Từ trường của cuộn dây có dòng điện

Nếu một trường tĩnh điện tồn tại trong không gian xung quanh các điện tích đứng yên, thì trong không gian xung quanh các điện tích chuyển động (cũng như xung quanh các điện trường biến thiên theo thời gian do Maxwell đề xuất ban đầu) tồn tại từ trường… Điều này rất dễ quan sát bằng thực nghiệm.

Nhờ có từ trường mà các dòng điện tương tác với nhau, cũng như nam châm vĩnh cửu và dòng điện với nam châm. So với tương tác điện thì tương tác từ mạnh hơn rất nhiều. Tương tác này đã được André-Marie Ampère nghiên cứu đúng lúc.

Trong vật lý, đặc trưng của từ trường là cảm ứng từ B càng lớn thì từ trường càng mạnh. Cảm ứng từ B là một đại lượng vectơ, hướng của nó trùng với hướng của lực tác dụng lên cực bắc của một mũi tên từ thông thường đặt tại một điểm nào đó trong từ trường - từ trường sẽ hướng mũi tên từ theo hướng của vectơ B , nghĩa là theo hướng của từ trường .

Vectơ B tại bất kỳ điểm nào của đường cảm ứng từ đều hướng tới nó theo phương tiếp tuyến. Tức là cảm ứng từ B đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường lên dòng điện. Lực E đối với điện trường cũng có vai trò tương tự, lực này đặc trưng cho tác dụng mạnh của điện trường lên điện tích.

Thí nghiệm đơn giản nhất với mạt sắt cho phép bạn chứng minh rõ ràng hiện tượng tác dụng của từ trường lên vật bị từ hóa, bởi vì trong từ trường không đổi, các mảnh nhỏ của sắt từ (các mảnh đó là mạt sắt) bị từ hóa dọc theo từ trường. mũi tên, giống như mũi tên nhỏ của la bàn.

Nếu bạn lấy một sợi dây đồng thẳng đứng và luồn nó qua một lỗ trên một tờ giấy đặt nằm ngang (hoặc Plexiglas hoặc ván ép) rồi đổ mạt kim loại lên tờ giấy, lắc nhẹ rồi cho dòng điện một chiều chạy qua dây, dễ dàng nhận thấy cách các mạt giũa sẽ tự sắp xếp theo dạng xoáy thành các vòng tròn xung quanh dây dẫn, trong mặt phẳng vuông góc với dòng điện chạy trong đó.

Những vòng tròn mùn cưa này sẽ chỉ đơn giản là một biểu diễn thông thường của các đường cảm ứng từ B của từ trường của một dây dẫn mang dòng điện. Tâm của các vòng tròn trong thí nghiệm này sẽ nằm chính xác ở tâm, dọc theo trục của dây dẫn mang dòng điện.

Dễ dàng xác định được chiều của vectơ cảm ứng từ trong ống dây có dòng điện theo quy tắc gimlet hoặc theo quy tắc vít bàn tay phải: với chuyển động tịnh tiến của trục vít theo chiều dòng điện trong dây dẫn, chiều quay của vít hoặc tay cầm gimbal (vặn vào hoặc vặn ra) sẽ cho biết chiều của từ trường xung quanh dòng điện.

Tại sao quy tắc gimbal được áp dụng? Bởi vì công của rôto (được biểu thị trong lý thuyết trường bằng phân rã) được sử dụng trong hai phương trình Maxwell có thể được viết chính thức dưới dạng tích vectơ (với toán tử nabla) và quan trọng nhất là vì rôto của trường vectơ có thể được ví như ( là một tương tự) với vận tốc góc quay của chất lỏng lý tưởng (như tưởng tượng của chính Maxwell), có trường vận tốc dòng chảy biểu thị một trường vectơ nhất định, có thể được sử dụng cho rôto bằng các công thức quy tắc này được mô tả cho vận tốc góc .

Do đó, nếu bạn xoay ngón tay cái theo hướng của xoáy trường vectơ, nó sẽ vặn theo hướng của vectơ rôto của trường đó.

Như bạn có thể thấy, không giống như các đường cường độ trường tĩnh điện mở trong không gian, các đường cảm ứng từ bao quanh dòng điện được đóng lại. Nếu các đường cường độ điện E bắt đầu bằng các điện tích dương và kết thúc bằng các điện tích âm, thì các đường cảm ứng từ B chỉ bao quanh dòng điện sinh ra chúng.

Bây giờ hãy làm phức tạp thí nghiệm. Hãy xem xét thay vì một dây thẳng có dòng điện, hãy uốn cong có dòng điện. Giả sử rằng thật thuận tiện cho chúng ta khi đặt một vòng dây như vậy vuông góc với mặt phẳng của hình vẽ, với dòng điện hướng về phía chúng ta ở bên trái và ở bên phải chúng ta. Nếu bây giờ đặt một chiếc la bàn có kim nam châm bên trong vòng dây hiện tại, thì kim nam châm sẽ chỉ hướng của các đường cảm ứng từ — chúng sẽ hướng dọc theo trục của vòng dây.

Tại sao? Vì các mặt đối diện của mặt phẳng cuộn dây sẽ tương tự như các cực của kim nam châm.Nơi các dòng B rời đi là cực từ bắc, nơi chúng đi vào cực nam. Điều này dễ hiểu nếu trước tiên bạn xem xét một dây dẫn mang dòng điện và từ trường của nó, sau đó chỉ cần quấn dây dẫn thành một vòng.

Để xác định chiều của cảm ứng từ của vòng dây có dòng điện chạy qua người ta còn dùng quy tắc đinh lăng hay quy tắc bàn tay phải vít. Đặt đầu của gimbal vào giữa vòng và xoay theo chiều kim đồng hồ. Chuyển động tịnh tiến của gimbal sẽ trùng hướng với vectơ cảm ứng từ B tại tâm của vòng.

Rõ ràng, hướng của từ trường của dòng điện có liên quan đến hướng của dòng điện trong dây dẫn, có thể là dây dẫn thẳng hoặc cuộn dây.

Người ta thường chấp nhận rằng phía của cuộn dây hoặc cuộn dây mang dòng điện nơi các đường cảm ứng từ B thoát ra (hướng của vectơ B hướng ra ngoài) là cực bắc từ và nơi các đường sức đi vào (vectơ B hướng vào trong) là cực từ. cực nam từ.

Nếu nhiều vòng có dòng điện tạo thành một cuộn dây dài - một cuộn dây điện từ (chiều dài của cuộn dây gấp nhiều lần đường kính của nó), thì từ trường bên trong nó là đều, nghĩa là các đường cảm ứng từ B song song với nhau và có cùng mật độ dọc theo toàn bộ chiều dài của cuộn dây. Ngẫu nhiên, từ trường của một nam châm vĩnh cửu có bề ngoài tương tự như từ trường của một cuộn dây mang dòng điện.

Đối với cuộn dây có dòng điện I, chiều dài l, số vòng dây N thì cảm ứng từ trong chân không sẽ có giá trị bằng:

Vì vậy, từ trường bên trong cuộn dây với dòng điện đều và hướng từ cực nam sang cực bắc (bên trong cuộn dây!). Cảm ứng từ bên trong cuộn dây tỷ lệ thuận với số vòng dây của ampe trên một đơn vị chiều dài của cuộn dây mang dòng điện.