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

สนามแม่เหล็ก

จากที่กล่าวไว้ข้างต้น เราสามารถให้คำจำกัดความของสนามแม่เหล็กได้ดังต่อไปนี้

สนามแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสองด้านของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งตื่นเต้นกับประจุไฟฟ้าของอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และมีลักษณะพิเศษคือผลกระทบของแรงต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ติดเชื้อ และต่อกระแสไฟฟ้าด้วย

หากคุณผ่านตัวนำหนาผ่านกระดาษแข็งแล้วผ่านไปตามนั้นตะไบเหล็กที่เทลงบนกระดาษแข็งจะตั้งอยู่รอบ ๆ ตัวนำในวงกลมศูนย์กลางซึ่งในกรณีนี้คือสิ่งที่เรียกว่าเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (รูปที่ 1) เราสามารถเลื่อนกระดาษแข็งขึ้นหรือลงตัวนำได้ แต่ตำแหน่งของขี้เลื่อยจะไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้ สนามแม่เหล็กจึงเกิดขึ้นรอบๆ ตัวนำตลอดความยาวทั้งหมด

หากคุณใส่ลูกศรแม่เหล็กเล็ก ๆ ไว้บนกระดาษแข็งจากนั้นเปลี่ยนทิศทางของกระแสในตัวนำจะเห็นว่าลูกศรแม่เหล็กจะหมุน (รูปที่ 2) นี่แสดงให้เห็นว่าทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางของกระแสในตัวนำ

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

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"

สนามแม่เหล็กมีลักษณะเป็นเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ซึ่งมีขนาดและทิศทางที่แน่นอนในอวกาศ

รูปที่ 6 กฎของ Biot และ Savart

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

การมีอยู่ของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าสามารถตรวจจับได้หลายวิธี วิธีหนึ่งคือการใช้ตะไบเหล็กเนื้อละเอียด

ในสนามแม่เหล็ก ตะไบเหล็กชิ้นเล็ก ๆ จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและกลายเป็นลูกศรแม่เหล็ก แกนของลูกศรแต่ละอันในสนามแม่เหล็กจะถูกกำหนดตามทิศทางการกระทำของแรงของสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 94 แสดงภาพสนามแม่เหล็กของตัวนำตรงที่พากระแสไฟฟ้า เพื่อให้ได้ภาพดังกล่าว ตัวนำตรงจะถูกส่งผ่านแผ่นกระดาษแข็ง ตะไบเหล็กบาง ๆ เทลงบนกระดาษแข็ง กระแสไฟฟ้าเปิดอยู่ และตะไบเหล็กจะเขย่าเบา ๆ ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้า ตะไบเหล็กจะตั้งอยู่รอบๆ ตัวนำซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่อยู่ในวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน

ข้าว. 94. รูปภาพของสนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า

เส้นที่แกนของเข็มแม่เหล็กขนาดเล็กอยู่ในสนามแม่เหล็กเรียกว่าเส้นสนามแม่เหล็ก

ทิศทางที่ระบุโดยขั้วเหนือของเข็มแม่เหล็กที่แต่ละจุดในสนามจะถือเป็นทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็ก

โซ่ที่ตะไบเหล็กก่อตัวในสนามแม่เหล็กจะแสดงรูปร่างของเส้นสนามแม่เหล็ก

เส้นสนามแม่เหล็กกระแสแม่เหล็กเป็นเส้นโค้งปิดที่ห่อหุ้มตัวนำ

การใช้เส้นแม่เหล็กทำให้สะดวกในการแสดงภาพสนามแม่เหล็กแบบกราฟิก เนื่องจากมีสนามแม่เหล็กอยู่ที่ทุกจุดในอวกาศรอบๆ ตัวนำที่มีกระแสไหลอยู่ จึงสามารถลากเส้นแม่เหล็กผ่านจุดใดก็ได้

