Campo magnético da bobina condutora de corrente

Se existe um campo eletrostático no espaço em torno de cargas elétricas estacionárias, então no espaço em torno de cargas em movimento (bem como em torno dos campos elétricos variantes no tempo originalmente propostos por Maxwell) existe campo magnético… Isso é fácil de observar experimentalmente.

Graças ao campo magnético, as correntes elétricas interagem entre si, assim como ímãs permanentes e correntes com ímãs. Em comparação com a interação elétrica, a interação magnética é muito mais forte. Essa interação foi estudada oportunamente por André-Marie Ampère.

Na física, a característica do campo magnético é indução magnética B e quanto maior for, mais forte será o campo magnético. A indução magnética B é uma grandeza vetorial, sua direção coincide com a direção da força que atua no polo norte de uma flecha magnética convencional colocada em algum ponto do campo magnético — o campo magnético orientará a flecha magnética na direção do vetor B , ou seja, na direção do campo magnético .

O vetor B em qualquer ponto da linha de indução magnética é direcionado a ele tangencialmente. Ou seja, a indução B caracteriza o efeito da força do campo magnético sobre a corrente. Um papel semelhante é desempenhado pela força E para o campo elétrico, que caracteriza a forte ação do campo elétrico sobre a carga.

O experimento mais simples com limalhas de ferro permite demonstrar claramente o fenômeno da ação de um campo magnético sobre um objeto magnetizado, pois em um campo magnético constante, pequenos pedaços de um ferroímã (esses pedaços são limalhas de ferro) são magnetizados ao longo do campo , magnético flechas, como pequenas flechas de bússola.

Se você pegar um fio de cobre vertical e passá-lo por um orifício em uma folha de papel colocada horizontalmente (ou Plexiglas ou madeira compensada) e, em seguida, derramar limalha de metal na folha, agite-a um pouco e, em seguida, passe uma corrente contínua pelo fio, é fácil ver como as limalhas vão se dispor em forma de vórtice em círculos ao redor do fio, em um plano perpendicular à corrente nele.

Esses círculos de serragem serão simplesmente uma representação convencional das linhas de indução magnética B do campo magnético de um condutor de corrente. O centro dos círculos neste experimento estará localizado exatamente no centro, ao longo do eixo do fio condutor de corrente.

A direção dos vetores de indução magnética em um fio condutor de corrente é fácil de determinar pela regra do gimlet ou de acordo com a regra do parafuso à direita: com o movimento de translação do eixo do parafuso na direção da corrente no fio, o sentido de rotação do parafuso ou alça do gimbal (enroscar para dentro ou para fora) indicará a direção do campo magnético em torno da corrente.

Por que a regra do gimbal é aplicada? Como o trabalho do rotor (denotado na teoria de campo por decaimento) usado em duas equações de Maxwell pode ser escrito formalmente como um produto vetorial (com o operador nabla) e, mais importante, porque o rotor de um campo vetorial pode ser comparado a ( é um analogia) à velocidade angular de rotação do fluido ideal (como imaginado pelo próprio Maxwell), cujo campo de velocidade de fluxo representa um dado campo vetorial, pode ser usado para o rotor por essas formulações de regras que são descritas para a velocidade angular .

Assim, se você girar o polegar na direção do vórtice do campo vetorial, ele irá parafusar na direção do vetor do rotor desse campo.

Como você pode ver, ao contrário das linhas de intensidade do campo eletrostático, que são abertas no espaço, as linhas de indução magnética ao redor da corrente elétrica são fechadas. Se as linhas de intensidade elétrica E começam com cargas positivas e terminam com cargas negativas, então as linhas de indução magnética B simplesmente se fecham em torno da corrente que as gera.

Agora vamos complicar o experimento. Considere, em vez de um fio reto com corrente, uma curva com corrente. Suponha que seja conveniente para nós posicionar tal loop perpendicular ao plano do desenho, com a corrente direcionada para nós à esquerda e à direita de nós. Se agora uma bússola com uma agulha magnética for colocada dentro do loop de corrente, a agulha magnética indicará a direção das linhas de indução magnética - elas serão direcionadas ao longo do eixo do loop.

Por que? Uma vez que os lados opostos do plano da bobina serão análogos aos pólos da agulha magnética.Onde as linhas B saem é o pólo magnético norte, onde entram no pólo sul. Isso é fácil de entender se você primeiro considerar um fio condutor de corrente e seu campo magnético e, em seguida, simplesmente enrolar o fio em um anel.

Para determinar a direção da indução magnética de um loop com uma corrente, eles também usam a regra do gimbal ou a regra do parafuso à direita. Coloque a ponta do gimbal no centro do loop e gire-o no sentido horário. O movimento translacional do gimbal coincidirá na direção com o vetor de indução magnética B no centro do loop.

Obviamente, a direção do campo magnético da corrente está relacionada à direção da corrente no fio, seja ele um fio reto ou uma bobina.

É geralmente aceito que o lado da bobina condutora de corrente ou bobina onde as linhas de indução magnética B saem (direção do vetor B é para fora) é o pólo norte magnético e onde as linhas entram (vetor B é direcionado para dentro) é o pólo sul magnético.

Se muitas voltas com corrente formam uma longa bobina - um solenóide (o comprimento da bobina é muitas vezes seu diâmetro), então o campo magnético dentro dela é uniforme, ou seja, as linhas de indução magnética B são paralelas umas às outras e têm a mesma densidade ao longo de todo o comprimento da bobina. A propósito, o campo magnético de um imã permanente é externamente semelhante ao campo magnético de uma bobina condutora de corrente.

Para uma bobina com corrente I, comprimento l, com o número de voltas N, a indução magnética no vácuo será numericamente igual a:

Assim, o campo magnético dentro da bobina com a corrente é uniforme e direcionado do pólo sul ao pólo norte (dentro da bobina!). A indução magnética dentro da bobina é módulo proporcional ao número de ampères-voltas por unidade de comprimento da bobina de transporte de corrente.