื่อนกระดาษแข็งขึ้นหรือลงตัวนำได้ แต่ตำแหน่งของตะไบเหล็กจะไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้ สนามแม่เหล็กจึงเกิดขึ้นรอบตัวนำตลอดความยาวทั้งหมด

หากคุณใส่ลูกศรแม่เหล็กเล็ก ๆ ไว้บนกระดาษแข็งจากนั้นเปลี่ยนทิศทางของกระแสในตัวนำจะเห็นว่าลูกศรแม่เหล็กจะหมุน (รูปที่ 2) นี่แสดงให้เห็นว่าทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางของกระแสในตัวนำ

เพื่อแสดงทิศทางของกระแสในตัวนำดังแสดงในมาตรานี้จึงได้มีการนำสัญลักษณ์มาใช้ซึ่งเราจะใช้ในอนาคต หากคุณวางลูกศรไว้ในตัวนำในทิศทางของกระแส (รูปที่ 3) จากนั้นในตัวนำที่กระแสไหลออกจากเราเราจะเห็นหางของขนของลูกศร (กากบาท) หากกระแสน้ำพุ่งมาหาเราเราจะเห็นปลายลูกศร (จุด)

รูปที่ 3 สัญลักษณ์แสดงทิศทางของกระแสในตัวนำ

กฎสว่านช่วยให้คุณกำหนดทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน หากสว่าน (เหล็กไขจุก) ที่มีเกลียวขวาเคลื่อนไปข้างหน้าในทิศทางของกระแส ทิศทางการหมุนของด้ามจับจะตรงกับทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำ (รูปที่ 4)

เข็มแม่เหล็กที่แทงเข้าไปในสนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าจะตั้งอยู่ตามแนวเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ดังนั้นเพื่อระบุตำแหน่งของมัน คุณสามารถใช้ "กฎสว่าน" ได้เช่นกัน (รูปที่ 5) สนามแม่เหล็กเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดของกระแสไฟฟ้าและไม่สามารถรับได้โดยอิสระและแยกจากกระแสไฟฟ้า


รูปที่ 4 การกำหนดทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านโดยใช้ "กฎสว่าน"	รูปที่ 5 การกำหนดทิศทางการเบี่ยงเบนของเข็มแม่เหล็กที่นำไปยังตัวนำที่มีกระแสไฟ ตามกฎ "กฎของปลอกกระสุน"

การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กมีลักษณะเป็นเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ซึ่งมีขนาดและทิศทางที่แน่นอนในอวกาศ

Biot และ Savart กำหนดการแสดงออกเชิงปริมาณสำหรับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กซึ่งเป็นผลมาจากข้อมูลการทดลองทั่วไป (รูปที่ 6) การวัดสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าขนาดและรูปร่างต่าง ๆ โดยการโก่งตัวของเข็มแม่เหล็ก นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคนได้ข้อสรุปว่าองค์ประกอบทุก ๆ กระแสสร้างสนามแม่เหล็กที่ระยะห่างจากตัวมันเองซึ่งมีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กซึ่งก็คือ Δ บีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาว Δ ลองค์ประกอบนี้ขนาดของกระแสไหล ฉันไซน์ของมุม α ระหว่างทิศทางของกระแสและเวกเตอร์รัศมีที่เชื่อมต่อจุดสนใจของสนามกับเราด้วยองค์ประกอบปัจจุบันที่กำหนด และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของความยาวของเวกเตอร์รัศมีนี้ ร:

ที่ไหน เค– สัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวกลางและระบบหน่วยที่เลือก

ในระบบการหาเหตุผลเข้าข้างตนเองในทางปฏิบัติสัมบูรณ์ของหน่วย ICSA

โดยที่ µ 0 – การซึมผ่านของแม่เหล็กของสูญญากาศหรือค่าคงที่แม่เหล็กในระบบ MCSA:

µ 0 = 4 × π × 10 -7 (เฮนรี่/เมตร)

เฮนรี่ (GN) – หน่วยของการเหนี่ยวนำ; 1 GN = 1 โอห์ม × วินาที.

