background image

Pole magnetyczne prądu elektrycznego

q

- siła działająca na ładunek q, zarówno nieruchomy

jak i poruszający się.

Jeśli ładunek porusza się, działa dodatkowa siła, propocjonalna do jego 
prędkości i ładunku q, dana wyrażeniem :

mag.

x        

siła Lorentza

Wyrażenie to definiuje pole magnetyczne B:

B

#

Jednostką jest tesla : 1T = 

Siła całkowita działająca na poruszający się ładunek :

Siła elektomagnetyczna 

=  

E

+  

mag. 

Siła  

mag.  

może działać również gdy siła elektrostatyczna 

E

= 0, np. pomiędzy przewodami z płynącym prądem

E

F

E

V

F

V

B

mag

F

qV

N

Am

F

F

F

E

V

B

F

F

background image

Wykazano, że       

mag.

- odległość, w jakiej element przewodu znajduje się od drugiego 
przewodu.

Dla pojedynczego ładunku poruszającego się w pobliżu przewodnika 
z prądem, równolegle do tego przewodnika:

Z równania # :                   =       

F

k

c

2I I

r

2

⋅ l

F

mag.

k

c

I

r

qV

2

2

k

c

I

r

2

2

Pole magnetyczne w odległości od 
nieskończenie długiego, prostego
przewodu z prądem.

background image

Kierunek i zwrot wektora pola 
magnetycznego określa się z 
reguły prawej ręki : jeśli 
ujmiemy przewód z prądem 
tak,  że kciuk jest skierowany 
zgodnie z I, to pozostałe palce 
wskażą zwrot 

Z tej reguły, i z równania wektorowego 

mag.

=  q  x 

można 

wyznaczyć kierunek i zwrot  

mag

dla różnych .

B

F

V

B

F

V

background image

Konwencja oznaczania wektorów 
prostopadłych do płaszczyzny rysunku:

X

zwrot do płaszczyzny

zwrot od płaszczyzny

(

mag.

zawsze prostopadłe do  !)

F

V

background image

Ładunek, który wpadnie do jednorodnego pola magnetycznego z 

prędkością

będzie poruszał się po okręgu.

Siła  F = q V B wywoła przyspieszenie a

n

=

, normalne (prostopadłe) 

do v.

a

n

Z kinematyki ruchu po okręgu

a

n

=  

=  

Promień okręgu

:  =

;   Okres: =  

V

B

F

m

qvB

m

2

v

r

2

v

r

qvB

m

mv

qB

2 r

v

π 

2

πm

qB

background image

Przykład:

Do skrzyżowanych prostopadle pól   i  . wpada wiązka 

protonów z = 0,1c i  

oraz      

⊥ .

Dla jakiego   siła elektromagnetyczna działająca na protony równa 

się zero ?

E

+  

mag.

q

+ q  x 

= 0 ;  e

⇒ e

x =0

= - x

⊥ więc skalarnie E = v B

czyli = 

(cząstki o innym v

będą odchylone)

E

B

V

E

V

B

E

B

F

F

F

E

V

B

F

E

V

B

E

V

B

V

B

E

B

background image

Obliczmy całkę z   po okręgu o promieniu przez środek którego przechodzi 
przewód z prądem I.

d

= = 

 

B

=  2

πr = 

okrąg          okrąg             okrąg                                                         

(wartość całki nie zależy od r !)

(

;  dla danego wartość = const.; całka krzywoliniowa:

)

Jakie jest pole magnetyczne wytwarzane przez dowolny układ 
przewodników z prądem?

(inaczej: czy istnieje odpowiednik prawa Gaussa 

dla pola magnetycznego?)

B

∫ B

s

Bds

ds

k

c

2I

r

2 r 4 k

c

I

2

2

π 

π 

=

ds

r

=

2

π



B

d s

background image

Dla elementu konturu d

d

=  d

(bo  składowa wektora d
prostopadła  do   nie daje
wkładu  do  iloczynu skala-
rnego)

również

d     =  d

d

d

są elementami okręgów

współśrodkowych ze środkiem w
przewodniku I.

Obliczmy całkę z pola

dla dowolnego konturu zamkniętego otaczającego 

przewód z prądem.

