میدان مغناطیسی جریان — از صفر تا صد

۱۱۹۲۴ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۰۵ آذر ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۱۲ دقیقه
میدان مغناطیسی جریان — از صفر تا صد

پیش‌تر در وبلاگ فرادرس میدان مغناطیسی را تعریف کردیم و مفاهیم آن را شرح دادیم. در مطلب مذکور تشریح کردیم که چگونه حرکت ذرات منجر به ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود. در این قسمت قصد داریم تا حالت‌های مختلف این حرکت را بررسی کنیم و در نتیجه میدان ناشی از جریان را بدست آوریم.

قانون بیو-ساوار (Biot–Savart law)

همان‌طور که در بالا نیز بیان کردیم، با به حرکت درآمدن ذرات باردار، میدان مغناطیسی بوجود خواهد آمد. به‌منظور بدست آوردن میدان ناشی از سیم حامل جریان I، بایستی میدان ناشی از حرکت دیفرانسیل بار را بدست آورد و با جمع زدن آن‌ها، میدان ناشی از کل سیم محاسبه خواهد شد. مطابق با شکل زیر برای بدست آوردن میدان مغناطیسی، در ابتدا جزئی برداری برابر با $$ \overrightarrow{ds}$$ در نظر می‌گیریم.

magnetic-wire
شکل ۱

جریان موجود در دیفرانسیل ds برابر با $$I\overrightarrow{ds}$$ است. مطابق با شکل ۱ فرض کنید می‌خواهیم میدان مغناطیسی ناشی از سیم مفروض را در نقطه P بدست آوریم. از این رو در ابتدا بردار $$\overrightarrow{r}$$ را در نظر بگیرید که ابتدای آن در ds و انتهای آن در نقطه P قرار دارد. قانون «بیو-ساوار» (‌Biot-Savart) دیفرانسیل بردار میدان مغناطیسی را با استفاده از رابطه زیر توصیف می‌کند.

رابطه ۱

$${\mu_0}$$، تراوایی خلا را نشان می‌دهد و مقدار آن برابر است با:

magnetic-wire

رابطه ارائه شده توسط بیو-ساوار بسیار مشابه با رابطه‌ای است که میدان الکتریکی ناشی از دیفرانسیل بار را نشان می‌دهد. منظور ما رابطه زیر است.

magnetic-wire

با انتگرال‌گیری از رابطه ۱، میدان ناشی از سیم حاوی جریان I برابر می‌شود با:

magnetic-wire

عبارت بالا رابطه‌ای برداری انتگرالی است. از این رو می‌توان گفت که عبارت مذکور ۳ رابطه را نشان می‌دهد [راستای x,y,z].

مثال ۱: میدان ناشی از سیم

مطابق با شکل زیر سیمی را تصور کنید که جریان I در آن جابجا می‌شود.

circular-magnetic-wire
شکل ۱

میدان مغناطیسی حاصل از سیم مفروض در نقطه P چقدر است؟

جهت محاسبه میدان مغناطیسی به ترتیب زیر عمل می‌کنیم.

در قدم اول دیفرانسیل سیم را به صورت $$\overrightarrow{ds}=dx'\widehat{i}$$ در نظر می‌گیریم؛ بدیهی است که جریان موجود در این دیفرانسیل برابر با I است. با توجه به شکل ۱ مکان این دیفرانسیل برابر است با:

magnetic-wire

مطابق با شکل ۱ مختصات نقطه P برابر با (x,y)=(0,a) است؛ بنابراین بردار توصیف کننده نقطه P به شکل زیر است.

magnetic-wire

از طرفی بردار $$\overrightarrow{r}=\overrightarrow{r_p}-\overrightarrow{r^ \prime} $$ نشان دهنده موقعیت نقطه P نسبت به دیفرانسیل سیم است. از این رو بردار r را می‌توان به شکل زیر بیان کرد:

magnetic-wire

بنابراین اندازه این بردار برابر است با:

magnetic-wire

جهت انتگرال‌گیری از رابطه ۱ بهتر است تا عبارت زیر انتگرال را بر حسب بردار یکه $$\widehat{r}$$ نشان داد. بردار یکه $$\widehat{r}$$ را می‌توان با تقسیم بردار r به اندازه آن بدست آورد. در نتیجه داریم:

magnetic-wire

با بیان کردن دو بردار ds و r، حاصلضرب خارجی آن‌ها را نیز می‌توان مطابق با رابطه زیر بدست آورد.

