Anda dapat menunjukkan cara menggunakan hukum Ampere dengan menentukan medan magnet di dekat kawat. Mari kita ajukan pertanyaan: berapakah medan di luar kawat lurus panjang yang berpenampang silinder? Kita akan membuat satu asumsi, mungkin tidak begitu jelas, namun benar: garis medan B mengelilingi kawat dalam lingkaran. Jika kita membuat asumsi ini, maka hukum Ampere [persamaan (13.16)] memberitahu kita berapa besaran medan tersebut. Karena kesimetrisan soal, bidang B memiliki ukuran yang sama di semua titik lingkaran yang konsentris dengan kawat (Gbr. 13.7). Maka kita dapat dengan mudah mengambil integral garis dari B·ds. Ini sama dengan nilai B dikalikan dengan keliling. Jika jari-jari lingkaran tersebut adalah R, Itu
Total arus yang melalui loop hanyalah arus / di dalam kawat, jadi
Ketegangan medan magnet jatuh dalam proporsi terbalik R, jarak dari sumbu kawat. Jika diinginkan, persamaan (13.17) dapat ditulis bentuk vektor. Mengingat bahwa B diarahkan tegak lurus terhadap I dan r, kita punya
Kami menyorot faktor 1/4πε 0 dengan 2 karena sering muncul. Perlu diingat bahwa tepat 10 - 7 (dalam satuan SI), karena persamaan bentuk (13.17) digunakan untuk definisi satuan arus, ampere. Pada jarak 1 M arus sebesar 1 A menciptakan medan magnet sebesar 2·10 - 7 weber/m2.
Karena arus menciptakan medan magnet, arus tersebut akan bekerja dengan gaya tertentu pada kawat yang berdekatan yang juga dilalui arus. Dalam bab. Pada Gambar 1 kita menggambarkan percobaan sederhana yang menunjukkan gaya antara dua kawat yang dilalui arus. Jika kawat-kawat tersebut sejajar, maka masing-masing kawat tegak lurus terhadap medan B kawat lainnya; maka kawat-kawat tersebut akan saling tolak menolak atau tarik menarik. Bila arus mengalir dalam satu arah, kawat akan tarik menarik; bila arus mengalir berlawanan arah, kawat akan tolak-menolak.
Mari kita ambil contoh lain, yang juga dapat dianalisis menggunakan hukum Ampere, jika kita menambahkan beberapa informasi tentang sifat medan. Misalkan ada kawat panjang yang digulung menjadi spiral rapat, yang penampang melintangnya ditunjukkan pada Gambar. 13.8. Spiral ini disebut solenoida. Kita mengamati secara eksperimental bahwa ketika panjang solenoid sangat besar dibandingkan dengan diameternya, maka medan di luarnya sangat kecil dibandingkan dengan medan di dalamnya. Hanya dengan menggunakan fakta ini dan hukum Ampere, seseorang dapat mengetahui besarnya medan di dalamnya.
Sejak lapangan tetap di dalam (dan tidak mempunyai divergensi nol), garis-garisnya harus sejajar dengan sumbu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13.8. Jika hal ini terjadi, maka kita dapat menggunakan hukum Ampere untuk "kurva" persegi panjang G pada gambar. Kurva ini menempuh jarak L
di dalam solenoid, dimana medannya, katakanlah, sama dengan B o, kemudian tegak lurus terhadap medan dan kembali lagi sepanjang daerah luar, dimana medan dapat diabaikan. Integral garis B sepanjang kurva ini adalah tepat Pada 0 L, dan ini harus sama dengan 1/ε 0 c 2 kali total arus di dalam G, yaitu TIDAK(di mana N adalah jumlah putaran solenoid sepanjang panjangnya L).
