1.Pole Magnetyczne

Powstawanie pola magnetycznego

Pole ta­kie powstaje w otoczeniu magnesów trwałych oraz przewodników, przez które płynie prąd stały w czasie.

Pole magnetyczne stacjonarne, podob­nie jak pole elektrostatyczne, charak­teryzuje się tym, że do jego podtrzyma­nia nie jest wymagane dostarczanie ener­gii. Energia jest potrzebna tylko do wytworzenia tego pola.

Cechą wyróżniającą pole magnetyczne spośród innych rodzajów pól jest to, że na poruszające się w tym polu ładunki elektryczne działa siła. Ponadto w prze­wodniku poruszającym się w polu mag­netycznym indukuje się napięcie elekt­ryczne. Wreszcie pod wpływem działania pola magnetycznego, niektóre materiały zmieniają swoje własności.

Badaniem obrazu pola magnetycznego i wykrywaniem jego kierunku za pomo­cą igły magnetycznej zajmuje się fizyka. Nie będziemy tych doświadczeń powta­rzać. Przypomnimy tylko, że podobnie jak w polu elektrycznym, posługujemy się pojęciem linii pola magnetycznego. wyznaczonej położeniem igły magne­tycznej wprowadzonej do obszaru, w którym istnieje pole. Zbiór linii pola magnetycznego tworzy obraz pola ma­gnetycznego. Przedstawimy kilka naj­bardziej typowych obrazów pola mag­netycznego. Linie pola magnetycznego w otoczeniu przewodu prostoliniowe­go, przez który płynie prąd elektryczny tworzą okręgi koncentryczne z osią przewodu, leżące w płaszczyźnie pros­topadłej do przewodu (rys.1).

Rys1 Obraz pola magnetycznego w otoczeniu przewodu prostoliniowego, przez który przepływa prąd

Jeżeli prąd jest zwrócony do płaszczyzny ry­sunku, to na przekroju przewodu sta­wiamy krzyżyk, jeśli prąd zwrócony jest od płaszczyzny rysunku do obserwato­ra, stawiamy kropkę. Kierunek linii pola magnetycznego wy­znaczamy za pomocą reguły śruby pra­woskrętnej (zwanej też regułą korkocią­gu):

jeżeli kierunek ruchu postępowego śru­by prostokątnej jest zgodny z kierun­kiem prądu płynącego przez przewód, to kierunek ruchu obrotowego śruby wska­zuje kierunek linii pola magnetycznego. Doświadczalnie stwierdzono, że linie pola magnetycznego są zawsze liniami zamkniętymi (ciągłymi). Linia pola ma­gnetycznego nie ma swego początku ani końca. Obraz pola magnetycznego magnesu trwałego przedstawiono na rys. 2.

Rys 2. Obraz pola magnetycznego magnesu trwałego.

Duże znaczenie praktyczne ma znajomość obrazu pola magnetycznego cewki cylindrycznej, zwanej też solenoi­dem.

Na rys. 3 przedstawiono cewkę cylin­dryczną nawiniętą jednowarstwowo. Krzyżykami i kropkami oznaczono zwroty prądu elektrycznego w przekro­jach zwojów cewki. Obraz pola mag­netycznego cewki cylindrycznej jest po­dobny do obrazu pola magnetycznego magnesu trwałego z rys. 2.

Rys 3 Obraz pola magnetycznego cewki cylindrycznej

Zwrot linii pola solenoidu można wyznaczyć albo regułą śruby prawoskrętnej, albo regułą prawej dłoni. W solenoidzie śruba pra­woskrętna (lub korkociąg) obracana zgodnie ze zwrotem prądu wyznacza swoim posuwem (zwrotem ruchu po­

stępowego) zwrot linii pola magnetycz­nego, niezależnie od sposobu nawijania zwojów (od lewej do prawej czy od prawej do lewej).

Rys 4 Reguła prawej dłoni.

Regułę prawej dłoni stosujemy nastę­pująco: jeżeli prawą rękę położymy na solenoi­dzie tak, aby cztery palce obejmowały solenoid i były zwrócone zgodnie ze zwrotem prądu, to odchylony kciuk wskazuje zwrot linii pola wewnątrz so­lenoidu (rys.4).

Siła działająca na przewód z prądem umieszczonyw polu magnetycznym. Indukcja magnetyczna

Rozpatrzmy przewód z prądem stałym I umieszczony w polu magnetycznym. Długość przewodu oznaczymy przez 1, przy czym jest to tak zwana długość czynna, czyli taka część przewodu, którą przecinają linie pola magnetycznego rys.5.

Rys 5. Siła działająca na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym.

Jak już stwierdziliśmy cechą charakterystyczną pola magnetycznego jest działanie siły na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Doświadczalnie stwierdzono, że siła:

F= B I l (1.1)

Wielkość B występującą we wzorze nazywamy indukcją magnetyczną. Jest to podstawowa wielkość charak­teryzująca pole magnetyczne. Mówimy, że indukcja magnetyczna określa inten­sywność pola. Im bowiem większa ,jest wartość B, tym większa siła F działa na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową. Zwrot wektora indukcji magnetycznej jest zgodny ze zwrotem linii pola magnetycznego. Jednostką indukcji magnetycznej jest 1 tesla (1T).

Na podstawie równania (1.1) dla wiel­kości fizycznych możemy napisać rów­nanie dla jednostek tych wielkości i wy­znaczyć jednostkę indukcji - teslę.

Jak wynika z przedstawionego równa­nia- tesla jest to weber na metr kwad­ratowy. przy czym weber (Wb) jest to iloczyn wolta i sekundy. (Weber jest jednostką strumienia magnetycznego). Wróćmy jeszcze do wzoru (1.1). Wzór ten jest słuszny tylko wów­czas, gdy kierunek pola magnetycznego jest prostopadły do kierunku przewo­du, przez który przepływa prąd. Wów­czas kierunek siły jest również prosto­padły do kierunku pola magnetyczne­go. Wzajemną zależność tych kierun­ków można interpretować przez trzy wektory :

w przestrzeni.

Reguła lewej dłoni.