magnetic-wire

با استفاده از ضرب خارجی بدست آمده در بالا، رابطه ۱ برابر است با:

magnetic-wire

رابطه بالا نشان می‌دهد که میدان بدست آمده در جهت بیرون صفحه است ($$\widehat{k}$$). در قدم بعدی متغیر‌ها را بایستی در مختصاتی بیان کرد که انتگرال‌گیری ساده باشد. از این رو مطابق با دو رابطه زیر r و x را بر حسب $$\theta$$ بیان می‌کنیم:

magnetic-wire

با تغیر متغیر ارائه شده در بالا، رابطه ۱ به شکل زیر قابل بازنویسی می‌شود.

magnetic-wire

با انتگرال‌گیری از رابطه بالا در بازه $$-\theta_1$$ تا $$\theta_2$$، میدان مغناطیسی برابر با رابطه زیر بدست می‌آید.

magnetic-wire

حالتی را تصور کنید که در آن $$-\theta_1=\theta_2$$ باشد. با فرض این‌که طول میله برابر با 2L باشد، می‌توان گفت:

magnetic-wire

با جایگذاری عبارت بالا در رابطه ۲، داریم:

magnetic-wire

در حالتی که طول L را به بینهایت میل دهیم، میدان الکتریکی در فاصله a از میله برابر می‌شود با:

magnet

با توجه به رابطه بالا، میدان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان به صورت زیر خواهد بود.

magnetic-wire

در حقیقت جهت میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم را می‌توان با استفاده از قانون دست راست بدست آورد. میدان ناشی از جریانی که به بیرون صفحه جریان دارد، در شکل زیر نشان داده شده است.

magnetic-wire

برای تعیین میدان مغناطیسی اطراف یک سیم مطابق با شکل زیر انگشست شست خود را در جهت جریان قرار دهید. در این حالت جهت انگشتان بسته شما، جهت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد.

magnetic-field

مثال ۲: میدان ناشی از حلقه حاوی جریان

مطابق با شکل زیر حلقه‌ای به شعاع R را در نظر بگیرید که در صفحه x-y قرار گرفته و جریان I در آن حرکت می‌کند.

magnetic-wire

با این فرض موارد زیر مطلوب است:

  1. میدان مغناطیسی در نقطه P در فاصله z از مرکز حلقه را بیابید.
  2. اگر یک دو قطبی مغناطیسی به اندازه $$\overrightarrow{\mu}=\overrightarrow{\mu}_z\widehat{k}$$ را در میدان ناشی از سیم قرار دهیم، اندازه نیروی وارد شده به آن را بیابید؟

محاسبه میدان در نقطه P

همانند مثال ۱ در این مسئله نیز در ابتدا بایستی کمیت موجود در انتگرال را به‌صورت برداری تعریف کرد؛ از این رو جریان دیفرانسیلی از سیم که در $$\overrightarrow{r^ \prime}=R[Cos(\phi^{\prime}) \widehat{i}+sin(\phi^{\prime}) \widehat{j}]$$ قرار گرفته، برابر است با:

magnetic-wire

در قدم بعدی بایستی موقعیت نقطه P را نیز به صورت برداری و به شکل زیر بیان کنیم:

magnetic-wire

با توجه به دو بردار بدست آمده در مراحل قبل، بردار موقعیت نسبی برابر است با:

magnetic-wire

همان‌طور که قبلا نیز بیان شد، به‌منظور بدست آوردن بردار یکه r بایستی اندازه آن محاسبه شود. اندازه بردار r برابر با مقدار زیر است.

magnetic-wire

مقدار بالا فاصله بین دیفرانسیل جریان و نقطه P را نشان می‌دهد. در نتیجه بردار یکه r برابر است با:

magnetic-wire

در قدم بعدی بایستی حاصلضرب خارجی بردار موقعیت نسبی (r) و جهت دیفرانسیل جریان را بدست آوریم. این عبارت مطابق با رابطه زیر بدست می‌آید.