Kita punya
Atau dengan masuk N- jumlah putaran per satuan panjang solenoid (jadi N=
T/L),
kita dapatkan
Apa yang terjadi pada garis B ketika mencapai ujung solenoid? Rupanya, mereka entah bagaimana menyimpang dan kembali ke solenoid dari ujung yang lain (Gbr. 13.9). Medan yang sama juga diamati di luar batang magnet. Dengan baik Apa itu magnet? Persamaan kita mengatakan bahwa medan B timbul dari adanya arus. Dan kita tahu bahwa batangan besi biasa (bukan baterai atau genset) juga menimbulkan medan magnet. Anda mungkin berharap bahwa akan ada istilah lain di sisi kanan (13.12) atau (16.13) yang mewakili "massa jenis besi yang termagnetisasi" atau besaran serupa. Tapi tidak ada anggota seperti itu. Teori kami mengatakan bahwa efek magnetis besi timbul dari beberapa arus internal yang telah diperhitungkan dengan suku j.
Materi sangatlah kompleks jika dilihat dari sudut pandang yang mendalam; Kami sudah yakin akan hal ini ketika kami mencoba memahami dielektrik. Agar tidak mengganggu pemaparan kami, kami akan menunda pembahasan detail tentang mekanisme internal bahan magnet seperti besi. Untuk saat ini kita harus menerima bahwa setiap kemagnetan muncul karena arus dan terdapat arus internal yang konstan dalam magnet permanen. Dalam kasus besi, arus ini diciptakan oleh elektron yang mengorbit kapak sendiri. Setiap elektron memiliki putaran yang sesuai dengan arus sirkulasi kecil. Satu elektron, tentu saja, tidak menghasilkan medan magnet yang besar, tetapi sepotong materi biasa mengandung milyaran elektron. Biasanya mereka diputar dengan cara apa pun sehingga efek keseluruhannya hilang. Yang mengejutkan adalah bahwa pada beberapa zat seperti besi, paling elektron berputar pada sumbu yang diarahkan ke satu arah—pada besi, dua elektron dari setiap atom mengambil bagian dalam gerakan gabungan ini. Sebuah magnet mengandung sejumlah besar elektron yang berputar ke arah yang sama, dan, seperti yang akan kita lihat, efek gabungannya setara dengan arus yang beredar melintasi permukaan magnet. (Hal ini sangat mirip dengan apa yang kita temukan pada dielektrik—dielektrik yang terpolarisasi seragam setara dengan distribusi muatan pada permukaannya.) Oleh karena itu, bukan suatu kebetulan bahwa magnet batang setara dengan solenoida.
Arus listrik yang mengalir melalui suatu konduktor menciptakan medan magnet di sekitar konduktor tersebut (Gbr. 7.1). Arah medan magnet yang dihasilkan ditentukan oleh arah arus.
Metode penunjukan arah arus listrik dalam konduktor ditunjukkan pada Gambar. 7.2: titik pada Gambar. 7.2(a) dapat dianggap sebagai ujung anak panah yang menunjukkan arah arus menuju pengamat, dan tanda silang sebagai ekor anak panah yang menunjukkan arah arus menjauhi pengamat.
Medan magnet yang timbul di sekitar penghantar berarus ditunjukkan pada Gambar. 7.3. Arah medan ini mudah ditentukan dengan menggunakan aturan sekrup kanan (atau aturan gimlet): jika ujung gimlet sejajar dengan arah arus, maka ketika disekrup, arah putarannya pegangannya akan bertepatan dengan arah medan magnet.
Beras. 7.1. Medan magnet di sekitar penghantar yang membawa arus.
Beras. 7.2. Penunjukan arah arus (a) menuju pengamat dan (b) menjauhi pengamat.
Medan yang diciptakan oleh dua konduktor paralel
1. Arah arus dalam penghantar bertepatan. Pada Gambar. 7.4(a) menunjukkan dua konduktor paralel, terletak agak jauh satu sama lain, dan medan magnet masing-masing konduktor digambarkan secara terpisah. Di celah antara konduktor, medan magnet yang dihasilkannya berlawanan arah dan saling meniadakan. Medan magnet yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar. 7.4(b). Jika arah kedua arus diubah menjadi berlawanan, maka arah medan magnet yang dihasilkan juga akan berubah ke arah sebaliknya (Gbr. 7.4(b)).
Beras. 7.4. Dua konduktor dengan arah arus yang sama (a) dan medan magnet yang dihasilkannya (6, c).