ข้าว. 95. ตำแหน่งของเข็มแม่เหล็กรอบตัวนำกระแสไฟ

รูปที่ 95 a แสดงตำแหน่งของเข็มแม่เหล็กรอบๆ ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (ตัวนำตั้งฉากกับระนาบของการวาดภาพกระแสในนั้นจะถูกพุ่งออกไปจากเราซึ่งตามอัตภาพจะระบุด้วยวงกลมที่มีกากบาท) แกนของลูกศรเหล่านี้ถูกติดตั้งตามแนวแม่เหล็กของกระแสตรง สนามแม่เหล็ก เมื่อทิศทางของกระแสในตัวนำเปลี่ยนไป เข็มแม่เหล็กทั้งหมดจะหมุน 180° (รูปที่ 95, b; ในกรณีนี้ กระแสในตัวนำจะพุ่งเข้าหาเรา ซึ่งตามอัตภาพจะระบุด้วยวงกลมที่มีจุด) จากประสบการณ์นี้สรุปได้ว่า ทิศทางของเส้นแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าสัมพันธ์กับทิศทางของกระแสในตัวนำ.

คำถาม

1. เหตุใดตะไบเหล็กจึงใช้ศึกษาสนามแม่เหล็กได้
2. ตะไบเหล็กอยู่ในสนามแม่เหล็กกระแสตรงอย่างไร
3. เส้นสนามแม่เหล็กเรียกว่าอะไร?
4. เหตุใดจึงมีการนำแนวคิดของเส้นสนามแม่เหล็กมาใช้
5. เราจะแสดงการทดลองได้อย่างไรว่าทิศทางของเส้นแม่เหล็กสัมพันธ์กับทิศทางของกระแส?

แบบฝึกหัดที่ 40

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State: อันตรกิริยาของแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กของตัวนำกับกระแสไฟฟ้า

ผู้คนรู้จักคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารมาเป็นเวลานาน แม่เหล็กได้ชื่อมาจากเมืองแมกนีเซียโบราณ: ในบริเวณใกล้เคียงมีแร่ธาตุทั่วไป (ต่อมาเรียกว่าแร่เหล็กแม่เหล็กหรือแมกนีไทต์) ชิ้นส่วนที่ดึงดูดวัตถุเหล็ก

ปฏิสัมพันธ์ของแม่เหล็ก

ทั้งสองด้านของแม่เหล็กแต่ละอันจะมีอยู่ ขั้วโลกเหนือและ ขั้วโลกใต้- แม่เหล็กสองตัวถูกดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยขั้วตรงข้ามและผลักกันด้วยขั้วที่คล้ายกัน แม่เหล็กสามารถทำงานร่วมกันได้แม้ผ่านสุญญากาศ! อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดนี้คล้ายคลึงกับอันตรกิริยาของประจุไฟฟ้า ปฏิกิริยาของแม่เหล็กไม่ใช่ไฟฟ้า- นี่คือหลักฐานจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองต่อไปนี้

แรงแม่เหล็กอ่อนลงเมื่อแม่เหล็กร้อนขึ้น ความแรงของการโต้ตอบของประจุแบบจุดไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

แรงแม่เหล็กจะลดลงหากแม่เหล็กถูกเขย่า ไม่มีอะไรแบบนี้เกิดขึ้นกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า

ประจุไฟฟ้าบวกสามารถแยกออกจากประจุลบได้ (เช่น เมื่อร่างกายเกิดไฟฟ้า) แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกขั้วของแม่เหล็ก: หากคุณตัดแม่เหล็กออกเป็นสองส่วน ขั้วก็จะปรากฏขึ้นที่บริเวณที่ถูกตัดด้วย และแม่เหล็กจะแยกออกเป็นแม่เหล็กสองอันโดยมีขั้วตรงข้ามกันที่ปลาย (วางในลักษณะเดียวกันทุกประการ) เหมือนขั้วแม่เหล็กเดิม)

ดังนั้นแม่เหล็ก เสมอไบโพลาร์มีอยู่ในรูปแบบเท่านั้น ไดโพล- ขั้วแม่เหล็กแยก (เรียกว่า โมโนโพลแม่เหล็ก- ประจุไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกัน) ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ (ไม่ว่าในกรณีใดยังไม่ได้ค้นพบโดยการทดลอง) นี่อาจเป็นความไม่สมดุลที่โดดเด่นที่สุดระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก

เช่นเดียวกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า แม่เหล็กก็ทำหน้าที่กับประจุไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กจะทำงานเพียงเท่านั้น การย้ายค่าใช้จ่าย; หากประจุอยู่นิ่งสัมพันธ์กับแม่เหล็ก ก็จะไม่พบผลกระทบของแรงแม่เหล็กต่อประจุ ในทางตรงกันข้าม ร่างกายที่ถูกไฟฟ้าจะกระทำต่อประจุใดๆ ก็ตาม ไม่ว่าจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวก็ตาม

ตามแนวคิดสมัยใหม่ของทฤษฎีระยะสั้น ปฏิสัมพันธ์ของแม่เหล็กจะดำเนินการผ่าน สนามแม่เหล็กกล่าวคือ แม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบ ซึ่งทำหน้าที่กับแม่เหล็กอีกอันหนึ่ง และทำให้เกิดแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่มองเห็นได้ของแม่เหล็กเหล่านี้

ตัวอย่างของแม่เหล็กคือ เข็มแม่เหล็กเข็มทิศ. การใช้เข็มแม่เหล็กทำให้คุณสามารถตัดสินการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กในพื้นที่ที่กำหนด รวมถึงทิศทางของสนามแม่เหล็กได้

โลกของเราเป็นแม่เหล็กขนาดยักษ์ ไม่ไกลจากขั้วโลกเหนือของโลกคือขั้วแม่เหล็กใต้ ดังนั้นปลายทิศเหนือของเข็มทิศซึ่งหันไปทางขั้วแม่เหล็กทิศใต้ของโลก ชี้ไปทางทิศเหนือทางภูมิศาสตร์ นี่คือที่มาของชื่อ "ขั้วโลกเหนือ" ของแม่เหล็ก

เส้นสนามแม่เหล็ก

เราจำได้ว่าสนามไฟฟ้าได้รับการศึกษาโดยใช้ประจุทดสอบขนาดเล็ก โดยผลกระทบที่สามารถตัดสินขนาดและทิศทางของสนามได้ อะนาล็อกของประจุทดสอบในกรณีของสนามแม่เหล็กคือเข็มแม่เหล็กขนาดเล็ก

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถเข้าใจเชิงเรขาคณิตเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กได้โดยการวางเข็มเข็มทิศขนาดเล็กมากไว้ที่จุดต่างๆ ในอวกาศ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าลูกศรจะเรียงกันตามเส้นบางเส้น - ที่เรียกว่า เส้นสนามแม่เหล็ก- ให้เรานิยามแนวคิดนี้ในรูปแบบสามประเด็นต่อไปนี้

1. เส้นสนามแม่เหล็กหรือเส้นแรงแม่เหล็กเป็นเส้นกำกับในอวกาศที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: เข็มเข็มทิศขนาดเล็กที่วางอยู่ที่แต่ละจุดบนเส้นนั้นจะมีทิศทางสัมผัสกับเส้นนี้.

2. ทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กถือเป็นทิศทางของปลายด้านเหนือของเข็มเข็มทิศซึ่งอยู่ที่จุดบนเส้นนี้.

3. ยิ่งเส้นหนาแน่นเท่าไร สนามแม่เหล็กในพื้นที่ที่กำหนดก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น.

ตะไบเหล็กสามารถทำหน้าที่เป็นเข็มเข็มทิศได้สำเร็จ: ในสนามแม่เหล็ก ตะไบขนาดเล็กจะกลายเป็นแม่เหล็กและมีลักษณะเหมือนเข็มแม่เหล็กทุกประการ

ดังนั้น โดยการเทตะไบเหล็กรอบๆ แม่เหล็กถาวร เราจะเห็นภาพเส้นสนามแม่เหล็กโดยประมาณต่อไปนี้ (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. สนามแม่เหล็กถาวร

ขั้วเหนือของแม่เหล็กระบุด้วยสีน้ำเงินและตัวอักษร ; ขั้วโลกใต้ - สีแดง และตัวอักษร . โปรดทราบว่าเส้นสนามจะออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กและเข้าไปในขั้วใต้ เพราะท้ายที่สุดแล้ว ปลายด้านเหนือของเข็มเข็มทิศจะหันไปทางขั้วใต้ของแม่เหล็ก

ประสบการณ์ของเออร์สเตด

แม้ว่าผู้คนจะรู้จักปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่ก็ไม่ได้สังเกตความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขามาเป็นเวลานาน เป็นเวลาหลายศตวรรษแล้วที่การวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กดำเนินไปแบบคู่ขนานและเป็นอิสระจากกัน

ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันจริงๆ ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1820 ในการทดลองอันโด่งดังของ Oersted

แผนภาพการทดลองของ Oersted แสดงไว้ในรูปที่ 1 2 (ภาพจากเว็บไซต์ rt.mipt.ru) เหนือเข็มแม่เหล็ก (และเป็นขั้วเหนือและขั้วใต้ของเข็ม) จะมีตัวนำโลหะเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า หากปิดวงจร ลูกศรจะหมุนตั้งฉากกับตัวนำ!
การทดลองง่ายๆ นี้ระบุความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กโดยตรง การทดลองที่เป็นไปตามการทดลองของเออร์สเตดได้กำหนดรูปแบบดังต่อไปนี้: สนามแม่เหล็กเกิดจากกระแสไฟฟ้าและกระทำต่อกระแส.

ข้าว. 2. การทดลองของเออร์สเตด

รูปแบบของเส้นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากตัวนำที่มีกระแสไหลอยู่จะขึ้นอยู่กับรูปร่างของตัวนำ

สนามแม่เหล็กของลวดเส้นตรงที่พากระแส

เส้นสนามแม่เหล็กของเส้นลวดตรงที่พากระแสเป็นวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน ศูนย์กลางของวงกลมเหล่านี้วางอยู่บนเส้นลวดและระนาบของพวกมันตั้งฉากกับเส้นลวด (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. สนามของเส้นลวดตรงกับกระแส

มีกฎทางเลือกสองข้อในการกำหนดทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กไปข้างหน้า

กฎตามเข็มนาฬิกา. เส้นสนามจะหมุนทวนเข็มนาฬิกาหากคุณมองเพื่อให้กระแสไหลมาหาเรา.

กฎสกรู(หรือ กฎลูกชิ้น, หรือ กฎเกลียว- นี่คือสิ่งที่ใกล้กับใครบางคน ;-)) เส้นสนามไปในที่ที่คุณต้องหมุนสกรู (ด้วยเกลียวขวาปกติ) เพื่อให้เคลื่อนไปตามเกลียวในทิศทางของกระแสน้ำ.

ใช้กฎที่เหมาะกับคุณที่สุด จะดีกว่าถ้าทำความคุ้นเคยกับกฎตามเข็มนาฬิกา - คุณจะเห็นเองในภายหลังว่ามันเป็นสากลและใช้งานง่ายกว่า (จากนั้นจำไว้ด้วยความขอบคุณในปีแรกเมื่อคุณศึกษาเรขาคณิตวิเคราะห์)

ในรูป 3 มีอะไรใหม่เกิดขึ้น: นี่คือเวกเตอร์ที่เรียกว่า การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก, หรือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก- เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กมีความคล้ายคลึงกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า: มันทำหน้าที่ ลักษณะพลังงานสนามแม่เหล็ก กำหนดแรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่

เราจะพูดถึงแรงในสนามแม่เหล็กในภายหลัง แต่ตอนนี้เราจะทราบเพียงว่าขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็กนั้นถูกกำหนดโดยเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ในแต่ละจุดในอวกาศ เวกเตอร์จะชี้ไปในทิศทางเดียวกับปลายด้านเหนือของเข็มเข็มทิศที่วางอยู่ที่จุดที่กำหนด กล่าวคือ สัมผัสกับเส้นสนามในทิศทางของเส้นนี้ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กวัดได้ใน เทสลา(ทล).

เช่นเดียวกับในกรณีของสนามไฟฟ้า การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กจะใช้สิ่งต่อไปนี้: หลักการซ้อนทับ- มันอยู่ในความจริงที่ว่า การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น ณ จุดที่กำหนดโดยกระแสต่าง ๆ รวมกันเป็นเวกเตอร์และให้เวกเตอร์ผลลัพธ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก:.

สนามแม่เหล็กของขดลวดกับกระแส

พิจารณาขดลวดทรงกลมซึ่งมีกระแสตรงไหลเวียนผ่าน เราไม่แสดงแหล่งกำเนิดที่สร้างกระแสในรูป

ภาพเส้นสนามวงโคจรของเราจะมีลักษณะประมาณดังนี้ (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. สนามขดลวดกับกระแส

สิ่งสำคัญสำหรับเราคือจะต้องสามารถระบุได้ว่าสนามแม่เหล็กมีทิศทางครึ่งสเปซใด (สัมพันธ์กับระนาบของขดลวด) เรามีกฎทางเลือกสองข้ออีกครั้ง

กฎตามเข็มนาฬิกา. เส้นสนามไปที่นั่น โดยดูจากตำแหน่งที่กระแสดูเหมือนจะหมุนเวียนทวนเข็มนาฬิกา.

กฎสกรู. เส้นสนามจะไปที่ที่สกรู (ด้วยเกลียวขวาปกติ) จะเคลื่อนที่หากหมุนไปในทิศทางของกระแส.

อย่างที่คุณเห็นบทบาทการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันและภาคสนาม - เมื่อเปรียบเทียบกับการกำหนดกฎเหล่านี้สำหรับกรณีของกระแสตรง

สนามแม่เหล็กของขดลวดกระแส

ม้วนมันจะได้ผลถ้าคุณพันลวดให้แน่นแล้วหมุนเป็นเกลียวที่ยาวพอสมควร (รูปที่ 5 - รูปภาพจาก en.wikipedia.org) ขดลวดอาจมีหลายสิบ ร้อย หรือพันรอบ คอยล์ก็เรียกว่า โซลินอยด์.

ข้าว. 5. คอยล์ (โซลินอยด์)

อย่างที่เราทราบสนามแม่เหล็กของเทิร์นหนึ่งนั้นดูไม่ง่ายนัก ทุ่งนา? การหมุนแต่ละรอบของขดลวดจะถูกซ้อนทับกันและดูเหมือนว่าผลลัพธ์จะเป็นภาพที่สับสนมาก อย่างไรก็ตาม ไม่เป็นเช่นนั้น สนามของขดลวดยาวมีโครงสร้างที่เรียบง่ายอย่างไม่คาดคิด (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. สนามคอยล์ปัจจุบัน

ในรูปนี้ กระแสในคอยล์จะไหลทวนเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากด้านซ้าย (สิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากในรูปที่ 5 ปลายด้านขวาของคอยล์เชื่อมต่อกับ “บวก” ของแหล่งกำเนิดปัจจุบัน และปลายด้านซ้ายไปยัง “ ลบ"). เราจะเห็นว่าสนามแม่เหล็กของขดลวดมีคุณสมบัติเฉพาะสองประการ

1. ภายในขดลวดห่างจากขอบมีสนามแม่เหล็กอยู่ เป็นเนื้อเดียวกัน: ในแต่ละจุด เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะมีขนาดและทิศทางเท่ากัน เส้นสนามเป็นเส้นตรงขนานกัน พวกมันโค้งงอเฉพาะบริเวณขอบของคอยล์เมื่อพวกมันออกมา

2. ด้านนอกคอยล์ สนามอยู่ใกล้กับศูนย์ ยิ่งขดลวดหมุนมาก สนามด้านนอกก็จะยิ่งอ่อนลง

โปรดทราบว่าขดลวดที่ยาวเป็นอนันต์จะไม่ปล่อยสนามออกไปด้านนอกเลย: ไม่มีสนามแม่เหล็กอยู่ด้านนอกขดลวด ภายในคอยล์ดังกล่าว สนามมีความสม่ำเสมอทั่วทุกแห่ง

ไม่เตือนคุณถึงอะไรเลยเหรอ? คอยล์คืออะนาล็อก "แม่เหล็ก" ของตัวเก็บประจุ คุณจำได้ว่าตัวเก็บประจุสร้างสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอภายในตัวมันเอง เส้นที่โค้งงอใกล้ขอบของแผ่นเปลือกโลกเท่านั้น และนอกตัวเก็บประจุสนามจะอยู่ใกล้กับศูนย์ ตัวเก็บประจุที่มีเพลตไม่มีที่สิ้นสุดจะไม่ปล่อยสนามออกไปด้านนอกเลย และสนามไฟฟ้าจะมีความสม่ำเสมอทุกจุดในนั้น

และตอนนี้ - การสังเกตหลัก โปรดเปรียบเทียบรูปภาพของเส้นสนามแม่เหล็กที่อยู่ด้านนอกขดลวด (รูปที่ 6) กับเส้นสนามแม่เหล็กในรูปที่ 1 1. มันก็เรื่องเดียวกันไม่ใช่เหรอ? และตอนนี้เรามาถึงคำถามที่คุณอาจมีมานานแล้ว: ถ้าสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสและกระทำต่อกระแส แล้วอะไรคือสาเหตุของการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กใกล้กับแม่เหล็กถาวร? ท้ายที่สุดแล้วแม่เหล็กนี้ดูเหมือนจะไม่ใช่ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า!

