Warto przeczytać

Przypomnijmy: pole magnetycznePole magnetycznepole magnetyczne to stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni. Wielkością charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B}$, przypisany każdemu punktowi przestrzeni. Wartość wektora $\overrightarrow{B}$ jest miarą „siły” pola. Wektory indukcji $\overrightarrow{B}$ są styczne do linii pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegolinii pola magnetycznego.

Jak było powiedziane, łatwo można wizualizować linie pola magnetycznego za pomocą żelaznych opiłków. Pod wpływem pola magnetycznego wytworzonego przez źródło, opiłki ulegają namagnesowaniu – same stają się małymi magnesikami i obracają się, ustawiając się wzdłuż linii pola magnetycznego.

Jaki kształt ma zatem pole magnetyczne wytworzone przez przewodnik?

Okazuje się, że sprawa nie jest banalna, bowiem wzór, jaki tworzą linie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem, nie jest za każdym razem taki sam - zależy on od kształtu przestrzennego tego przewodnika. Zobaczmy, jaki obraz dają opiłki w przypadku przewodników o trzech typowych kształtach – prostoliniowego (Rys. 1.), kołowego (Rys. 2.) i tworzącego linię śrubową (solenoid albo zwojnica) – Rys. 3.

RunEZPox397qk

Rys. 1. Na rysunku znajduje się pozioma płaszczyzna, którą przebija pionowy prostoliniowy przewodnik. Na płaszczyźnie rozsypano opiłki żelaza. W pobliżu przewodnika opiłki ułożyły się na okręgach, których środki leżą na przewodniku. W większej odległości od przewodnika okręgi zanikają, a opiłki rozrzucone są bezładnie.

RhMgdPecSbod9

Rys. 2 (górny) Na zdjęciu znajduje się pozioma płaszczyzna z dwoma otworami widziana od góry. Przez otwory przechodzą zwoje solenoidu, tworzące okręgi, leżące w płaszczyźnie pionowej. Połowa każdego okręgu znajduje się nad powierzchnią, a połowa pod powierzchnią. Na zdjęciu solenoid i przewody doprowadzające do niego prąd wyglądają jak pozioma, gruba linia prosta. Na płaszczyźnie rozsypano opiłki żelaza. Opiłki ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Widoczne są linie pola o kształcie współśrodkowych okręgów leżących wokół otworów, przez które przechodzą zwoje solenoidu. Opiłki leżące w większej odległości od uzwojenia rozrzucone są bezładnie.

R1LRmSDGiV1yj

Rys. 2. (dolny) Na rysunku znajduje się pozioma płaszczyzna z dwoma otworami. Przez otwory przechodzą zwoje solenoidu, tworzące okręgi, leżące w płaszczyźnie pionowej. Połowa każdego okręgu znajduje się nad powierzchnią, a połowa pod powierzchnią. Na płaszczyźnie rozsypano opiłki żelaza. Opiłki ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Linia pola przechodząca przez środki zwojów pokrywa się z osią symetrii zwojów. Na prawo i na lewo od środka uzwojenia linie pola wyginają się na zewnątrz. Linie w pobliżu otworów w płaszczyźnie są współśrodkowymi okręgami. Opiłki leżące w większej odległości od uzwojenia rozrzucone są bezładnie.

RPP6E0iVUF8sv

Rys. 3. Na rysunku znajduje się pozioma powierzchnia, przez którą przechodzą uzwojenia solenoidu. Powierzchnia leży w płaszczyźnie symetrii uzwojenia. Na powierzchni rozsypano opiłki żelaza. Wewnątrz solenoidu opiłki układają się wzdłuż linii równoległych do osi solenoidu. Linie wychodzące z otworów solenoidu wyginają się łukowato na zewnątrz. Na zewnątrz solenoidu z dala od jego otworów opiłki rozrzucone są bezładnie.

Przedstawimy teraz linie pola magnetycznego narysowane na podstawie obrazów „opiłkowych”. Zanim to jednak zrobimy, ustalimy zwrot linii pola – opiłki nam tego nie pokazują. Wykorzystamy w tym celu igłę magnetyczną.

Igła magnetyczna to mały, zawieszony na podstawce magnesikMagnes trwałymagnesik (Rys. 4.), który ustawia się zgodnie z liniami pola magnetycznego tak, że biegun północny igiełki magnetycznej zawsze pokazuje zwrot linii pola magnetycznego. Zwykle biegun północny N igły (na przykład w kompasie) jest oznaczony kolorem niebieskim, a biegun południowy czerwonym.

RPQFlLdtGcrGt

Rys. 4. Na rysunku znajduje się igła magnetyczna, czyli zaostrzony z obu stron cienki, poziomy pręcik podparty w środku na pionowym ostrzu. Połowa pręcika pomalowana jest na czerwono, a połowa na niebiesko.

Możemy zatem ustawić igiełki magnetyczne wokół przewodnika z prądem, tak żeby przekonać się, jak skierowane są wektory indukcji i linie pola. Rys. 5. przedstawia efekt takiego eksperymentu.

R1IIHlCQ0nuWR

Rys. 5. Na rysunku znajduje się pozioma płaszczyzna, którą przebija pionowy prostoliniowy przewodnik. Strzałka skierowana pionowo do góry wskazuje kierunek przepływu prądu w przewodniku. Natężenie prądu oznaczono literą wielkie i. Na płaszczyźnie wokół przewodnika ustawiono w równych odległościach 4 igły magnetyczne. Igły ustawiły się stycznie do okręgu o środku znajdującym się na przewodniku. Niebieskie połówki igieł wskazują kierunek zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, gdy patrzymy od dołu wzdłuż przewodnika.

Jak zatem przedstawiają się linie pola magnetycznego wytworzonego przez prostoliniowy przewodnik? Jeśli weźmiemy za źródło naszej wiedzy Rys. 5., to w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika, w którym prąd płynie do góry (jak na Rys. 5.), stworzymy następujący obraz linii pola (zobacz Rys. 6.).

RsISAm2Yk13Rc

Rys. 6. Na rysunku znajduje się pozioma płaszczyzna, którą przebija pionowy prostoliniowy przewodnik. Strzałka skierowana pionowo do góry wskazuje kierunek przepływu prądu w przewodniku. Natężenie prądu oznaczono literą wielkie i. Na płaszczyźnie wokół przewodnika narysowano linie pola magnetycznego w kształcie okręgów o środkach leżących na przewodniku. Strzałki na okręgach wskazują kierunek linii zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, gdy patrzymy od dołu wzdłuż przewodnika.

Linie pola tworzą współśrodkowe okręgi, a zwrot linii łatwo narysować posługując się mnemotechniczną metodą prawej dłoni. Jeśli kciuk pokazuje kierunek prądu w przewodniku, to zagięte pozostałe palce pokazują zwrot linii pola magnetycznego, oplatającego jakby ten prąd. Jednak, w obszarze objętym przewodnikiem, ten sam wynik otrzymamy przykładając prawą dłoń „odwrotnie”: Jeśli zagięte palce pokazują kierunek prądu, wtedy kciuk pokaże zwrot linii pola magnetycznego wewnątrz obwodu kołowego. Tę samą metodę możemy zastosować również do wielu prądów okrężnych, czyli do zwojnicy. Więcej na temat tej metody znajdziesz w e‑materiale: „Reguła prawej dłoni do wyznaczania zwrotu linii pola magnetycznego”.

Na podstawie obrazu opiłkowego możemy oczywiście narysować linie pola dla dwóch jeszcze omawianych tu źródeł pola magnetycznego – obwodu kołowego (Rys. 7, 8) i zwojnicy (Rys. 9.). W obu przypadkach płaszczyzna obrazowania linii jest prostopadła do prądów – jest płaszczyzną symetrii obwodów.

RcyTWpo3nwv8I

Rys. 7. Na rysunku znajduje się obwód kołowy leżący w płaszczyźnie pionowej. Prąd wpływa do obwodu od dołu przewodnikiem leżącym z lewej strony, a wypływa w dół przewodnikiem leżącym z prawej strony. Na poziomej powierzchni, leżącej w płaszczyźnie symetrii obwodu, narysowano linie pola magnetycznego. Linia przechodząca przez środek obwodu jest linią prostą prostopadłą do płaszczyzny obwodu i skierowaną za tę płaszczyznę. Linie leżące na lewo i na prawo od linii środkowej wyginają się na zewnątrz. W pobliżu punktów przecięcia powierzchni przez obwód linie są okręgami i środkach leżących na tych punktach. Wszystkie linie pola wewnątrz obwodu skierowane są za płaszczyznę obwodu.

R1HbCMscsjQ8r

Rys. 8. Na rysunku znajduje się kołowa pętla z prądem leżąca w płaszczyźnie poziomej. Strzałka wskazująca kierunek przepływu prądu w przewodniku skierowana jest zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, gdy patrzymy od dołu. Natężenie prądu oznaczono literą wielkie i, a wartość indukcji magnetycznej literą wielkie B. W płaszczyźnie pionowej przechodzącej przez środek pętli narysowano linie pola magnetycznego. Linia przechodząca przez środek obwodu jest pionową linią prostą skierowaną do góry. Linie leżące na lewo i na prawo od linii środkowej wyginają się na zewnątrz. W pobliżu punktów przecięcia powierzchni przez pętlę linie są elipsami rozciągniętymi na zewnątrz.

R1R7V8a9Pj4D9

Rys. 9. Na rysunku znajduje się zwojnica z prądem o poziomej osi symetrii. Zwoje przebijają powierzchnię rysunku w równoodległych punktach leżących na dwóch poziomych liniach prostych. Na górnej linii punkty przebicia powierzchni zaznaczone są jako kółeczka z kropkami, co oznacza, że prąd płynie przed powierzchnię. Na dolnej linii punkty przebicia powierzchni zaznaczone są jako kółeczka z krzyżykami, co oznacza, że prąd płynie za powierzchnię. Na powierzchni narysowano linie pola magnetycznego. Linie przechodzące w pobliżu osi symetrii zwojnicy są poziomymi liniami prostymi skierowanymi w lewo. Linie leżące bliżej brzegów zwojnicy wyginają się na zewnątrz. Wokół punktów przebicia powierzchni przez zwoje linie pola maja kształt okręgów o środkach leżących w tych punktach.

Zauważ, że pole magnetyczne zwojnicy (na Rys. 9. pięciu zwojów) jest jakby sumą pól pięciu pojedynczych prądów kołowych. Ten sam wniosek można wyprowadzić patrząc na zdjęcia obrazów opiłkowych (Rys. 2. i 3.).

Niekiedy stosuje się nieco inną, mniej znaną metodą, która pozwala określić kierunek linii sił pola. Tym razem zwrot linii pola magnetycznego zależy od kierunku prądu płynącego przez zwoje i można ten zwrot określić wpisując literę N lub S w przewodnik kołowy.

R17784utFzTkc

Rys. 10. Na rysunku znajduje się obwód kołowy leżący w płaszczyźnie pionowej. Prąd wpływa do obwodu od dołu przewodnikiem leżącym z lewej strony, a wypływa w dół przewodnikiem leżącym z prawej strony. Przez obwód kołowy prąd płynie zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Na poziomej powierzchni, leżącej w płaszczyźnie symetrii obwodu, narysowano linie pola magnetycznego. Linia przechodząca przez środek obwodu jest linia prostą prostopadłą do płaszczyzny obwodu i skierowaną za tę płaszczyznę. Linie leżące na lewo i na prawo od linii środkowej wyginają się na zewnątrz. W pobliżu punktów przecięcia powierzchni przez obwód linie są okręgami i środkach leżących na tych punktach. Wszystkie linie pola wewnątrz obwodu skierowane są za płaszczyznę obwodu. Przed obwodem zapisano literą wielkie S, a za obwodem literę wielkie N. Obok są rysunki pokazujące zdeformowane litery wielkie S i wielkie N wpisane w okręgi. Litera wielkie S składa się z dwóch łuków ułożonych poziomo połączonych ukośną poprzeczką skierowaną w prawo i w dół. Wolne końce łuków zakończone są strzałkami wskazującymi kierunek prądu w kołowym przewodniku zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Litera wielkie N składa się z dwóch łuków ułożonych pionowo połączonych ukośną poprzeczką skierowaną w prawo i w dół. Wolne końce łuków zakończone są strzałkami wskazującymi kierunek prądu w kołowym przewodniku przeciwny do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Jak widać na Rys. 10. przed przewodnikiem kołowym jest biegun S, natomiast za przewodnikiem kołowym jest biegun N.

Słowniczek

Rrqaji15eTBoH

Rysunek pokazuje poziomą powierzchnię z rozsypanymi opiłkami żelaza, pod którą umieszczono magnes sztabkowy. Z lewej strony znajduje się biegun oznaczony literą wielkie N, z prawej strony biegun oznaczony literą wielkie S. Opiłki ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego, które zaczynają się na jednym biegunie magnesu i kończą się na drugim biegunie. Na linii łączącej oba bieguny linie pola są prostymi odcinkami. Nieco dalej opiłki ułożyły się wzdłuż łukowatych, wygiętych na zewnątrz, linii o końcach na biegunach magnesu.