Lekcja 2 — Pole magnetyczne przewodnika prostoliniowego z prądem

1. Powstawanie pola magnetycznego

Kiedy przez przewodnik płynie prąd elektryczny, wokół przewodnika tworzy się pole magnetyczne.

To zjawisko odkrył Hans Christian Ørsted — zauważył, że igła kompasu odchyla się w pobliżu przewodnika z prądem.

Pole magnetyczne powstaje zawsze, gdy:

* ładunki się poruszają,

* a więc w każdym przewodniku, w którym płynie prąd.

2. Charakterystyka pola magnetycznego przewodnika prostoliniowego

Wokół prostego przewodnika pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.

Najważniejsze fakty:

* Linie pola okrążają przewodnik.

* Pole jest tym silniejsze, im bliżej przewodnika jesteśmy.

* Siła pola rośnie, gdy rośnie natężenie prądu.

Schematycznie linie układają się tak:

 ↻ ↻ ↻ 
  |    (przewodnik z prądem)
 ↺ ↺ ↺

Strzałki wskazują kierunek linii pola.

3. Ilustracja linii pola magnetycznego

Aby pokazać pole magnetyczne, korzystamy z:

* linii pola magnetycznego,

* opiłków żelaza na kartce nad przewodnikiem,

* igiełek magnetycznych ułożonych wokół przewodnika.

Linie pola:

* nie przecinają się,

* pokazują kierunek i kształt pola,

* są gęstsze tam, gdzie pole jest silniejsze.

4. Wzór na indukcję pola magnetycznego prostoliniowego przewodnika

Indukcja pola magnetycznego przewodnika:

B = μ₀ · I / (2πr)

gdzie:

B — indukcja pola magnetycznego,

I — natężenie prądu,

r — odległość od przewodnika,

μ₀ — przenikalność magnetyczna próżni.

Z tego wynika:

* im większy prąd, tym większe B,

* im dalej od przewodnika, tym mniejsze B.

5. Znaczenie praktyczne

Pole magnetyczne przewodnika prostoliniowego ma kluczowe zastosowania:

* powstawanie pola w elektromagnesach i solenoidach,

* działanie urządzeń elektrycznych (silniki, głośniki),

* zjawiska oddziaływania przewodników z prądem.

To także podstawa do wprowadzenia reguły prawej dłoni, którą omówimy w Lekcji 4.

Zadania TAK/NIE

• Czy prostoliniowy przewodnik z prądem wytwarza pole magnetyczne wokół siebie?
• Czy linie pola magnetycznego mogą się przecinać?
• Czy cewka (zwojnica) z prądem ma dwa bieguny: północny i południowy?
• Czy zwiększenie natężenia prądu w przewodniku zwiększa indukcję pola magnetycznego?
• Czy kierunek linii pola magnetycznego zależy wyłącznie od kształtu przewodnika, a nie od kierunku prądu?

—

Zadania opisowe

• Narysuj lub opisz kształt linii pola magnetycznego wokół prostoliniowego przewodnika z prądem.
• Wyjaśnij, dlaczego cewka (zwojnica) działa jak magnes sztabkowy.
• Opisz wpływ liczby zwojów cewki na pole magnetyczne, jakie wytwarza.

—

Zadania obliczeniowe

• Przez przewodnik płynie prąd $I = 2$ A. Indukcja pola magnetycznego w odległości $r = 0{,}1$ m od przewodnika wynosi:

$$B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$$

gdzie $\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} \text{ H/m}$.

Oblicz wartość $B$.

• Cewka ma $N = 200$ zwojów, długość $l = 0{,}5$ m i płynie przez nią prąd $I = 1{,}5$ A. Oblicz indukcję pola magnetycznego wewnątrz cewki:

$$B = \mu_0 \frac{N}{l} I$$