2. Arah arus pada penghantar berlawanan. Pada Gambar. Gambar 7.5(a) menunjukkan medan magnet untuk setiap konduktor secara terpisah. Dalam hal ini, pada celah antar konduktor, medan konduktor dijumlahkan dan di sini medan yang dihasilkan (Gambar 7.5(b)) adalah maksimum.
Beras. 7.5. Dua konduktor dengan dalam arah yang berlawanan arus (a) dan medan magnet yang dihasilkannya (b).
Beras. 7.6. Medan magnet solenoid.
Solenoida adalah kumparan silinder yang terdiri dari jumlah besar lilitan kawat (Gbr. 7.6). Ketika arus mengalir melalui lilitan solenoid, solenoid berperilaku seperti magnet strip dengan arah utara dan kutub selatan. Medan magnet yang diciptakannya tidak berbeda dengan nol magnet permanen. Medan magnet di dalam solenoid dapat diperkuat dengan melilitkan kumparan di sekitar inti magnet yang terbuat dari baja, besi atau lainnya bahan magnetis. Kekuatan (besarnya) medan magnet solenoid juga bergantung pada kekuatan arus listrik yang ditransmisikan dan jumlah lilitan.
Elektromagnet
Solenoida dapat digunakan sebagai elektromagnet, dengan inti terbuat dari bahan magnet lunak seperti besi ulet. Solenoida berperilaku seperti magnet hanya ketika arus listrik mengalir melalui kumparan. Elektromagnet digunakan dalam bel dan relay listrik.
Konduktor dalam medan magnet
Pada Gambar. Gambar 7.7 menunjukkan sebuah konduktor pembawa arus yang ditempatkan dalam medan magnet. Terlihat bahwa medan magnet penghantar ini ditambahkan dengan medan magnet magnet permanen pada luas di atas penghantar dan dikurangi pada luas di bawah penghantar. Jadi, medan magnet yang lebih kuat terletak di atas konduktor, dan medan magnet yang lebih lemah terletak di bawah (Gbr. 7.8).
Jika arah arus dalam suatu konduktor dibalik, bentuk medan magnetnya akan tetap sama, tetapi besarnya di bawah konduktor akan lebih besar.
Medan magnet, arus dan gerak
Jika sebuah penghantar berarus ditempatkan pada medan magnet, maka akan terjadi gaya yang bekerja padanya, yang mencoba menggerakkan penghantar tersebut dari area yang lebih luas. bidang yang kuat ke wilayah yang lebih lemah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7.8. Arah gaya ini bergantung pada arah arus, serta arah medan magnet.
Beras. 7.7. Konduktor yang membawa arus dalam medan magnet.
Beras. 7.8. Bidang hasil
Besarnya gaya yang bekerja pada konduktor pembawa arus ditentukan oleh besarnya medan magnet dan gaya boom yang mengalir melalui konduktor tersebut.
Pergerakan suatu penghantar yang ditempatkan dalam medan magnet ketika arus melewatinya disebut prinsip motor. Pengoperasian motor listrik, alat ukur magnetoelektrik dengan kumparan bergerak dan perangkat lainnya didasarkan pada prinsip ini. Jika sebuah konduktor digerakkan dalam medan magnet, arus akan dihasilkan di dalamnya. Fenomena ini disebut prinsip generator. Pengoperasian generator konstan dan konstan didasarkan pada prinsip ini. AC.
Sampai saat ini, kita hanya membahas medan magnet yang berhubungan dengan arus listrik searah. Dalam hal ini, arah medan magnet tidak berubah dan ditentukan oleh arah dermaga permanen. Ketika arus bolak-balik mengalir, medan magnet bolak-balik tercipta. Jika sebuah kumparan terpisah ditempatkan pada medan bolak-balik ini, maka ggl (tegangan) akan diinduksi (diinduksi) di dalamnya. Atau jika dua kumparan terpisah ditempatkan berdekatan satu sama lain, seperti ditunjukkan pada Gambar. 7.9. dan memberikan tegangan bolak-balik pada salah satu belitan (W1), maka akan timbul tegangan bolak-balik baru (EMF induksi) di antara terminal-terminal belitan kedua (W2). Inilah prinsip kerja trafo.
Beras. 7.9. ggl terinduksi.