magnetic-wire

با قرار دادن ضرب خارجی بالا در رابطه بیو-ساوار داریم:

magnetic-wire

در نتیجه میدان B برابر است با:

magnetic-wire

می‌توان به شکل زیر نشان داد که مولفه x و y میدان برابر با صفر هستند. البته با استفاده از تقارن نیز این نتیجه قابل دست‌یابی است.

magnetic-wire

احتمالا متوجه شده‌اید که فقط مولفه z میدانِ بوجود آمده غیرصفر است که مقدار آن برابر است با:

با توجه به رابطه بدست آمده، میدان در z=0 - یا مرکز حلقه - برابر با $$B_0=\large \frac {\mu_oI}{2R}$$ است. نمودار مربوط به میدان بدست آمده برابر است با:

magnetic-wire

با توجه به شکل بالا و هم‌چنین رابطه بدست آمده برای میدان، می‌توان گفت که اندازه آن در مرکز حلقه ماکزیمم و در فواصل بسیار دور، میدان مغناطیسی برابر با صفر است.

نیروی وارد به دوقطبی

اگر یک دوقطبی مغناطیسی برابر با $$\mu=\mu _z \widehat{k}$$ در نقطه P قرار گیرد، با توجه به مطلب مقدمه‌ میدان مغناطیسی، نیروی وارد به دوقطبی مفروض برابر است با:

magnetic-wire

در نتیجه با مشتق‌گیری و جایگذاری میدان بدست آمده در رابطه بالا، نیروی FB برابر می‌شود با:

magnetic-wire

میدان مغناطیسی ناشی از بار متحرک

فرض کنید که در بخشی از یک سیم استوانه‌ای به طول ds و سطح مقطع A، بارهای الکتریکی با نرخ n در واحد حجم در آن جریان دارند. اگر I را برابر با نرخ بار‌های عبوری در واحد زمان در نظر بگیریم، با توجه به مطلب جریان و مقاومت الکتریکی می‌توان گفت:

magnetic-wire

با توجه به پارامتر‌های تعریف شده، کل بار عبوری در سیم برابر با dN=nAds است. در نتیجه با استفاده از قانون بیو-ساوار میدان دیفرانسیلی ناشی از حرکت dN بار الکتریکی در این سیم، برابر است با:

magnetic-wire

در رابطه بالا r نشان دهنده فاصله بین بارهای الکتریکی و نقطه P است. توجه داشته باشید که $$\overrightarrow{ds}$$ در جهت حرکت جریان و سوی $$\widehat{r}=\overrightarrow{r}/r$$، از سمت بار به نقطه‌ای است که می‌خواهیم میدان الکتریکی را در آن محاسبه کنیم. برای نمونه در حالتی که dN=1 باشد، رابطه بالا به شکل زیر در می‌آید.

magnetic-wire

توجه داشته باشید که با توجه به نسبیت انیشتین رابطه بالا در حالاتی صادق است که سرعت حرکت ذره بسیار بسیار کمتر از سرعت نور باشد (v<<c).

نیروی بین دو سیم حامل جریان

در بالا توضیح دادیم که چگونه یک سیم حامل جریان در اطراف خود میدانی مغناطیسی ایجاد می‌کند. در مطلب مقدمه میدان مغناطیسی نیز عنوان شد که اگر باری در یک میدان الکتریکی حرکت کند، نیرویی مغناطیسی به آن وارد خواهد شد؛ از این بیان نتیجه می‌شود که به سیم حامل جریان قرار گرفته در میدان مغناطیسی نیز نیرویی وارد خواهد شد. در این قسمت قصد داریم تا نیرو را بدست آورده و در مورد آن بحث کنیم.

در ابتدا مطابق شکل زیر دو سیم حامل جریان I1 و I2 را در نظر بگیرید که در فاصله a از یکدیگر قرار گرفته‌اند.

شکل ۳

هرکدام از این سیم‌ها در محل سیمِ دیگر، میدان مغناطیسی به وجود آورده و باعث می‌شود به سیم دوم نیرو وارد کند. با توجه به مثال ۲ می‌دانیم که میدان ایجاد شده در محل سیم ۱، ناشی از سیم ۲ برابر است با:

magnetic-wire

مطابق با شکل ۳ این میدان به‌صورت عمود به سیم ۱ است. در نتیجه نیروی وارد به سیم شماره ۱ از طرف سیم شماره ۲ برابر است با:

magnetic-wire

نیروی وارد به سیم ۲ از طرف سیم ۱ نیز دقیقا برابر با همین اندازه و در جهت مخالف است. هم‌چنین بایستی بدانید که اگر جریان درون دو سیم در یک جهت باشند، یکدیگر را جذب و اگر جهت جریان آن‌ها مخالف هم باشد، همدیگر را دفع می‌کنند.

