میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان الکتریکی

می دانیم سیم حامل جریان الکتریکی در فضای اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می کند. حال اگر سیم را به صورت حلقه دایره ای شکل دربیاوریم، میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان الکتریکی به صورت شکل زیر می شود. خط های میدان مغناطیسی در ناحیه داخل حلقه به یکدیگر نزدیکترند. یعنی میدان در این ناحیه قوی تر است. همچنین در نقطه های روی محور حلقه، میدان مغناطیسی موازی محور حلقه است.

شکل الف در بالا خطوط میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان الکتریکی را نشان می دهد. و شکل ب براده های اهن را در اطراف یک حلقه حامل جریان ریخته ایم و می بینیم که با خطوط میدان رسم شده مطابقت دارد.

تعیین جهت میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان الکتریکی با قاعده دست راست

برای تعیین جهت خطوط میدان در داخل حلقه از قاعده دست راست مطابق شکل پ در بالا استفاده می کنیم. به این صورت که انگشت شست دست راست را در جهت سیم حلقه قرار داده و چهار انگشت را از داخل حلقه به سمت کف دست می چرخانیم. در شکل بالا می بینیم که جهت میدان مغناطیسی در داخل حلقه از چپ به راست است.

میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان مشابه میدان مغناطیسی اطراف یک آهنربای تخت دایره ای شکل است (مطابق شکل زیر). به همین دلیل هر حلقه حامل جریان را به عنوان یک دو قطبی مغناطیسی در نظر می گیرند. میدان مغناطیسی در داخل حلقه از این دید از قطب S به قطب N است. یعنی پس از اینکه میدان مغناطیسی حلقه را با استفاده از قاعده دست راست تعیین کردیم، قطب های آن را تعیین می کنیم. به طور مثال در حلقه زیر میدان از پایین به سمت بالا است بنابراین قسمت پایین حلقه قطب S این دو قطبی و قسمت بالای حلقه قطب N است.

در شکل زیر با توجه به میدان های مغناطیسی رسم شده در اطراف حلقه با استفاده از قاعده دست راست می توان تشخیص داد جهت جریان الکتریکی در حلقه ساعتگرد است.

ویدیو آموزشی تعیین جهت با قاعده دست راست

ویدیو زیر را برای یادگیری بهتر چگونگی تعیین جهت میدان مغناطیسی سیملوله با استفاده از قاعده دست راست که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، را مشاهده کنید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

پیچه مسطح

استفاده از یک تک حلقه برای تولید میدان مغناطیسی به اندازه مطلوب تقریبا کاری غیر ممکن است. زیرا باید جریانی بیش از تحمل سیم به آن وارد شود. در این موارد به جای استفاده از تک حلقه، از پیچه ها برای تولید میدان مغناطیسی استفاده می شود.

مثال ۱: شکل زیر یک حلقه حامل جریان را نشان می دهد (در شکل نیمی از حلقه رسم شده است). اگر یک عقربه مغناطیسی در نقطه A روی محور حلقه قرار گیرد، قطب S آن به کدام طرف خواهد ایستاد؟

پاسخ مثال ۱: با توجه به جهت جریان سیم و قاعده دست راست میدان مغناطیسی روی محور حلقه از بالا به سمت پایین است. از آنجایی که قطب  N عقربه مغناطیسی در جهت میدان (به سمت پایین) قرار می گیرد، پس قطب S عقربه به سمت بالا خواهد ایستاد.

اندازه میدان مغناطیسی در مرکز حلقه دایره ای حامل جریان الکتریکی (مخصوص رشته ریاضی)

اندازه میدان مغناطیسی حلقه حامل جریان الکتریکی در مرکز حلقه از رابطه زیر بدست می آید.

که در این رابطه µ تراوایی مغناطیسی خلا است که مقدارش را در بالا مشاهده می کنید. همچنین N تعداد حلقه های پیچه و R شعاع حلقه است.

مثال ۲: از پیچه ای به شعاع ۶ سانتی متر و تعداد ۱۰۰ دور سیم، جریانی به شدت ۲ آمپر می گذرد. میدان مغناطیسی در مرکز پیچه چند تسلا است؟ (µ_۰=۱۲×۱۰^-۷ Tm/A)

مثال ۳: بزرگی میدان مغناطیسی در مرکز پیچه مسطحی شامل ۵۰ حلقه که مساحت هر حلقه آن ۳۶πcm² می باشد، برابر با    20πG است. جریان عبوری از پیچه برابر با چند آمپر است؟ (µ_۰=۴π×۱۰^-۷ Tm/A)

مثال ۴: در شکل زیر، اندازه میدان مغناطیسی حاصل از سیم راست در نقطه A واقع در مرکز حلقه به شعاع ۱٫۵ سانتی متر ، ۲ گاوس است. چه جریانی و در چه جهتی از حلقه بگذرد تا اندازه میدان مغناطیسی خالص در نقطه A صفر شود؟

 (µ_۰=۱۲×۱۰^-۷ Tm/A)

پاسخ مثال ۴: با استفاده از قاعده دست راست روی سیم حامل جریان، می دانیم میدان مغناطیسی ناشی از سیم در مرکز حلقه درونسو است. برای اینکه میدان میدان خالص در مرکز حلقه صفر شود، باید میدان مغناطیسی ناشی از حلقه در مرکز حلقه برونسو و برابر با میدان سیم حامل جریان باشد. پس جهت جریان در حلقه پادساعتگرد است.

---

ویدیو آموزشی محاسبه میدان مغناطیسی پیچه مسطح

در ویدیو زیر که توسط استاد مصطفی کبیری تهیه شده است، در مورد چگونگی محاسبه میدان مغناطیسی در مرکز پیچه مسطح توضیح داده می شود.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

---

---