สมมติฐานของแอมแปร์ กระแสน้ำเบื้องต้น

ในตอนแรกคิดว่าปฏิสัมพันธ์ของแม่เหล็กอธิบายได้ด้วยประจุแม่เหล็กพิเศษที่มีความเข้มข้นที่ขั้ว แต่ต่างจากไฟฟ้าตรงที่ไม่มีใครสามารถแยกประจุแม่เหล็กได้ ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว ไม่สามารถแยกขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กได้ - ขั้วทั้งสองจะอยู่เป็นแม่เหล็กเป็นคู่เสมอ

การทดลองของเออร์สเตดทำให้ข้อสงสัยเกี่ยวกับประจุแม่เหล็กรุนแรงขึ้น เมื่อปรากฎว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากกระแสไฟฟ้า ยิ่งไปกว่านั้นปรากฎว่าสำหรับแม่เหล็กใด ๆ คุณสามารถเลือกตัวนำที่มีกระแสของการกำหนดค่าที่เหมาะสมได้เพื่อให้สนามของตัวนำนี้เกิดขึ้นพร้อมกับสนามแม่เหล็ก

แอมแปร์หยิบยกสมมติฐานที่ชัดเจน ไม่มีประจุแม่เหล็ก การกระทำของแม่เหล็กอธิบายได้ด้วยกระแสไฟฟ้าปิดที่อยู่ภายใน.

กระแสเหล่านี้คืออะไร? เหล่านี้ กระแสเบื้องต้นหมุนเวียนภายในอะตอมและโมเลกุล พวกมันสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวงโคจรของอะตอม สนามแม่เหล็กของวัตถุใดๆ ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กของกระแสเบื้องต้นเหล่านี้

กระแสน้ำเบื้องต้นสามารถสุ่มตำแหน่งโดยสัมพันธ์กัน จากนั้นสนามแม่เหล็กจะถูกยกเลิกร่วมกัน และร่างกายไม่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก

แต่ถ้ากระแสน้ำเบื้องต้นถูกจัดเรียงในลักษณะที่ประสานกันสนามของพวกมันเมื่อรวมกันจะเสริมกำลังซึ่งกันและกัน ร่างกายกลายเป็นแม่เหล็ก (รูปที่ 7; สนามแม่เหล็กจะมุ่งตรงมาหาเรา; ขั้วเหนือของแม่เหล็กก็จะมุ่งตรงมาหาเราด้วย)

ข้าว. 7. กระแสแม่เหล็กเบื้องต้น

สมมติฐานของแอมแปร์เกี่ยวกับกระแสเบื้องต้นทำให้คุณสมบัติของแม่เหล็กกระจ่างขึ้น การทำความร้อนและการสั่นของแม่เหล็กจะทำลายลำดับของกระแสเบื้องต้น และคุณสมบัติทางแม่เหล็กก็อ่อนลง การแยกขั้วของแม่เหล็กออกไม่ได้ชัดเจน: ณ จุดที่แม่เหล็กถูกตัดเราจะได้กระแสเบื้องต้นเดียวกันที่ปลาย ความสามารถของวัตถุที่จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กอธิบายได้จากการจัดตำแหน่งที่ประสานกันของกระแสเบื้องต้นที่ "หมุน" อย่างถูกต้อง (อ่านเกี่ยวกับการหมุนของกระแสวงกลมในสนามแม่เหล็กในแผ่นถัดไป)