قانون آمپر

تاکنون عنوان کردیم که حرکت بار‌های الکتریکی، میدان مغناطیسی به‌وجود می‌آورد. این میدان را می‌توان با قرار دادن مجموعه‌ای از قطب‌نماها در اطراف یک سیم حامل جریان نشان داد. همانند شکل زیر در حالتی که جریانی در سیم برقرار نباشد، تمامی قطب‌نماها در یک جهت هستند. از طرفی در حالتی که $$I \neq0 $$ باشد، قطب‌نماها جهت مماس به میدان مغناطیسی را نشان می‌دهند.

magnetic-wire

حال اجازه دهید تا مطابق با شکل زیر مسیر دایره‌ای اطراف سیم حامل جریان را به بردارهایی به صورت $$\triangle \overrightarrow{s}=\triangle s\widehat{\phi}$$ تقسیم‌بندی کنیم. اندازه این بردارها برابر با Δs و جهت آن مماس با میدان مغناطیسی در نظر گرفته می‌شود.

magnetic-wire

در حالتی حدی که $$\triangle \overrightarrow{s} \rightarrow \overrightarrow{0}$$ است، انتگرال میدان روی مسیر بسته اطراف سیم حامل جریان برابر است با:

magnetic-wire

رابطه بالا را می‌توان برای هر مسیر بسته‌ دیگری که سیم حامل جریان I در آن قرار گرفته، نوشت. در حقیقت حاصل این انتگرال در تمامی مسیر‌های نشان داده شده در شکل زیر برابر با $$\mu_0I$$ است. چنین حلقه‌ای را «حلقه آمپری» (Amperian Loop) می‌نامند.

magnetic-wire

در حالتی عمومی انتگرال میدان مغناطیسی روی یک مسیر بسته،‌ با استفاده از «قانون آمپر» (Amper Law) قابل محاسبه است. این قانون می‌گوید:

magnetic-wire

احتمالا شما نیز متوجه تشابه این قانون با قانون گاوس شده‌اید. در حقیقت قانون آمپر ارتباط بین میدان مغناطیسی و جریان‌های قرار گرفته در حلقه آمپر و قانون گاوس ارتباط بین میدان الکتریکی و بار‌های قرار گرفته در سطح بسته را بیان می‌کند.

توجه داشته باشید که قانون آمپر در حالتی که منبع جریان از تقارن مشخصی برخوردار باشد و در حالتی که فرض سیم بی‌نهایت در نظر گرفته شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما در شرایط عمومی که با سیمی متناهی روبرو هستیم، جهت محاسبه میدان مغناطیسی بایستی از قانون بیو-ساوار استفاده کرد.

به طور خلاصه قانون آمپر در موارد زیر کاربرد دارد:

  • محاسبه میدان ناشی از سیمی بی‌نهایت که جریان I را در حالت پایا در خود حمل می‌کند.
  • صفحه‌ای بینهایت به ضخامت b و با چگالی جریان J
  • محاسبه میدان مغناطیسی ناشی از «سلونوئید» (Solenoid) بی‌نهایت

جهت آشنایی با نحوه به‌کارگیری قانون آمپر به مثالی که در ادامه آمده توجه کنید.

مثال ۳: میدان درون و بیرون سیم حامل جریان

مطابق با شکل زیر سیمی بلند به شعاع R و جریان I را در نظر بگیرید که چگالی جریان در آن بصورت یکنواخت است. با توجه به این فرضیات میدان مغناطیسی درون و بیرون سیم را بدست آورید.

magnetic-wire

برای بدست آوردن میدان مغناطیسی در ابتدا بایستی حلقه آمپری مناسبی را انتخاب کنیم که این حلقه را دایره‌ای به شعاع $$R$$ در نظر می‌گیریم.

