Pole magnetyczne wewnątrz solenoidu
1 · Prognoza
Solenoid (ciasno nawinięta cewka) niesie prąd przez swoje liczne zwoje. Jeśli zwiększysz prąd, czy natężenie pola wewnątrz skaluje się wprost proporcjonalnie?
- Pole rośnie szybciej niż prąd, bo wkłady zwojów się kumulują.
- Tak — pole wewnątrz jest wprost proporcjonalne do prądu.
- Pole wewnątrz nie zależy od prądu.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset pola solenoidu i naciśnij Reset. Solenoid ma 400 zwojów na długości 0.45 m.
- Włącz odczyt natężenia pola wewnątrz.
- Ustaw prąd cewki dla każdej próby i zapisz natężenie pola wewnątrz.
3 · Zbieranie danych
| Prąd cewki I (A) | Pole wewnętrzne B (mT) |
|---|---|
| 1.00 | |
| 2.00 | |
| 3.00 |
Narysuj natężenie B (oś y) względem prądu I (oś x) dla trzech prób. Czy prosta przechodzi przez początek układu?
4 · Analiza
- Dla jednej próby oblicz B = μ₀NI/L, używając μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m; N = 400; L = 0.45 m. Porównaj z tabelą.
- Wyjaśnij, dlaczego pole wewnętrzne zależy od liczby zwojów na jednostkę długości (N/L), a nie od zwojów i długości osobno — dłuższy solenoid z proporcjonalnie większą liczbą zwojów daje to samo pole.
5 · Rozszerzenie
- Elektromagnes (jak w żurawiu złomowiskowym) to zasadniczo solenoid nawinięty na rdzeń żelazny, który może pomnożyć pole o setki lub tysiące razy (wysoka przenikalność rdzenia). Wyjaśnij, dlaczego zwykły solenoid ze rdzeniem powietrznym jak ten wytwarza dużo słabsze pole przy tym samym prądzie i zwojach.
- Na zewnątrz idealnego solenoidu pole magnetyczne jest bliskie zeru, w przeciwieństwie do pola pojedynczego przewodu, które rozciąga się na zewnątrz. Wyjaśnij, z pól wielu pojedynczych zwojów, dlaczego pola z przeciwnych stron cewki w dużej mierze znoszą się na zewnątrz, a wzmacniają wewnątrz.
Fizyka tego eksperymentu
Pole wewnętrzne solenoidu
Długi, ciasno nawinięty solenoid wytwarza wewnątrz niemal jednorodne pole magnetyczne ustalone przez gęstość zwojów i prąd: B = μ₀NI/L, gdzie N to całkowita liczba zwojów, a L długość solenoidu.