background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Wykład 22 

22. Pole magnetyczne, indukcja elektromagnetyczna 

22.1 Prawo 

Ampera 

Chcemy teraz znaleźć pole magnetyczne wytwarzane przez powszechnie występują-

ce rozkłady prądów, takich jak przewodniki prostoliniowe, cewki itd. 

Pole magnetyczne prezentujemy graficznie rysując tzw. 

linie pola magnetycznego

 

czyli linie wektora indukcji magnetycznej. Na rysunku pokazane są linie pola magne-
tycznego wokół prostoliniowego przewodnika z prądem. Wektor B jest styczny do tych 
linii pola w każdym punkcie. 
 

 

 

Linie pola B   wytwarzanego przez przewodnik są 

zamkniętymi

 współśrodkowymi 

okręgami w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika

. To, że linie pola B są zamknięte 

stanowi fundamentalną różnicę między polem magnetycznym i elektrycznym, którego 
linie zaczynają się i kończą na ładunkach.

 

Zwrot wektora indukcji B wokół przewodnika wyznaczamy stosując następującą za-

sadę: Jeśli kciuk prawej ręki wskazuje kierunek prądu I, to zgięte palce wskazują kieru-
nek B
 (linie pola B krążą wokół prądu). 
Żeby obliczyć pole B potrzeba nam "magnetycznego" odpowiednika prawa Gaussa. 
Związek między prądem i polem B jest wyrażony poprzez 

prawo Ampera

Zamiast sumowania (całki) E po zamkniętej powierzchni, w prawie Ampera sumujemy 
(całkujemy) po zamkniętym konturze (całkę krzywoliniową). Taka całka dla pola E 
równała się wypadkowemu ładunkowi wewnątrz powierzchni, a w przypadku pola B 
jest równa całkowitemu prądowi otoczonemu przez kontur, co zapisujemy 
 
 

=

I

0

d

µ

l

B

 (22.1) 

 

 

22-1 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

gdzie 

µ

0

 = 4

π·10

-7

 Tm/A, jest 

przenikalnością magnetyczną próżni

. Tak jak w przypad-

ku prawa Gaussa wynik był prawdziwy dla dowolnej powierzchni zamkniętej tak dla 
prawa Ampera wynik nie zależy od kształtu konturu zamkniętego 
 

Przykład 1 

Obliczmy pole wokół nieskończenie długiego prostoliniowego przewodnika w odległo-
ści od niego. 
 

 

 
Z prawa Ampera wynika, że dla konturu kołowego 
 

B2

πr = µ

0

I 

 
Stąd 

 

r

I

B

π

µ

2

0

=

 (22.2) 

 

22.2 Strumień magnetyczny 

Tak jak liczyliśmy strumień dla pola E (liczbę linii przechodzących przez po-

wierzchnię S) tak też obliczamy strumień pola B 
 
 

=

S

B

s

d

φ

 (22.3) 

 

Ponieważ linie pola B są zamknięte więc strumień przez zamkniętą powierzchnię musi 
być równy zeru

 (tyle samo linii wchodzi co wychodzi). 

 

=

S

0

s

B

 

 

 

22-2 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

22.3 Przykładowe rozkłady prądów 

22.3.1 Pręt (przewodnik) 

Na zewnątrz pręta (r > R) znamy już pole B
 

 

 

 

r

I

B

π

µ

2

0

=

 

 
Pole to jest takie jakby cały prąd płynął przez środek pręta (analogie do rozkładu ładun-
ków). 
Jeżeli chcemy obliczyć pole wewnątrz pręta to wybieramy kontur kołowy o r < R
Wewnątrz konturu przepływa prąd i będący tylko częścią całkowitego prądu I 
 

2

2

R

r

I

i

π

π

=

 

Stąd 
 

B2

πr = µ

0

i 

 

2

2

0

2

R

r

I

r

B

π

π

µ

π =

 

Czyli 

2

0

R

Ir

B

π

µ

=

 

22.3.2 Cewka (solenoid) 

 

Solenoidem

 nazywamy cewkę składającą się z dużej liczby zwojów. Linie pola ma-

gnetycznego solenoidu są pokazane schematycznie na rysunku poniżej. Jak widać pole 
wewnątrz solenoidu jest jednorodne, a na zewnątrz praktycznie równe zeru. 

 

22-3 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

 
Jeżeli zwoje solenoidu stykają się ze sobą wówczas możemy rozpatrywać solenoid jako 
układ połączonych szeregowo prądów kołowych (rysunek). 
Do obliczenia pola wytwarzanego przez solenoid zastosujemy prawo Ampera, dla kon-
turu pokazanego na rysunku poniżej. 
 

 

 
Całkę po konturze zamknietym 

l

d  przedstawimy jako sumę czterech całek 

 

+

+

+

=

a

d

d

c

c

b

b

a

l

B

l

B

l

B

l

B

l

B

d

d

d

d

d

 

 
Druga i czwarta całka są równe zeru bo B 

⊥ l. Trzecia całka jest też równa zero ale to 

dlatego, że B = 0 na zewnątrz solenoidu. Tak więc niezerowa jest tylko całka pierwsza 
i równa 

=

b

a

h

B

l

d

 

 
gdzie h jest długością odcinka ab
Teraz obliczmy prąd obejmowany przez kontur.  
Jeżeli cewka ma n zwojów na jednostkę długości to wewnątrz konturu jest nh zwojów 
czyli całkowity prąd przez kontur wynosi: 
 

I = I

0

nh 

 

gdzie I

0

 jest prądem przepływającym przez cewkę (przez pojedynczy zwój). 

 

22-4 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Z prawa Ampera otrzymujemy więc: 
 

Bh = 

µ

0

I

0

nh 

czyli 
  

B = 

µ

0

I

0

n  

(22.4) 

 

22.3.3 Dwa przewodniki równoległe 

 

Dwa przewodniki równoległe umieszczone w odległości d. Płyną w nich prądy I

a

 i I

b

 

odpowiednio. 

i

a

 

i

b

 

B

a

 

 

Przewodnik a wytwarza w swoim otoczeniu pole  
 

d

I

B

a

a

π

µ

2

0

=

 

 
W tym polu znajduje się przewodnik b, w którym przepływa prąd I

b

. Na odcinek tego 

przewodnika działa siła 
 

 

d

I

I

l

lB

I

F

b

a

a

b

b

π

µ

2

0

=

=

 (22.5) 

 
Zwrot siły widać na rysunku. 
To rozumowanie można "odwrócić" zaczynając od przewodnika b. Wynik jest ten sam. 

Fakt oddziaływania przewodników równoległych wykorzystano przy definicji am-

pera. Załóżmy, że d = 1m oraz, że I

a

 = I

b

 = I. Jeżeli dobierzemy tak prąd aby siła przy-

ciągania przewodników, na 1 m ich długości, wynosiła 2·10

-7

 N to mówimy, że natęże-

nie prądu jest równe 

1 amperowi

 

 

22-5 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

22.4 Prawo 

Biota-Savarta 

  Istnieje inne równanie, zwane 

prawem Biota-Savarta

, które pozwala obliczyć  B 

z rozkładu prądu. Oczywiście to prawo i prawo Ampera muszą być matematycznie rów-
noważne. Prawo Ampera jest jednak "łatwe" w stosowaniu tylko gdy rozkłady prądów 
są na tyle symetryczne, że obliczenie odpowiedniej całki nie jest trudne. Gdy rozkład 
prądów jest skomplikowany (nie znamy jego symetrii) to dzielimy prądy na nie-
skończenie małe elementy (rysunek) i stosując prawo Biota-Savarta obliczamy pole od 
takich elementów, a następnie sumujemy je (całkujemy)  żeby uzyskać wypadkowy 
wektor B.  

 

dl 

θ 

dB 

 

 
Wartość liczbowa dB zgodnie z prawem Biota-Savarta wynosi 
 

2

0

sin

d

4

d

r

l

I

B

θ

π

µ

=

 

 
a zapisane w postaci wektorowej 
 

 

3

0

d

4

d

r

I

r

l

B

×

=

π

µ

 (22.6) 

 

Przykład 2 

Obliczmy pole B na osi kołowego przewodnika z prądem. 

 

dB

 

dB

II

 

d

α 

 

Z prawa B -S otrzymujemy 

2

0

90

sin

d

4

d

r

l

I

B

o

π

µ

=

 

oraz 

 

22-6 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

α

cos

d

d

B

B

II

=

 

Z tych równań otrzymujemy 

2

0

4

d

cos

d

r

l

I

B

II

π

α

µ

=

 

Ponadto 

2

2

x

R

r

+

=

 

oraz 

2

2

cos

x

R

R

r

R

+

=

=

α

 

Podstawiając otrzymujemy 
 

l

x

R

IR

B

II

d

)

(

4

d

2

3

2

2

0

+

=

π

µ

 

 
Zauważmy, że wielkości IRx są takie same dla wszystkich elementów prądu. 
Całkujemy, żeby obliczyć B (wyłączając stałe czynniki przed znak całki) 
 

2

3

2

2

2

0

2

3

2

2

0

2

3

2

2

0

)

(

2

)

2

(

)

(

4

d

)

(

4

d

x

R

IR

R

x

R

IR

l

x

R

IR

B

B

II

+

=

+

=

+

=

=

µ

π

π

µ

π

µ

 

 
Dla x >> R dostajemy 
 

3

2

0

2x

IR

B

µ

=

 

 

22.5 Indukcja 

elektromagnetyczna 

22.5.1 Prawo Faradaya 

Zjawisko 

indukcji elektromagnetycznej

  polega na powstawaniu prądów elektrycz-

nych w zamkniętym obwodzie podczas przemieszczania się względem siebie źródła po-
la magnetycznego i tego zamkniętego obwodu. Mówimy, że w obwodzie jest 

induko-

wana siła elektromotoryczna 

(SEM indukcji), która wywołuje przepływ 

prądu indukcyj-

nego

Prawo indukcji Faradaya stosuje się do trzech różnych sytuacji fizycznych: 
•  Nieruchoma pętla, względem której porusza się źródło pola magnetycznego (mamy 

tzw. elektryczną SEM). 

•  Przewód w kształcie pętli porusza się w obszarze pola magnetycznego (magnetycz-

na SEM). 

•  Nieruchoma pętla i nieruchome źródło pola magnetycznego lecz zmienia się prąd, 

który jest źródłem pola magnetycznego (także elektryczna SEM). 

Na podstawie obserwacji Faraday doszedł do wniosku, że czynnikiem decydującym jest 

szybkość zmian 

strumienia magnetycznego 

φ

B

. Ilościowy związek przedstawia prawo 

Faradaya 

 

22-7 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

 

t

B

d

d

φ

ε −

=

 (22.7) 

 
Jeżeli mamy obwód złożony z N zwojów to 
 

t

N

B

d

d

φ

ε −

=

 

 

22.5.2 Reguła Lenza 

Prąd indukowany ma taki kierunek, że przeciwstawia się zmianie, która go wywoła-

ła. Kierunek prądu indukowanego w pętli (rysunek) zależy od tego czy strumień rośnie 
czy maleje (zbliżamy czy oddalamy magnes). Ta reguła dotyczy prądów indukowanych. 
 

 

S N 

S N 

 

 

 

22-8