Magnetsko polje zavojnice kojom teče struja
Ako elektrostatsko polje postoji u prostoru oko stacionarnih električnih naboja, tada u prostoru oko pokretnih naboja (kao i oko vremenski promjenjivih električnih polja koje je izvorno predložio Maxwell) postoji magnetsko polje… Ovo je lako eksperimentalno uočiti.
Zahvaljujući magnetskom polju, električne struje međusobno djeluju, kao i trajni magneti i struje s magnetima. U usporedbi s električnom interakcijom, magnetska interakcija je mnogo jača. Tu je interakciju svojedobno proučavao André-Marie Ampère.
U fizici je karakteristika magnetskog polja magnetska indukcija B i što je veće, to je magnetsko polje jače. Magnetska indukcija B je vektorska veličina, njen smjer se podudara sa smjerom sile koja djeluje na sjeverni pol konvencionalne magnetske strelice postavljene na nekoj točki u magnetskom polju — magnetsko polje će orijentirati magnetsku strelicu u smjeru vektora B , odnosno u smjeru magnetskog polja .
Vektor B u bilo kojoj točki linije magnetske indukcije usmjeren je na nju tangencijalno. Odnosno, indukcija B karakterizira učinak sile magnetskog polja na struju. Sličnu ulogu ima i sila E za električno polje, koja karakterizira jako djelovanje električnog polja na naboj.
Najjednostavniji eksperiment sa željeznim strugotinama omogućuje vam da jasno pokažete fenomen djelovanja magnetskog polja na magnetizirani objekt, jer su u konstantnom magnetskom polju mali komadi feromagneta (takvi komadi su željezne strugotine) magnetizirani duž polja , magnetski strelice, poput malih strelica kompasa.
Ako uzmete okomitu bakrenu žicu i provučete je kroz rupu u vodoravno postavljenom listu papira (ili pleksiglasu ili šperploči), a zatim na lim izlijete metalne strugotine, malo ga protresete i zatim pustite istosmjernu struju kroz žicu, lako je vidjeti kako će se strugotine posložiti u obliku vrtloga u krugovima oko žice, u ravnini okomitoj na struju u njoj.
Ovi krugovi od piljevine bit će jednostavno konvencionalni prikaz linija magnetske indukcije B magnetskog polja vodiča s strujom. Središte krugova u ovom eksperimentu nalazit će se točno u središtu, duž osi žice kojom teče struja.
Smjer vektora magnetske indukcije u žici kojom teče struja lako je odrediti po pravilu gimleta ili prema pravilu desnog vijka: s translatornim kretanjem osi vijka u smjeru struje u žici, smjer vrtnje vijka ili kardanske ručke (uvrtanje ili izvlačenje) pokazat će smjer magnetsko polje oko struje.
Zašto se primjenjuje pravilo gimbala? Zato što se rad rotora (označenog u teoriji polja opadanjem) koji se koristi u dvije Maxwellove jednadžbe može formalno napisati kao vektorski produkt (s operatorom nabla) i što je najvažnije zato što se rotor vektorskog polja može usporediti s ( je analogija) na kutnu brzinu rotacije idealnog fluida (kako je zamislio sam Maxwell), čije polje brzine protoka predstavlja dano vektorsko polje, može se koristiti za rotor ovim formulacijama pravila koja su opisana za kutnu brzinu.
Dakle, okrenete li palac u smjeru vrtloga vektorskog polja, zavrtit će se u smjeru vektora rotora tog polja.
Kao što vidite, za razliku od linija intenziteta elektrostatskog polja, koje su otvorene u prostoru, linije magnetske indukcije koje okružuju električnu struju su zatvorene. Ako linije električnog intenziteta E počinju pozitivnim nabojem, a završavaju negativnim nabojem, tada se linije magnetske indukcije B jednostavno zatvaraju oko struje koja ih stvara.
Sada zakomplicirajmo eksperiment. Razmotrite umjesto ravne žice s strujom, zavoj s strujom. Pretpostavimo da nam je zgodno postaviti takvu petlju okomito na ravninu crteža, sa strujom usmjerenom prema nama s lijeve strane, a s desne strane od nas. Ako se sada kompas s magnetskom iglom postavi unutar strujne petlje, tada će magnetska igla pokazati smjer linija magnetske indukcije - one će biti usmjerene duž osi petlje.
Zašto? Budući da će suprotne strane ravnine zavojnice biti analogne polovima magnetske igle.Tamo gdje linije B izlaze je sjeverni magnetski pol, gdje ulaze u južni pol. To je lako razumjeti ako prvo razmotrite žicu kojom teče struja i njeno magnetsko polje, a zatim jednostavno namotate žicu u prsten.
Za određivanje smjera magnetske indukcije petlje s strujom koriste se i pravilo kardana ili pravilo desnog vijka. Postavite vrh gimbala u središte petlje i zakrenite ga u smjeru kazaljke na satu. Translatorno kretanje gimbala će se podudarati u smjeru s vektorom magnetske indukcije B u središtu petlje.
Očito, smjer magnetskog polja struje povezan je sa smjerom struje u žici, bila ona ravna žica ili zavojnica.
Općenito je prihvaćeno da je strana zavojnice kojom teče struja ili zavojnice gdje izlaze linije magnetske indukcije B (smjer vektora B prema van) sjeverni magnetski pol, a gdje linije ulaze (vektor B je usmjeren prema unutra) južni magnetski pol.
Ako mnogo zavoja sa strujom tvori dugu zavojnicu - solenoid (duljina zavojnice je mnogo puta veća od njegovog promjera), tada je magnetsko polje unutar nje jednoliko, odnosno linije magnetske indukcije B međusobno su paralelne i imaju iste gustoće cijelom dužinom zavojnice. Usput, magnetsko polje trajnog magneta izvana je slično magnetskom polju zavojnice kojom teče struja.
Za zavojnicu sa strujom I, duljine l, s brojem zavoja N, magnetska indukcija u vakuumu bit će brojčano jednaka:
Dakle, magnetsko polje unutar zavojnice sa strujom je jednoliko i usmjereno od južnog pola prema sjevernom polu (unutar zavojnice!). Magnetska indukcija unutar zavojnice je modulo proporcionalna broju amper-zavoja po jedinici duljine zavojnice kojom teče struja.