전류가 흐르는 전선의 자기장

1 · 예측

직선 도선은 일정한 전류를 전달합니다. 테스트 포인트를 와이어에서 더 멀리 이동시키면 전하의 필드와 마찬가지로 자기장의 강도도 떨어지나요?

• 예. 이는 포인트 요금과 동일한 단순한 1/r² 감소입니다.
• 필드는 와이어로부터의 거리에 의존하지 않습니다.
• 아니오 — 전류가 흐르는 도선의 전기장은 점전하와 다르게 감소합니다. 전류는 점원이 아니라 확장된(선) 원천이기 때문입니다.

2 · 설정

1. wire-field 사전 설정을 열고 재설정을 누릅니다. 와이어는 4.8m 세그먼트에 걸쳐 8A의 고정 전류를 전달합니다.
2. 자기장 세기 표시를 활성화하세요.
3. 각 시행마다 와이어의 중간점으로부터 수직 거리를 설정하고 전계 강도를 기록합니다.

3 · 데이터 수집

세 번의 시행에 대해 |B_z|(y축)를 1/d(x축)에 대해 그래프로 그리세요. 1/d²에 대해 그린 것보다 더 직선에 가까워 보입니까?

4 · 분석

1. 한 번의 시행에 대해 |B|를 계산합니다. = μ₀|I|L_half/(2πd√(L_half² + d²)), μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m, I = 8A, L_half = 2.4m를 사용합니다. 표와 비교해 보세요.
2. 이 공식의 형태를 line-charge 실험의 전기장 공식과 비교하세요. 유한한 대전 막대와 유한한 전류가 흐르는 도선이 왜 같은 종류의 거리 의존성을 갖는 전기장을 만드는지 — 도선 가까이에서는 1/d에 가깝고, 멀리서는 1/d²에 가깝다는 것을 — 설명하세요.

5 · 확장

1. 이상화된 무한 도선의 경우, 전기장은 고전적인 B = μ₀I/(2πd)로 단순화됩니다 — 깔끔한 1/d 감소입니다. 이 도선의 길이 4.8 m와 비교해 어느 정도의 거리에서 이 실험의 유한 도선 공식이 그 무한 도선 근사와 가깝게 일치할 것으로 예상됩니까?
2. 전류가 흐르는 도선 근처에 놓인 나침반 바늘은 도선의 자기장에 맞춰 정렬되도록 편향됩니다. 오른손 법칙을 이용해, 전기장이 하는 것처럼 방사형으로 바깥을 향하지 않고 자기장이 왜 도선을 감싸며 돌아가는지 설명하세요.

이 실험의 물리학

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