µ – การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์– ค่าสัมประสิทธิ์ไร้มิติแสดงว่าค่าซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุที่กำหนดมากกว่าค่าซึมผ่านของแม่เหล็กของสุญญากาศได้กี่เท่า

มิติของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถพบได้โดยใช้สูตร

โวลต์-วินาที ก็มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า เวเบอร์ (wb):

ในทางปฏิบัติ มีหน่วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กขนาดเล็กกว่า - เกาส์ (gs):

กฎของ Biot-Savart ช่วยให้เราสามารถคำนวณการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของตัวนำตรงที่ยาวเป็นอนันต์:

ที่ไหน ก– ระยะห่างจากตัวนำถึงจุดที่กำหนดความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

ความแรงของสนามแม่เหล็ก

เรียกว่าอัตราส่วนของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กต่อผลคูณของการซึมผ่านของแม่เหล็ก µ × µ 0 ความแรงของสนามแม่เหล็กและถูกกำหนดโดยจดหมาย ชม:

บี = ชม × µ × µ 0 .

สมการสุดท้ายเชื่อมโยงปริมาณแม่เหล็กสองปริมาณ: การเหนี่ยวนำและความแรงของสนามแม่เหล็ก

มาหามิติกันเถอะ ชม:

บางครั้งใช้หน่วยวัดความแรงของสนามแม่เหล็กอีกหน่วยหนึ่ง - เออร์สเตด (เอ่อ):

1 เอ่อ = 79,6 ก/ม ≈ 80 ก/ม ≈ 0,8 ก/ซม .

ความแรงของสนามแม่เหล็ก ชมเหมือนกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บี, เป็นปริมาณเวกเตอร์

เส้นสัมผัสแต่ละจุดที่ตรงกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเรียกว่า เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือ เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก.

ฟลักซ์แม่เหล็ก

ผลคูณของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กโดยพื้นที่ตั้งฉากกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก (เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก) เรียกว่า ฟลักซ์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือเพียงแค่ ฟลักซ์แม่เหล็กและถูกกำหนดด้วยตัวอักษร F:

ฟ = บี × ส .

มิติฟลักซ์แม่เหล็ก:

นั่นคือฟลักซ์แม่เหล็กวัดเป็นโวลต์-วินาทีหรือเวเบอร์

หน่วยที่เล็กกว่าของฟลักซ์แม่เหล็กคือ แม็กซ์เวลล์ (เอ็มเคเอส):

1 wb = 108 เอ็มเคเอส.
1เอ็มเคเอส = 1 gs× 1 ซม 2.

วิดีโอ 1. สมมติฐานของแอมแปร์

วิดีโอ 2. แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวนำนี้ (รูปที่ 7.1) ทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะถูกกำหนดโดยทิศทางของกระแส
วิธีการระบุทิศทางของกระแสไฟฟ้าในตัวนำแสดงไว้ในรูปที่ 1 7.2: ชี้ในรูปที่ 7.2(a) อาจมองว่าเป็นปลายลูกศรที่แสดงทิศทางของกระแสน้ำที่มีต่อผู้สังเกต และกากบาทเป็นหางของลูกศรแสดงทิศทางของกระแสน้ำที่อยู่ห่างจากผู้สังเกต
สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบๆ ตัวนำที่มีกระแสไหลอยู่จะแสดงไว้ในรูปที่ 1 7.3. ทิศทางของสนามนี้กำหนดได้ง่ายโดยใช้กฎของสกรูด้านขวา (หรือกฎของสว่าน): ถ้าปลายของสว่านอยู่ในแนวเดียวกับทิศทางของกระแส จากนั้นเมื่อขันสกรูเข้าไป ทิศทางการหมุน ของด้ามจับจะตรงกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก

ข้าว. 7.1. สนามแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไหลผ่าน

ข้าว. 7.2. การกำหนดทิศทางของกระแส (a) ไปทางผู้สังเกตและ (b) ห่างจากผู้สังเกต

สนามที่สร้างขึ้นโดยตัวนำไฟฟ้าสองตัวที่ขนานกัน

1. ทิศทางของกระแสในตัวนำตรงกัน ในรูป รูปที่ 7.4(a) แสดงตัวนำไฟฟ้าขนานสองตัวซึ่งอยู่ห่างจากกัน และแสดงภาพสนามแม่เหล็กของตัวนำแต่ละตัวแยกกัน ในช่องว่างระหว่างตัวนำ สนามแม่เหล็กที่พวกมันสร้างขึ้นจะมีทิศทางตรงกันข้ามและหักล้างกัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะแสดงในรูป 7.4(ข) ถ้าทิศทางของกระแสทั้งสองกลับกัน ทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นก็จะกลับกันด้วย (รูปที่ 7.4(b))

ข้าว. 7.4. ตัวนำสองตัวที่มีทิศทางของกระแสเท่ากัน (a) และสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น (6, c)

2. ทิศทางของกระแสในตัวนำตรงกันข้าม ในรูป รูปที่ 7.5(a) แสดงสนามแม่เหล็กสำหรับตัวนำแต่ละตัวแยกกัน ในกรณีนี้ ในช่องว่างระหว่างตัวนำ สนามของพวกมันจะถูกรวมเข้าด้วยกัน และนี่คือสนามผลลัพธ์ (รูปที่ 7.5(b)) จะเป็นค่าสูงสุด

ข้าว. 7.5. ตัวนำสองตัวที่มีทิศทางตรงกันข้ามของกระแส (a) และสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น (b)

ข้าว. 7.6. สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์

โซลินอยด์เป็นขดลวดทรงกระบอกที่ประกอบด้วยลวดจำนวนมาก (รูปที่ 7.6) เมื่อกระแสไหลผ่านรอบของโซลินอยด์ โซลินอยด์จะมีพฤติกรรมเหมือนแท่งแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นไม่แตกต่างจากสนามแม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กภายในโซลินอยด์สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการพันขดลวดรอบแกนแม่เหล็กที่ทำจากเหล็ก เหล็ก หรือวัสดุแม่เหล็กอื่นๆ ความแรง (ขนาด) ของสนามแม่เหล็กของโซลินอยด์ยังขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ส่งและจำนวนรอบด้วย

แม่เหล็กไฟฟ้า

โซลินอยด์สามารถใช้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โดยแกนทำจากวัสดุแม่เหล็กอ่อน เช่น เหล็กดัด โซลินอยด์จะทำงานเหมือนแม่เหล็กก็ต่อเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดเท่านั้น แม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในกระดิ่งไฟฟ้าและรีเลย์

ตัวนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก

ในรูป รูปที่ 7.7 แสดงตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเห็นได้ว่าสนามแม่เหล็กของตัวนำนี้ถูกเพิ่มเข้ากับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรในบริเวณเหนือตัวนำและถูกลบออกในบริเวณด้านล่างตัวนำ ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่แรงกว่าจึงอยู่เหนือตัวนำและสนามแม่เหล็กที่อ่อนกว่าจะอยู่ด้านล่าง (รูปที่ 7.8)
หากคุณกลับทิศทางของกระแสในตัวนำ รูปร่างของสนามแม่เหล็กจะยังคงเหมือนเดิม แต่ขนาดของมันจะยิ่งใหญ่กว่าใต้ตัวนำ

สนามแม่เหล็ก กระแส และการเคลื่อนที่

หากตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าวางอยู่ในสนามแม่เหล็กแรงจะกระทำต่อมันซึ่งจะพยายามย้ายตัวนำจากบริเวณที่มีสนามแรงกว่าไปยังบริเวณที่อ่อนกว่าดังแสดงใน มะเดื่อ. 7.8. ทิศทางของแรงนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสและทิศทางของสนามแม่เหล็กด้วย

ข้าว. 7.7. ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็ก

ข้าว. 7.8. ช่องผลลัพธ์

ขนาดของแรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยทั้งขนาดของสนามแม่เหล็กและแรงของบูมที่ไหลผ่านตัวนำนี้
การเคลื่อนที่ของตัวนำที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เรียกว่า หลักการของมอเตอร์ การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องมือวัดแมกนีโตอิเล็กทริกที่มีขดลวดเคลื่อนที่และอุปกรณ์อื่น ๆ จะขึ้นอยู่กับหลักการนี้ ถ้าตัวนำเคลื่อนที่ไปในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในนั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าหลักการกำเนิด การทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับเป็นไปตามหลักการนี้

จนถึงขณะนี้เราได้พิจารณาสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าตรงเท่านั้น ในกรณีนี้ ทิศทางของสนามแม่เหล็กจะไม่เปลี่ยนแปลง และถูกกำหนดโดยทิศทางของด็อคถาวร เมื่อกระแสสลับไหล จะเกิดสนามแม่เหล็กสลับเกิดขึ้น หากวางขดลวดแยกกันในสนามไฟฟ้ากระแสสลับนี้ แรงเคลื่อนไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) จะถูกเหนี่ยวนำ (เหนี่ยวนำ) ในนั้น หรือหากวางขดลวดแยกกัน 2 ม้วนไว้ใกล้กัน ดังแสดงในรูป 7.9. และใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับกับขดลวดหนึ่ง (W1) จากนั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับใหม่ (EMF เหนี่ยวนำ) จะเกิดขึ้นระหว่างขั้วของขดลวดที่สอง (W2) นี่คือหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า.

ข้าว. 7.9. แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

วิดีโอนี้จะอธิบายแนวคิดเรื่องแม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า: