Akım taşıyan bobinin manyetik alanı
Durağan elektrik yüklerinin etrafındaki boşlukta bir elektrostatik alan varsa, o zaman hareketli yüklerin etrafındaki boşlukta (aynı zamanda başlangıçta Maxwell tarafından önerilen zamanla değişen elektrik alanların çevresinde de) vardır. manyetik alan… Bunu deneysel olarak gözlemlemek kolaydır.
Manyetik alan sayesinde elektrik akımları birbirleriyle, ayrıca kalıcı mıknatıslar ve mıknatıslı akımlar ile etkileşime girer. Elektrik etkileşimi ile karşılaştırıldığında, manyetik etkileşim çok daha güçlüdür. Bu etkileşim zamanında André-Marie Ampère tarafından incelenmiştir.
Fizikte, manyetik alan özelliği manyetik indüksiyon B ve ne kadar büyükse, manyetik alan o kadar güçlüdür. Manyetik indüksiyon B bir vektör miktarıdır, yönü, manyetik alanda bir noktaya yerleştirilmiş geleneksel bir manyetik okun kuzey kutbuna etki eden kuvvetin yönü ile çakışır - manyetik alan, manyetik oku vektör yönünde yönlendirecektir. B , yani manyetik alan yönünde.
Manyetik indüksiyon hattının herhangi bir noktasında B vektörü ona teğet olarak yönlendirilir. Yani indüksiyon B, manyetik alanın akım üzerindeki kuvvet etkisini karakterize eder. Benzer bir rol, elektrik alanın yük üzerindeki güçlü etkisini karakterize eden elektrik alan için E kuvveti tarafından oynanır.
Demir talaşlarıyla yapılan en basit deney, bir manyetik alanın mıknatıslanmış bir nesne üzerindeki eylemi olgusunu açıkça göstermenizi sağlar, çünkü sabit bir manyetik alanda küçük ferromanyet parçaları (bu tür parçalar demir talaşlarıdır) alan boyunca mıknatıslanır , manyetik küçük pusula okları gibi oklar.
Dikey bir bakır tel alıp yatay olarak yerleştirilmiş bir kağıt tabakasındaki (veya pleksiglas veya kontrplak) bir delikten geçirirseniz ve ardından tabakaya metal talaşları dökerseniz, biraz sallayın ve ardından telden doğru akım geçirin, talaşların telin etrafındaki akıma dik bir düzlemde daireler çizerek bir girdap şeklinde nasıl düzenleneceğini görmek kolaydır.
Bu talaş çemberleri, akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanının manyetik indüksiyon B çizgilerinin geleneksel bir temsili olacaktır. Bu deneydeki dairelerin merkezi, tam olarak akım taşıyan telin ekseni boyunca merkezde yer alacaktır.
Akım taşıyan bir teldeki manyetik endüksiyon vektörlerinin yönünü belirlemek kolaydır gimlet kuralına göre veya sağ vida kuralına göre: vida ekseninin teldeki akım yönünde öteleme hareketi ile, vidanın veya yalpa çemberinin dönüş yönü (içeri veya dışarı vidalama) yönü gösterecektir. akımın etrafındaki manyetik alan.
Gimbal kuralı neden uygulanır? İki Maxwell denkleminde kullanılan rotorun işi (alan teorisinde bozunma ile gösterilir) resmi olarak bir vektör çarpımı olarak yazılabilir (nabla operatörüyle) ve en önemlisi, bir vektör alanının rotoru ( bir akış hızı alanı belirli bir vektör alanını temsil eden ideal sıvının (Maxwell'in kendisi tarafından hayal edildiği gibi) açısal dönme hızına benzetme, açısal hız için açıklanan bu kural formülasyonları ile rotor için kullanılabilir.
Böylece başparmağı vektör alan girdabı yönünde çevirirseniz, o alanın rotor vektörü yönünde vidalanacaktır.
Gördüğünüz gibi, uzayda açık olan elektrostatik alan şiddeti çizgilerinin aksine, elektrik akımını çevreleyen manyetik indüksiyon çizgileri kapalıdır. E elektrik yoğunluğu çizgileri pozitif yüklerle başlar ve negatif yüklerle biterse, o zaman manyetik indüksiyon B çizgileri onları üreten akımın etrafında kapanır.
Şimdi deneyi karmaşıklaştıralım. Akımlı düz bir tel yerine akımlı bir viraj düşünün. Böyle bir döngüyü çizim düzlemine dik olarak, akım solda bize doğru ve bizden sağda olacak şekilde konumlandırmamızın uygun olduğunu varsayalım. Şimdi akım döngüsünün içine manyetik iğneli bir pusula yerleştirilirse, manyetik iğne manyetik indüksiyon çizgilerinin yönünü gösterecektir - bunlar döngü ekseni boyunca yönlendirilecektir.
Neden? Bobinin düzleminin zıt tarafları manyetik iğnenin kutuplarına benzer olacağından.B çizgilerinin ayrıldığı yer, güney kutbuna girdikleri kuzey manyetik kutbudur. Önce akım taşıyan bir teli ve onun manyetik alanını düşünürseniz ve ardından teli basitçe bir halka şeklinde sararsanız, bunu anlamak kolaydır.
Akımlı bir döngünün manyetik indüksiyonunun yönünü belirlemek için, ayrıca gimbal kuralını veya sağ vida kuralını kullanırlar. Denge çemberinin ucunu halkanın ortasına yerleştirin ve saat yönünde döndürün. Denge halkasının öteleme hareketi, döngünün merkezindeki manyetik indüksiyon vektörü B ile aynı doğrultuda olacaktır.
Açıkçası, akımın manyetik alanının yönü, düz bir tel veya bir bobin olsun, teldeki akımın yönü ile ilişkilidir.
Genel olarak, akım taşıyan bobinin veya bobinin, manyetik indüksiyon B çizgilerinin çıktığı (B vektörünün yönü dışa doğru) tarafının kuzey manyetik kutbu olduğu ve çizgilerin girdiği (B vektörü içe doğru yönlendirilir) tarafının kuzey manyetik kutbu olduğu kabul edilir. güney manyetik kutbu.
Akımla birçok dönüş uzun bir bobin - bir solenoid oluşturursa (bobin uzunluğu çapının birçok katıdır), o zaman içindeki manyetik alan tekdüzedir, yani manyetik indüksiyon B çizgileri birbirine paraleldir ve bobinin tüm uzunluğu boyunca aynı yoğunluk. Bu arada, kalıcı bir mıknatısın manyetik alanı, akım taşıyan bir bobinin manyetik alanına dışarıdan benzer.
Akım I, uzunluk l, dönüş sayısı N olan bir bobin için, vakumdaki manyetik indüksiyon sayısal olarak şuna eşit olacaktır:
Dolayısıyla, bobin içindeki manyetik alan akımla birlikte eşittir ve güney kutbundan kuzey kutbuna (bobin içinde!) yönlendirilir. Bobin içindeki manyetik indüksiyon, akım taşıyan bobinin birim uzunluğu başına amper dönüş sayısıyla modulo orantılıdır.