  • در حالت اول یا خارج از حلقه آمپری، حلقه‌ای به شعاع r را فرض می‌کنیم که در آن r>R است. برای این حلقه، قانون آمپر مطابق با رابطه زیر نوشته می‌شود:

magnetic-wire

با توجه به رابطه بالا میدان مغناطیسی برابر با عبارت زیر بدست می‌آید.

magnetic-wire

همان‌طور که در شکل نیز مشخص است کل جریان موجود در حلقه با شعاع $$R$$ در حلقه‌ای با شعاع $$r>R$$ محصور است و در نتیجه میدان به راحتی به دست می‌آید.

  • در حالت دوم، یعنی زمانی که بخواهیم میدان درون سیم حامل جریان را به دست آوریم، شعاع کوچکتر از شعاع حلقه آمپری است و داریم:

$$r<R$$

در این حالت قسمتی از جریان حلقه آمپری در این حلقه قرار دارد. میزان جریان موجود در درون سیم حامل جریان برابر است با:

magnetic-wire

منظور از $$I_{enc}$$، سهم جریان موجود در حلقه‌ای با شعاع کوچکتر از شعاع آمپری است. بدین ترتیب داریم:

magnetic-wire

با توجه به رابطه بالا میدان مغناطیسی در مرکز سیم یعنی $$r=0$$ برابر با صفر و در r=R به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. همان‌طور که نمودار زیر نشان می‌دهد، میدان درون سیم به شکلی خطی تغییر می‌کند و میدان خارج از سیم، به‌صورت معکوس با r کم می‌شود.

magnetic-wire

مثال ۴ (مهم): میدان ناشی از صفحه بینهایتِ حامل جریان

مطابق با شکل زیر صفحه‌ای بینهایت به ضخامت b را در نظر بگیرید که چگالی جریانِ آن یکنواخت و برابر با $$\overrightarrow{J}=J_0 \widehat{i}$$ است.

magnetic-wire

جهت ساده‌سازی مسئله می‌توان صفحه را معادل با بینهایت سیم حامل جریان در نظر گرفت. مطابق با شکل زیر، میدان مغناطیسی در جهت y- است. نقاط نشان داده شده در صفحه، جهت میدان مغناطیسی را به بیرون از صفحه نشان می‌دهند. هم‌چنین با توجه به دایره‌های ترسیم شده در این شکل، مشاهده می‌شود برآیند میدان سیم‌ها در راستای z همدیگر را خنثی می‌کنند.

magnetic-wire

جهت بدست آوردن میدان مغناطیسی، دو حلقه آمپری C1 و C2 را مطابق با شکل زیر در نظر بگیرید.

magnetic-wire

در شکل بالا می‌بینید که دو مسیر C1 و C2 ترسیم شده‌اند. از C1 جهت محاسبه میدان بیرون از صفحه و از C2 جهت بدست آوردن میدان درون صفحه استفاده خواهیم کرد. مقدار جریان قرار گرفته درون حلقه C1 با انتگرال‌گیری از چگالی جریان،‌ به صورت زیر قابل محاسبه است.

magnetic-wire

حال با اعمال قانون آمپر روی حلقه C1 داریم:

magnetic-wire

در نتیجه میدان مغناطیسی در بیرون از صفحه برابر است با:

magnetic-wire

نکته جالب پاسخ بالا این است که میدان در بیرون از صفحه و در تمامی نقاط با یکدیگر برابر هستند. همانند مسیر C1، جریان قرار گرفته در مسیر C2 برابر است با:

magnetic-wire

قانون آمپر برای مسیر C2 به شکل زیر قابل بیان است:

magnetic-wire

در نتیجه میدان مغناطیسی درون سیم برابر است با:

magnetic-wire

به‌منظور ایجاد تقارن، میدان مغناطیسی در z=0 برابر با صفر است. نهایتا میدان مغناطیسی را می‌توان به صورت برداری و به شکل زیر نشان داد.

magnetic-wire

در حالتی حدی که صفحه بسیار نازک است ($$b \rightarrow 0$$)، به جای تعریف چگالی حجمی جریان از مفهومی تحت عنوان چگالی سطحی استفاده می‌شود. چگالی سطحی را با $$\overrightarrow{K}=K \widehat{i}$$ نشان داده که در آن K=J0b است. نهایتا در حالتی که با صفحه بسیار نازکی با چگالی سطحی K مواجه‌ایم، میدان مغناطیسی ناشی از آن برابر با رابطه زیر است.

magnetic-wire

سلونوئید (Solenoid)

سلونوئید به حلقه‌‌هایی سیمی گفته می‌شود که معمولا دور یک هسته‌ فلزی پیچیده شده‌اند. با وصل کردن سلونوئید به یک اختلاف ولتاژ، جریانی الکتریکی در آن برقرار خواهد شد که منجر به تولید میدان مغناطیسی می‌شود. شکل زیر دو نما از یک سلونوئید را نشان می‌دهد.

magnetic-wire

مشاهدات نشان داده که اگر حلقه‌های سلونوئید به یکدیگر نزدیک باشند، میدان مغناطیسی در آن به میزان قابل قبولی یکنواخت خواهد بود. در حقیقت در این حالت طول سلونوئید بسیار بیشتر از قطر آن است. برای سلونوئیدی که به صورت فشرده پیچیده شده، میدان مغناطیسی درون آن در راستای محورِ سلونوئید و یکنواخت است.

اندازه میدان مغناطیسی درون سلونوئید با استفاده از قانون آمپر قابل محاسبه است. در شکل زیر مقطع سلونوئیدی ایده‌آل نشان داده شده است. ردیف بالا میدان به بیرون صفحه و ردیف پایین، میدان درون صفحه را نشان می‌دهند.

میدان مغناطیسی
شکل ۴

مطابق با تصویر بالا مسیری مستطیلی شکل با طول l و عرض w در سلونوئید در نظر گرفته شده و برای انتگرال‌گیری، به صورت پادساعتگرد روی آن حرکت می‌کنیم. در نتیجه از آنجایی که جهت میدان مغناطیسی در راستای محور سلونوئید در نظر گرفته شده، بنابراین حاصل انتگرال میدان مغناطیسی روی مسیر‌های ۲ و ۴ برابر با صفر است. در نتیجه انتگرال روی مسیر بسته‌ مفروض به شکل زیر محاسبه می‌شود.

magnetic-wire

رابطه بالا با این فرض نوشته شده که میدان فقط بیرون از سلونوئید غیرصفر فرض شده باشد؛ به این خاطر است که انتگرال روی مسیر ۱ برابر با صفر در نظر گرفته شده. هم‌چنین از شکل ۴ نیز واضح است که میزان جریان قرار گرفته درون حلقه آمپر برابر با Ienc=NI است. N تعداد حلقه‌های سلونوئید و I جریان حلقه‌ها است. در نتیجه قانون آمپر (رابطه بالا) به صورت زیر در می‌آید.

magnetic-wire

با توجه به رابطه بالا، میدان مغناطیسی، برابر است با:

میدان مغناطیسی

در رابطه بالا n=N/l است که نشان دهنده تعداد حلقه‌ها در واحد طول سلونوئید است. این رابطه در حالتی بدست آمده که طول سلونوئید بینهایت فرض شده است. در حالتی که این طول متناهی باشد، توزیع میدان مغناطیسی به چه شکل خواهد بود؟

جهت بدست آوردن میدان درون سلونوئیدی متناهی، تعداد حلقه‌های سلونوئید را زیاد و متراکم فرض کنید. در مثال ۲ میدان مغناطیسی در فاصله عمودی z از مرکز یک حلقه را برابر با مقدار زیر یافتیم.

میدان مغناطیسی

مطابق با شکل زیر جزئی دیفرانسیلی به طول 'dz را در نظر بگیرید که در موقعیت z قرار گرفته است. در حقیقت حلقه‌ای به شعاع R و ضخامت 'dz در نظر گرفته شده که هدف، محاسبه میدان ناشی از دیفرانسیل 'dz در نقطه P است.

سولنوئید

با فرض اینکه چگالی جریان الکتریکی به صورت یکنواخت در نظر گرفته شود، واضح است که میزان جریان موجود در 'dz، متناسب با اندازه آن است. در نتیجه دیفرانسیل جریان در 'dz برابر است با:

magnetic-wire

در رابطه بالا n=N/l است. در حقیقت n نشان دهنده تعداد حلقه‌ها در واحد طول سنولوئید است. با توجه به نتایج مثال ۲، میدان ناشی از دیفرانسیل 'dz در نقطه P برابر است با:

magnetic-wire

با استفاده از انتگرال‌گیری رابطه بالا روی طول کل سلونوئید، میدان مغناطیسی در P مطابق با رابطه زیر بدست می‌آید.

magnetic-wire

شکل زیر تغییرات تابع Bz/B0 را برای سلونوئیدی با دو نسبت طول به شعاعِ متفاوت نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که B0 برابر با $$\mu_0nI$$ است. شکل سمت چپ سلونوئیدی با نسبت l/R=10 و سمت راست l/R=20 را نشان می‌دهد.

magnetic-wire

مثال ۵: سلونوئید حلقوی

مطابق با شکل زیر سلونوئیدی با N حلقه را در نظر بگیرید.

شکل ۵

میدان مغناطیسی در وسط حلقه‌ها چقدر است؟

حلقه آمپری را همانند شکل ۵، درون سلونوئید در نظر بگیرید. با توجه به جهت جریان I، جهت میدان مغناطیسی به صورت ساعتگرد است. با فرض این‌که حلقه‌ها فشرده باشند، به این نتیجه می‌رسیم که اندازه میدان درون سلونوئید ثابت است. با نوشتن انتگرال میدان مغناطیسی روی مسیر فرض شده، میدان مغناطیسی برابر با مقدار زیر بدست می‌آید.

magnetic-wire

در مطالب آینده ابعادی بیشتر از میدان مغناطیسی را نشان خواهیم داد. در حقیقت یکی از منابع تولید میدان مغناطیسی ایجاد جریان است که در این قسمت آن را توضیح دادیم. البته جهت حل مثال‌های بیشتر و تسلط کامل‌تر به مفاهیم میدان مغناطیسی می‌توانید به این آموزش ویدئویی مراجعه کنید. هم‌چنین در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک پایه و مهندسی برق، احتمالا آموزش‌های زیر می‌توانند برایتان کاربردی باشند:

بر اساس رای ۳۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
MIT university
۱۹ دیدگاه برای «میدان مغناطیسی جریان — از صفر تا صد»

سلام خسته نباشید ببخشید میدان مغناطیسی سیم لوله وقتی که داخلش هسته اهنی وجود داره و این هسته اهنی برایه مثال به شعاع R هست و یه سوراخ به شعاع r درشونش داره چگونه بدست میاد ؟ فرمولی براش هست (R>r)

با سلام،
قرار گرفتن یک هسته آهنی در داخل سیم‌لوله باعث می‌شود میدان مغناطیسی سیم‌لوله تقویت شود. این افزایش میدان به اندازه ضریب k‌ خواهد بود، در واقع فرمول میدان می‌شود:
B=μNIL که در آن μ=Kμ0 است. یعنی میدان به اندازه ضریب K که برابر با نفوذپذیری مغناطیسی آهن است، افزایش خواهد یافت.

سلام ایا ضخامت سیم حامل جریان در بزرگی میدان مغناطیسی اطراف ای تا ثیر دارد؟

با سلام،
میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان، تنها به جریان گذرنده از سیم وابسته است و قطر سیم حامل جریان تاثیری بر بزرگی میدان مغناطیسی ندارد.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

سلام
مطلب بسیار کامل و جامعی بود.
فقط اولش به اشتباه گفته شده که μ0 ضریب گذردهی خلا هست در حالی که ضریب تراوایی خلا هست. لطفا این مورد رو اصلاح کنید.
ممنون از شما

با سلام؛

از ارائه بازخورد شما بسیار سپاس‌گزاریم. متن به طور مجدد بازبینی و اصلاح شد.

با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

با سلام و احترام – بنده میخواستم روی یکی از سیمهای برق مصرفی یک سیم پیچی قرار دهم تا با استفاده از ولتاژی که در اثر عبور جریان از آن سیم در دو سر سیم پیچ ایجاد خواهد شد جریان عبوری از سیم را محاسبه کنم. ممنون میشوم اگر در خصوص روابط بین جریان عبوری و مشخصات سیم پیچ (مانند تعداد دور و قطر سیم و طول سیم پیچ و …) و مقدار ولتاژ تولیدی در دو سر سیم پیچ بنده را راهنمایی نمایید. ضمنا برای نمایش جریان بنده از یک مدار میکرو کنترلر استفاده میکنم.
با تشکر فراوان – رحمانی

سلام.
دو مطلب «اندوکتانس سیم پیچ — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)» و «اندوکتانس و محاسبه عملی آن — به زبان ساده» درباره این موضوع به شما کمک خواهند کرد.
سالم و موفق باشید.

