Magneettikentät virroista
Liikkuva sähkövaraus luo ympärilleen magneettikentän, joten jokainen virran kantava johdin on ympäröity ympyränmuotoisilla magneettikenttäviivoilla. Jos taivutat tuon johtimen kelaksi, kunkin silmukan kenttäviivat summautuvat sisällä yhdeksi vahvaksi, tasaiseksi kentäksi, joka kulkee kelan pituudelta. Pakkaa sisään enemmän kierroksia johtoa tai työnnä sen läpi enemmän virtaa, ja sisällä oleva kenttä vahvistuu.
Kaava
B = μ₀ · N · I / L
- B — magneettikenttä (T): magneettikentän voimakkuus kelan sisällä
- μ₀ — tyhjiön permeabiliteetti (T·m/A): kiinteä vakio, joka määrää, kuinka voimakkaasti virta tuottaa magneettikentän
- N — kierrosten määrä (turns): kuinka monta johtosilmukkaa muodostaa kelan
- I — virta (A): kuinka paljon varausta kulkee johtimen läpi joka sekunti
- L — pituus (m): kelan pituus, jonka yli kierrokset on käämitty
Ratkaistu esimerkki
Kelalla (solenoidilla) on 500 kierrosta johtoa käämittyneenä 0.5 metrin pituudelle, kantaen 2 ampeerin virran. Mikä magneettikentän voimakkuus sisällä on?
- N = 500 kierrosta
- I = 2 A
- L = 0.5 m
- B = μ₀ · N · I / L
- B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A) · 500 · 2 A / 0.5 m
B = 8π × 10⁻⁴ T
Testaa itseäsi
Solenoidissa on nyt 1000 kierrosta arvon 500 sijaan, samalla virralla ja pituudella. Mitä magneettikentälle sisällä tapahtuu?
- Oikea vastaus: Se kaksinkertaistuu arvoon 16π × 10⁻⁴ T
- Se puolitetaan arvoon 4π × 10⁻⁴ T
- Se pysyy samana arvossa 8π × 10⁻⁴ T
Oikein! B on verrannollinen N:ään, joten kierrosten kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa kentän: 4π×10⁻⁷ × 1000 × 2 A / 0.5 m = 16π × 10⁻⁴ T.
Yhden suoran virran kantavan johtimen ympärillä, ilman kelaa, minkä muodon magneettikenttäviivat muodostavat?
- Tasaisen kentän, kuten kelan sisällä
- Suorat viivat, jotka kulkevat johtimen suuntaisesti
- Oikea vastaus: Ympyrät, jotka kiertyvät johtimen ympäri
Täsmälleen – suora virran kantava johdin on ympäröity ympyränmuotoisilla magneettikentänsilmukoilla, oikean käden säännön mukaisesti.
Missä tätä näkee
Romuttamon nosturi pudottaa johtokelan, kytkee virran päälle ja nostaa auton – kytke virta pois ja auto putoaa. Ei magnetismia ilman virtaa, täysi magnetismia pyynnöstä: ovikellot, MRI-laitteet ja romuttamon nosturit ovat kaikki sama laite, solenoidi, jonka kenttää komennat kytkimellä.
Yleiset virheet
Ensinnäkin kentän muoto: suoran johtimen ympärillä kenttäviivat muodostavat ympyröitä, jotka kiertyvät johtimen ympäri – ei suoria viivoja, ei tasaista kenttää; vahva tasainen kenttä ilmestyy vain kelan sisälle. Toiseksi skaalaus: B = μ₀ · N · I / L kasvaa kierrosten ja virran kanssa, joten siirtyminen arvosta 500 arvoon 1000 kierrosta samalla virralla kaksinkertaistaa täsmälleen sisällä olevan kentän. Virta luo kentän – rautasydän vain keskittää sen.
Miten tämä kytkeytyy
Tämä on sähkömagnetismin moduulin kääntöpiste sähköstä magnetismiin: Coulombin laki ja kapasitanssi koskivat lepotilassa olevia varauksia, ja täällä liikkuva varaus – virta – sekoittaa kentän ympärilleen. Lorentz-voima, seuraavaksi, sulkee silmukan: ne kentät työntävät takaisin mihin tahansa muuhun liikkuvaan varaukseen, joka harhautuu läpi.