Video ini menjelaskan konsep magnetisme dan elektromagnetisme:
Medan magnet dari konduktor pembawa arus. Ketika arus melewati konduktor lurus, medan magnet muncul di sekitarnya (Gbr. 38). Magnetik saluran listrik Medan ini terletak dalam lingkaran konsentris, yang di tengahnya terdapat penghantar pembawa arus.
Arah medan magnet di sekitar penghantar berarus selalu sesuai dengan arah arus yang melewati penghantar tersebut. Arah garis medan magnet dapat ditentukan dengan menggunakan aturan gimlet. Hal ini dirumuskan sebagai berikut. Jika gerakan maju sejajarkan gimlet 1 (Gbr. 39, a) dengan arah arus 2 pada penghantar 3, kemudian putaran pegangannya akan menunjukkan arah garis medan magnet 4 di sekitar penghantar. Misalnya, jika arus melewati sebuah konduktor dengan arah menjauhi kita di luar bidang lembar buku (Gbr. 39, b), maka medan magnet yang timbul di sekitar konduktor ini diarahkan searah jarum jam. Jika arus yang melalui penghantar mengalir searah dari bidang lembar buku ke arah kita, maka medan magnet di sekitar penghantar diarahkan berlawanan arah jarum jam. Semakin besar arus yang melewati suatu penghantar, maka semakin kuat pula medan magnet yang timbul disekitarnya. Ketika arah arus berubah, medan magnet juga berubah arahnya.
Saat Anda menjauh dari konduktor, garis-garis medan magnet semakin jarang muncul. Akibatnya induksi medan magnet dan kekuatannya menurun. Kuat medan magnet di ruang sekitar konduktor adalah
H = Saya/(2?r) (44)
Ketegangan maksimum Hmax terjadi pada permukaan luar konduktor 1 (Gbr. 40). Di dalam konduktor juga
timbul medan magnet, tetapi intensitasnya berkurang secara linier searah dari permukaan luar ke sumbu (kurva 2). Induksi magnet medan di sekitar dan di dalam konduktor berubah dengan cara yang sama seperti tegangan.
Metode penguatan medan magnet. Untuk memperoleh medan magnet yang kuat pada arus rendah, biasanya dilakukan penambahan jumlah penghantar pembawa arus dan dibuat dalam bentuk rangkaian lilitan; alat seperti itu disebut belitan atau kumparan.
Dengan suatu konduktor yang dibengkokkan berbentuk kumparan (Gbr. 41, a), medan magnet yang dibentuk oleh seluruh bagian konduktor tersebut akan mempunyai arah yang sama di dalam kumparan. Oleh karena itu, intensitas medan magnet di dalam kumparan akan lebih besar dibandingkan di sekitarnya konduktor lurus. Ketika lilitan digabungkan menjadi sebuah kumparan, medan magnet yang diciptakan oleh masing-masing lilitan bertambah (Gbr. 41, b) dan garis gayanya dihubungkan menjadi fluks magnet yang sama. Dalam hal ini, konsentrasi garis-garis medan di dalam kumparan meningkat, yaitu medan magnet di dalamnya meningkat. Semakin besar arus yang melewati kumparan, dan semakin banyak lilitan yang ada di dalamnya, maka semakin kuat pula medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut. Medan magnet di luar kumparan juga terdiri dari medan magnet masing-masing lilitan, namun garis-garis medan magnet letaknya tidak begitu padat, sehingga intensitas medan magnet di sana tidak sebesar di dalam kumparan. Medan magnet kumparan yang dialiri arus mempunyai bentuk yang sama dengan medan magnet permanen bujursangkar (lihat Gambar 35, a): daya garis magnet keluar dari salah satu ujung kumparan dan masuk ke ujung lainnya. Oleh karena itu, kumparan yang mengalir di sekitar arus adalah buatan magnet listrik. Biasanya, inti baja dimasukkan ke dalam kumparan untuk meningkatkan medan magnet; alat seperti itu disebut elektromagnet.
Elektromagnet telah menemukan aplikasi yang sangat luas dalam teknologi. Mereka menciptakan medan magnet yang diperlukan untuk pengoperasian mesin listrik, serta gaya elektrodinamik yang diperlukan. Untuk pengoperasian berbagai alat ukur listrik dan perangkat listrik.