سلام – اگر کابلهای تک رشته تغذیه یک دستگاه جریان بالای سه فاز شامل سه رشته کابل فاز و یک رشته کابل نول را در طول مسیر دور هم بتابیم ، آیا این کار می تواند برایند میدان مغناطیسی این کابل را خنثی و از القای ولتاژ روی کابلهای مجاور جلوگیری کند؟

در قسمت “میدان مغناطیسی ناشی از بار متحرک”، چطوری ضرب خارجی ds و r ، به ضرب خارجی v و r تبدیل شد؟

سلام و روز شما به خیر؛

چون ds و v موازی یکدیگر هستند، در نتیجه تفاوتی در ضرب خارجی ds و r با r و v وجود ندارد.

از اینکه با فرادرس همراه هستید خرسندیم.

چرا dN را یک گرفته؟

سلام و روز شما به خیر؛

در مثال مورد اشاره شما $$dN$$ بار عبوری از سیم است که برای مثال در یک حالت این بار عبوری را برابر با یک گرفته و میدان مغناطیسی را برای این حالت محاسبه کرده‌ایم.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

سلام
من دارم روی ساخت یک رله الکترونیکی کار میکنم
این رله یه سیم پیچ داره که باید ۴۰۰۰ دور سیم 0,07 دور یه قطعه پلاستیکی تابیده بشه و سپس یه هسته آهنی از وسطش عبور میکنه
خواستم ببینم اگه قطر سیم رو از 0,07 کمتر کنم مثلا 0,05 بشه،باعث ضعیف شدم میدان مغناطیسی میشه؟

سلام می خوام یه اهن ربای الکتریکی درست کنم روی یه میله می خواستم دور و قطر سیم و جریان و ولتاژ و چطور می تونم حساب کنم لطفا راهنمایی کنید ممنون

سلام و روز شما به خیر؛

با توجه به طول سیم، تعداد حلقه و جریانی که به کار می‌برید قدرت میدان مغناطیسی آهنربای شما متفاوت خواهد شد و دقت کنید رابطه‌ میان جریان و میدان به صورت $$B=\frac{\mu_{0}NI}{2\pi R}$$ است. پس با توجه به مقدار میدان و جریان می‌توانید پارامترهای دیگر این رابطه را محاسبه کنید و به کار ببرید.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

در مثال شماره 3 شعاع سیم مسی را R و فاصله فرضی از سیم را با r نشان دادیم . میدانیم که B با r رابطه عکس دارد
در حالی که در رابطه B ، حرف r در صورت معادله است یعنی با افزایش r میزان B افزایش میابد.که به نظر اشتباه میاید.

سلام، وقت شما بخیر؛

برای فهم بیشتر این مثال توضیحاتی را به آن اضافه کردیم. ولی در مورد سوال شما باید بیان کرد که خیر میدان مغناطیسی به صورت مطلق با عکس فاصله رابطه ندارد و مقدار آن وابسته به سطح آمپری است که شما در نظر می‌گیرید.

مثلاً در مثال مورد بحث، حلقه آمپری حلقه‌ای به شعاع $$R$$ است، به ازای شعاع‌هایی کوچکتر از شعاع محیط آمپری میدان به صورت خطی با r افزایش می‌یابد، چرا؟ چون هر چه حلقه شما بزرگتر شود فضای بیشتری از محیط آمپری و جریان بیشتری از جریان محیط آمپری را محصور می‌کند.

این موضوع به ازای شعاع‌هایی بزرگتر از شعاع محیط آمپری عکس است و میدان با افزایش فاصله کاهش می‌یابد. چرا؟ چون همان جریان آمپری در مساحت بزرگتری قرار می‌گیرد و این باعث کوچکتر شدن مقدار میدان می‌شود.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.

عالی بود ممنونم

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *