Champ magnétique de la bobine conductrice de courant

Si un champ électrostatique existe dans l'espace autour des charges électriques stationnaires, alors dans l'espace autour des charges mobiles (ainsi qu'autour des champs électriques variables dans le temps proposés à l'origine par Maxwell), il existe champ magnétique… C'est facile à observer expérimentalement.

Grâce au champ magnétique, les courants électriques interagissent entre eux, ainsi que les aimants permanents et les courants avec aimants. Par rapport à l'interaction électrique, l'interaction magnétique est beaucoup plus forte. Cette interaction a été étudiée en temps voulu par André-Marie Ampère.

En physique, la caractéristique du champ magnétique est induction magnétique B et plus il est grand, plus le champ magnétique est fort. L'induction magnétique B est une quantité vectorielle, sa direction coïncide avec la direction de la force agissant sur le pôle nord d'une flèche magnétique conventionnelle placée à un certain point du champ magnétique - le champ magnétique orientera la flèche magnétique dans la direction du vecteur B , c'est-à-dire dans la direction du champ magnétique .

Le vecteur B en tout point de la ligne d'induction magnétique lui est dirigé tangentiellement. C'est-à-dire que l'induction B caractérise l'effet de force du champ magnétique sur le courant. Un rôle similaire est joué par la force E pour le champ électrique, qui caractérise l'action forte du champ électrique sur la charge.

L'expérience la plus simple avec de la limaille de fer vous permet de démontrer clairement le phénomène de l'action d'un champ magnétique sur un objet magnétisé, car dans un champ magnétique constant, de petits morceaux d'un ferromagnétique (ces morceaux sont de la limaille de fer) sont magnétisés le long du champ , magnétique flèches, comme de petites flèches de boussole.

Si vous prenez un fil de cuivre vertical et le faites passer à travers un trou dans une feuille de papier placée horizontalement (ou du plexiglas ou du contreplaqué), puis versez de la limaille de métal sur la feuille, secouez-le un peu, puis faites passer un courant continu à travers le fil, il est facile de voir comment la limaille va se disposer en forme de vortex en cercles autour du fil, dans un plan perpendiculaire au courant qui y circule.

Ces cercles de sciure de bois seront simplement une représentation conventionnelle des lignes d'induction magnétique B du champ magnétique d'un conducteur porteur de courant. Le centre des cercles de cette expérience sera situé exactement au centre, le long de l'axe du fil conducteur de courant.

La direction des vecteurs d'induction magnétique dans un fil conducteur de courant est facile à déterminer par la règle de la vrille soit selon la règle de la vis à droite : avec le mouvement de translation de l'axe de la vis dans le sens du courant dans le fil, le sens de rotation de la vis ou de la manivelle (vissage ou dévissage) indiquera le sens de la champ magnétique autour du courant.

Pourquoi la règle du cardan est-elle appliquée ? Parce que le travail du rotor (désigné dans la théorie des champs par désintégration) utilisé dans deux équations de Maxwell peut être écrit formellement comme un produit vectoriel (avec l'opérateur nabla) et surtout parce que le rotor d'un champ vectoriel peut être assimilé à ( est un analogie) à la vitesse angulaire de rotation du fluide idéal (tel qu'imaginé par Maxwell lui-même), dont le champ de vitesse d'écoulement représente un champ vectoriel donné, peut être utilisé pour le rotor par ces formulations de règles qui sont décrites pour la vitesse angulaire .

Ainsi, si vous tournez le pouce dans la direction du vortex du champ vectoriel, il se vissera dans la direction du vecteur rotor de ce champ.

Comme vous pouvez le voir, contrairement aux lignes d'intensité de champ électrostatique, qui sont ouvertes dans l'espace, les lignes d'induction magnétique entourant le courant électrique sont fermées. Si les lignes d'intensité électrique E commencent par des charges positives et se terminent par des charges négatives, alors les lignes d'induction magnétique B se referment simplement autour du courant qui les génère.

Compliquons maintenant l'expérience. Considérez au lieu d'un fil droit avec du courant, un coude avec du courant. Supposons qu'il nous soit commode de positionner une telle boucle perpendiculairement au plan du dessin, avec le courant dirigé vers nous à gauche et à droite de nous. Si maintenant une boussole avec une aiguille magnétique est placée à l'intérieur de la boucle de courant, l'aiguille magnétique indiquera la direction des lignes d'induction magnétique - elles seront dirigées le long de l'axe de la boucle.

Pourquoi? Puisque les côtés opposés du plan de la bobine seront analogues aux pôles de l'aiguille magnétique.Là où les lignes B partent est le pôle nord magnétique, où elles entrent dans le pôle sud. Ceci est facile à comprendre si vous considérez d'abord un fil conducteur de courant et son champ magnétique, puis enroulez simplement le fil en anneau.

Pour déterminer le sens de l'induction magnétique d'une boucle avec un courant, ils utilisent également la règle du cardan ou la règle de la vis à droite. Placez la pointe du cardan au centre de la boucle et faites-la tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. Le mouvement de translation du cardan coïncidera en direction avec le vecteur d'induction magnétique B au centre de la boucle.

De toute évidence, la direction du champ magnétique du courant est liée à la direction du courant dans le fil, qu'il s'agisse d'un fil droit ou d'une bobine.

Il est généralement admis que le côté de la bobine ou de la bobine conductrice de courant où les lignes d'induction magnétique B sortent (la direction du vecteur B est vers l'extérieur) est le pôle nord magnétique et où les lignes entrent (le vecteur B est dirigé vers l'intérieur) est le pôle magnétique sud.

Si de nombreuses spires avec courant forment une longue bobine - un solénoïde (la longueur de la bobine est plusieurs fois son diamètre), alors le champ magnétique à l'intérieur est uniforme, c'est-à-dire que les lignes d'induction magnétique B sont parallèles les unes aux autres et ont la même densité sur toute la longueur de la bobine. Incidemment, le champ magnétique d'un aimant permanent est extérieurement similaire au champ magnétique d'une bobine conductrice de courant.

Pour une bobine de courant I, de longueur l, de nombre de spires N, l'induction magnétique dans le vide sera numériquement égale à :

Ainsi, le champ magnétique à l'intérieur de la bobine avec le courant est uniforme et dirigé du pôle sud vers le pôle nord (à l'intérieur de la bobine !). L'induction magnétique à l'intérieur de la bobine est modulo proportionnelle au nombre d'ampères-tours par unité de longueur de la bobine conductrice de courant.