Elektromagnet dapat memiliki rangkaian magnet terbuka atau tertutup (Gbr. 42). Polaritas ujung kumparan elektromagnet dapat ditentukan, seperti polaritas magnet permanen, dengan menggunakan jarum magnet. KE Kutub Utara ternyata di ujung selatan. Untuk menentukan arah medan magnet yang ditimbulkan oleh putaran atau kumparan, Anda juga dapat menggunakan aturan gimlet. Jika arah putaran gagang dipadukan dengan arah arus pada kumparan atau kumparan, maka gerak maju gimlet akan menunjukkan arah medan magnet. Polaritas elektromagnet juga dapat ditentukan dengan menggunakan tangan kanan. Untuk melakukan ini, Anda perlu meletakkan tangan Anda di atas kumparan (Gbr. 43) dan menyelaraskan empat jari dengan arah arus di dalamnya, sambil menekuknya. ibu jari akan menunjukkan arah medan magnet.
Jika jarum magnet didekatkan maka akan cenderung tegak lurus terhadap bidang yang melalui sumbu penghantar dan pusat putaran jarum. Ini menunjukkan bahwa pasukan khusus bertindak pada panah yang disebut kekuatan magnet . Selain berpengaruh pada jarum magnet, medan magnet juga mempengaruhi partikel bermuatan yang bergerak dan konduktor pembawa arus yang terletak di medan magnet. Pada konduktor yang bergerak dalam medan magnet, atau pada konduktor diam yang terletak pada medan magnet bolak-balik, timbul gaya gerak listrik induktif (ggl).
Medan magnet
Sesuai dengan penjelasan di atas, kami dapat memberikannya definisi berikut medan magnet.
Salah satu dari kedua sisinya disebut medan magnet medan elektromagnetik, bersemangat muatan listrik partikel yang bergerak dan perubahan medan listrik dan ditandai dengan efek gaya pada pergerakan partikel yang terinfeksi, dan juga pada arus listrik.
Jika Anda melewatkan konduktor tebal melalui karton dan mengalirkan arus listrik melaluinya, maka serbuk baja yang dituangkan ke karton akan ditempatkan di sekitar konduktor dalam lingkaran konsentris, mewakili dalam hal ini yang disebut garis induksi magnetik (Gambar 1). Kita dapat memindahkan karton ke atas atau ke bawah konduktor, tetapi lokasi pengarsipan baja tidak akan berubah. Akibatnya, medan magnet muncul di sekitar konduktor sepanjang keseluruhannya.
Jika Anda meletakkan yang kecil di karton jarum magnetis, kemudian dengan mengubah arah arus pada penghantar, terlihat jarum magnet akan berputar (Gambar 2). Hal ini menunjukkan bahwa arah garis induksi magnet berubah seiring dengan arah arus pada penghantar.
Garis induksi magnet disekitar penghantar berarus mempunyai properti berikut: 1) garis induksi magnet suatu penghantar lurus berbentuk lingkaran konsentris; 2) semakin dekat ke konduktor, semakin padat letak garis induksi magnet; 3) induksi magnet (intensitas medan) tergantung pada besarnya arus dalam penghantar; 4) arah garis induksi magnet tergantung pada arah arus dalam penghantar.
Untuk menunjukkan arah arus pada konduktor yang ditunjukkan pada bagian, sebuah simbol telah diadopsi, yang akan kita gunakan di masa depan. Jika kita secara mental menempatkan panah pada konduktor searah dengan arus (Gambar 3), maka pada konduktor yang arusnya diarahkan menjauhi kita, kita akan melihat ekor bulu panah (salib); jika arus diarahkan ke arah kita, kita akan melihat ujung panah (titik).
Gambar 3. Simbol arah arus pada konduktor
Aturan gimlet memungkinkan Anda menentukan arah garis induksi magnet di sekitar konduktor pembawa arus. Jika gimlet (pembuka botol) berulir kanan bergerak maju searah arus, maka arah putaran gagangnya akan bertepatan dengan arah garis induksi magnet di sekitar penghantar (Gambar 4).
Jarum magnet yang dimasukkan ke dalam medan magnet konduktor pembawa arus terletak di sepanjang garis induksi magnet. Oleh karena itu, untuk menentukan lokasinya juga dapat menggunakan “aturan gimlet” (Gambar 5). Medan magnet adalah salah satu manifestasi arus listrik yang paling penting dan tidak dapat diperoleh secara independen dan terpisah dari arus.
 |   |
| Gambar 4. Menentukan arah garis induksi magnet di sekitar penghantar berarus dengan menggunakan “aturan gimlet” | Gambar 5. Menentukan arah simpangan jarum magnet yang dibawa ke penghantar berarus, menurut “aturan gimlet” |
Induksi magnetik
Medan magnet dicirikan oleh vektor induksi magnet, yang karenanya mempunyai besaran tertentu dan arah tertentu dalam ruang.
Ekspresi kuantitatif untuk induksi magnetik sebagai hasil generalisasi data eksperimen dibuat oleh Biot dan Savart (Gambar 6). Mengukur medan magnet arus listrik dengan deviasi jarum magnet berbagai ukuran dan bentuknya, kedua ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa setiap elemen arus menciptakan medan magnet pada jarak tertentu dari dirinya sendiri, yang induksi magnetnya adalah Δ B berbanding lurus dengan panjang Δ aku elemen ini, besarnya arus yang mengalir SAYA, sinus sudut α antara arah arus dan vektor jari-jari yang menghubungkan titik medan yang menarik bagi kita dengan elemen arus tertentu, dan berbanding terbalik dengan kuadrat panjang vektor jari-jari ini R:
Di mana K– koefisien tergantung pada sifat magnetik lingkungan dan pada sistem satuan yang dipilih.
Dalam sistem satuan ICSA yang dirasionalisasi secara praktis dan mutlak
di mana µ 0 – permeabilitas magnetik vakum atau konstanta magnet dalam sistem MCSA:
µ 0 = 4 × π × 10 -7 (henry/meter);
Henry (gn) – satuan induktansi; 1 gn = 1 ohm × detik.
µ – permeabilitas magnetik relatif– koefisien tak berdimensi yang menunjukkan berapa kali permeabilitas magnetik suatu bahan lebih besar daripada permeabilitas magnetik dalam ruang hampa.
Dimensi induksi magnet dapat dicari dengan menggunakan rumus
Volt-detik disebut juga Weber (wb):
Dalam praktiknya, ada satuan induksi magnet yang lebih kecil - gauss (gs):
Hukum Biot-Savart memungkinkan kita menghitung induksi magnet dari konduktor lurus yang panjangnya tak terhingga:
Di mana A– jarak dari konduktor ke titik di mana induksi magnet ditentukan.
Kekuatan medan magnet
Rasio induksi magnet terhadap produk permeabilitas magnetikµ × µ 0 disebut kekuatan medan magnet dan ditunjuk dengan surat itu H:
B = H × µ × µ 0 .
Persamaan terakhir menghubungkan keduanya besaran magnetik: induksi dan kekuatan medan magnet.
Mari kita cari dimensinya H:
Terkadang satuan pengukuran kekuatan medan magnet lain digunakan - dikesampingkan (eh):
1 eh = 79,6 A/M ≈ 80 A/M ≈ 0,8 A/cm .
Kekuatan medan magnet H, seperti induksi magnet B, adalah besaran vektor.
Garis singgung yang setiap titiknya berimpit dengan arah vektor induksi magnet disebut garis induksi magnet atau garis induksi magnet.
Fluks magnet
Produk induksi magnet dan luas area, tegak lurus terhadap arah medan (vektor induksi magnet) disebut fluks vektor induksi magnetik atau hanya fluks magnet dan dilambangkan dengan huruf F:
F = B × S .
Dimensi fluks magnet:
yaitu fluks magnet diukur dalam volt-detik atau webers.
Satuan fluks magnet yang lebih kecil adalah Maxwell (mks):
1 wb = 108 mks.
1mks = 1 gs× 1 cm 2.
Video 1. Hipotesis Ampere
Video 1. Hipotesis Ampere
Video 2. Magnetisme dan Elektromagnetisme