สมมติฐานของแอมแปร์กลายเป็นจริง - สิ่งนี้แสดงให้เห็นได้จากการพัฒนาทางฟิสิกส์เพิ่มเติม แนวคิดเกี่ยวกับกระแสเบื้องต้นกลายเป็นส่วนสำคัญของทฤษฎีอะตอมซึ่งพัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 20 - เกือบหนึ่งร้อยปีหลังจากการเดาอันยอดเยี่ยมของแอมแปร์

สนามแม่เหล็กก็เหมือนกับสนามไฟฟ้า สามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้โดยใช้เส้นแรง เส้นสนามแม่เหล็กหรือเส้นเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก คือเส้นที่แทนเจนต์ที่แต่ละจุดเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก

ก)	ข)	วี)

ข้าว. 1.2. เส้นสนามแม่เหล็กกระแสตรง (a)

กระแสวงกลม (b), โซลินอยด์ (c)

เส้นแรงแม่เหล็ก เช่น เส้นไฟฟ้า จะไม่ตัดกัน พวกมันถูกวาดด้วยความหนาแน่นจนจำนวนเส้นที่ตัดผ่านพื้นผิวหน่วยที่ตั้งฉากกับพวกมันนั้นเท่ากับ (หรือเป็นสัดส่วนกับ) ขนาดของความเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กในตำแหน่งที่กำหนด

ในรูป 1.2, กเส้นสนามของกระแสตรงจะแสดงขึ้น ซึ่งเป็นวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน โดยมีจุดศูนย์กลางอยู่บนแกนกระแส และทิศทางถูกกำหนดโดยกฎสกรูด้านขวา (กระแสในตัวนำมุ่งตรงไปยังเครื่องอ่าน)

เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถ "เปิดเผย" ได้โดยใช้ตะไบเหล็ก ซึ่งกลายเป็นแม่เหล็กในสนามที่กำลังศึกษาและทำตัวเหมือนเข็มแม่เหล็กขนาดเล็ก ในรูป 1.2, ขเส้นสนามแม่เหล็กของกระแสวงกลมจะแสดงขึ้น สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์แสดงในรูปที่ 1 1.2, วี.

เส้นสนามแม่เหล็กปิดอยู่ สนามที่มีเส้นแรงปิดเรียกว่า ทุ่งน้ำวน- เห็นได้ชัดว่าสนามแม่เหล็กนั้นเป็นสนามกระแสน้ำวน นี่คือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าสถิต

ในสนามไฟฟ้าสถิต เส้นแรงจะเปิดอยู่เสมอ โดยเริ่มต้นและสิ้นสุดที่ประจุไฟฟ้า เส้นแรงแม่เหล็กไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุด สิ่งนี้สอดคล้องกับความจริงที่ว่าไม่มีประจุแม่เหล็กในธรรมชาติ

1.4. กฎหมายไบโอต-ซาวาร์ต-ลาปลาซ

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Biot และ F. Savard ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยกระแสน้ำที่ไหลผ่านเส้นลวดบาง ๆ ที่มีรูปร่างต่างๆ ในปี 1820 ลาปลาซวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองที่ได้รับจากไบโอตและซาวาร์ต และสร้างความสัมพันธ์ที่เรียกว่ากฎหมายไบโอต-ซาวาร์ต-ลาปลาซ

ตามกฎหมายนี้ การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าใดๆ สามารถคำนวณเป็นผลรวมเวกเตอร์ (การซ้อนทับ) ของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแต่ละส่วนเบื้องต้นของกระแสไฟฟ้า สำหรับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบปัจจุบันที่มีความยาว ลาปลาซได้สูตร:

, (1.3)

โดยที่เวกเตอร์คือโมดูโลเท่ากับความยาวขององค์ประกอบตัวนำและสอดคล้องกับกระแส (รูปที่ 1.3) – เวกเตอร์รัศมีที่ดึงจากองค์ประกอบไปยังจุดที่กำหนด – โมดูลัสของเวกเตอร์รัศมี

สนามแม่เหล็ก - พลัง สนาม ซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าและบนร่างกายด้วย แม่เหล็ก ช่วงเวลาโดยไม่คำนึงถึงสถานะของการเคลื่อนไหวแม่เหล็ก ส่วนประกอบของแม่เหล็กไฟฟ้า สาขา .

เส้นสนามแม่เหล็กคือเส้นจินตภาพ ซึ่งแทนเจนต์ที่แต่ละจุดของสนามตรงกันในทิศทางกับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

สำหรับสนามแม่เหล็ก หลักการของการซ้อนทับนั้นใช้ได้: ที่แต่ละจุดในอวกาศ เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บี∑ → บี∑→ที่สร้างขึ้น ณ จุดนี้โดยแหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กทั้งหมดจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บีเค→ บีเค→สร้างขึ้น ณ จุดนี้โดยแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กทั้งหมด:

28. กฎหมายไบโอต-ซาวาร์ต-ลาปลาซ กฎของกระแสรวม

กฎของไบโอต-ซาวาร์ต-ลาปลาซมีดังต่อไปนี้: เมื่อกระแสตรงไหลผ่านวงปิดที่อยู่ในสุญญากาศ สำหรับจุดที่อยู่ห่างจากวง r0 การเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะมีรูปแบบ

โดยที่ฉันคือกระแสในวงจร

รูปร่างแกมมาตามที่มีการบูรณาการเกิดขึ้น

r0 จุดใดก็ได้

กฎหมายปัจจุบันทั้งหมด นี่คือกฎที่เชื่อมโยงการไหลเวียนของเวกเตอร์ความแรงของสนามแม่เหล็กและกระแส

การไหลเวียนของเวกเตอร์ความแรงของสนามแม่เหล็กตามวงจรเท่ากับผลรวมพีชคณิตของกระแสที่ครอบคลุมโดยวงจรนี้

29. สนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน โมเมนต์แม่เหล็กของกระแสวงกลม

30. ผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน กฎของแอมแปร์ ปฏิสัมพันธ์ของกระแส .

F = B ฉัน l บาปα ,

ที่ไหน α - มุมระหว่างการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและเวกเตอร์กระแสบี - การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กฉัน - ความแรงของกระแสในตัวนำล - ความยาวของตัวนำ

ปฏิสัมพันธ์ของกระแส หากสายไฟสองเส้นเชื่อมต่อกับวงจร DC ดังนั้น: ตัวนำไฟฟ้าขนานที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมจะผลักกัน ตัวนำที่ต่อขนานกันจะดึงดูดกัน

31. ผลของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กต่อประจุที่เคลื่อนที่ ลอเรนซ์ ฟอร์ซ.

ลอเรนซ์ ฟอร์ซ - ความแข็งแกร่งซึ่งด้วย สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ตามแบบคลาสสิก (ไม่ใช่ควอนตัม) ไฟฟ้ากระแส ดำเนินการต่อไป จุด เรียกเก็บเงิน อนุภาค. บางครั้งแรงลอเรนซ์เรียกว่าแรงที่กระทำต่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ค่าใช้จ่าย จากภายนอกเท่านั้น สนามแม่เหล็กมักจะเต็มแรง - จากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทั่วไป กล่าวอีกนัยหนึ่งจากภายนอก ไฟฟ้า และ แม่เหล็ก สาขา

32. ผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อสสาร Dia-, para- และเฟอร์โรแมกเนติก ฮิสเทรีซิสแม่เหล็ก

บี= บี 0 + บี 1

ที่ไหน บี⃗ บี→ - การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสสาร บี⃗ 0 บี→0 - การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสุญญากาศ บี⃗ 1 บี→1 - การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามที่เกิดขึ้นเนื่องจากการดึงดูดของสาร

สารที่ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กน้อยกว่าเอกภาพเล็กน้อย (μ< 1), называются วัสดุแม่เหล็กมากกว่าความสามัคคีเล็กน้อย (μ > 1) - พาราแมกเนติก.

แม่เหล็กเฟอร์โรแมกเน็ต - สารหรือวัตถุที่มีการสังเกตปรากฏการณ์ แม่เหล็กไฟฟ้ากล่าวคือ การปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิกูรี

แม่เหล็ก ฮิสเทรีซีส - ปรากฏการณ์ การพึ่งพา เวกเตอร์ การทำให้เป็นแม่เหล็ก และ เวกเตอร์ ความแรงของแม่เหล็ก สาขา วี สาร ไม่ เท่านั้น จาก ที่แนบมา ภายนอก สาขา, แต่ และ จาก พื้นหลัง ของตัวอย่างนี้