B

1

s

1

B

1

s

1

B

1

'

s

1

s

B

2

B

2

s

2

B

2

'

s

1

'

s

2

'

s

background image

d = d + d  + 

....... 

= d

+    d

+ ...=

d  '

kontur dowolny

całka nie zależy od promienia okręgu którego elementem jest

d

dowolny okrąg

∫ B

s

1

B

1

s

2

B

2

s

1

B

1

s

2

B

2

s

B

s

s

∫ B

s

4

2

πk

c

I

background image

Jeśli  kontur  zamknięty  otacza  przewodów  z  prądami 
I

1

, I

2

,......I

n

, możemy zastosować zasadę superpozycji pól.

1

d

=  

1

;  .....

n

d

=  

n

(całki 

n

d

są całkami krzywoliniowymi po konturach zamkniętych)

1

d

+ .......  + 

n

d

=  

1

+ .....  +  

n

+  + ....  +  ) d

=

I

1

+ I

2

+ ..... I

n

)

Prawo 
Ampere

a

d

=   

K

I

K

jest sumarycznym prądem objętym konturem K

I

K

=  d

gdzie jest dowolną powierzchnią

ograniczoną konturem K

(całka powierzchniowa)

∫ B

s

4

2

πk

c

I

∫ B

s

4

2

πk

c

I

∫ B

s

∫ B

s

∫ B

s

4

2

πk

c

I

4

2

πk

c

I

(

1

B

2

B

n

B

s

4

2

πk

c

(

B

k

s

4

c

I

k

2

 π 

∫ j

A

A

Prawo Ampere

a jest  słuszne nie tylko dla prostych przewodów z prądem 

I

1

, I

2

, .... I

n

, ale dla przewodów o dowolnym kształcie.

background image

Prawo Ampere

a jest  słuszne nie tylko dla prostych przewodników z 

prądem I

1

, I

2

, .... I

n

, ale dla przewodników o dowolnym kształcie.

Przez analogię do strumienia elektrycznego 

φ

E

można określić

strumień magnetyczny przez pewną powierzchnię jako liczbę linii 
pola przechodzących przez s.

d

φ

B

;

φ

B

d

B

s

∫ B

s

s

background image

Linie  pola  są ciągłe  wokół przewodnika, zatem strumień przez

dowolną powierzchnię zamkniętą jest 

równy zeru (bo wszystkie linie które 
wchodzą do muszą także wyjść): 

= 0

Dla n przewodników z prądami I

1

, I

2

, ....  I

n

φ

B

=

d =   

1

d

+ .....+

n

d

φ

1

+   

φ

2

+  ... +

φ

n

Dla powierzchni zamkniętej :

d

=  0

Jest to słuszne dla przewodników z prądami  I

1

..... I

n

o dowolnym 

kształcie.

∫ B

s

s

∫ B

s

s

∫ B

s

s

∫ B

s

s

∫ B

s

s

background image

Pochodzenie siły magnetycznej

Obojętny elektrycznie przewód w którym płynie prąd  dla obserwatora 
poruszającego się z prędkością wzdłuż przewodu (w kierunku zgodnym 
I) wykazuje gęstość ładunku

λ

= -

( )I

#

Efekt ten wynika ze szczególnej teorii względności, z tzw. 

skrócenia

Lorentza

: długość przedmiotu który porusza się względem nas z 

prędkością będzie miał dla nas długość:

l

'

(skrócenie wymiaru wystąpi w kierunku ruchu);

- długość przedmiotu w spoczynku

2

v

c

2

1

c

2

1

1 v

c

2

v

2

background image

Dla "obserwatora" na ładunku  odległości między  ładunkami  
przewodniku ulegną skróceniu, więc gęstość liniowa 

λ

+

wzrośnie.

Ten efekt jest jeszcze silniejszy dla poruszających się  ładunków 
ujemnych w przewodniku (większa prędkość względna), czyli 

λ

-

>

λ

+

.

A więc przewód nie jest obojętny elektrycznie dla poruszającego się
ładunku q, lecz wykazuje wypadkowy ładunek ujemny. Dla 
zewnętrznego obserwatora, ten wypadkowy ładunek działa na 
ładunek siłą :

o

k
c

I

r

qV

2

2

( )

background image

Pole elektromagnetyczne

Wykażemy,  że  i  są

składowymi tego samego pola 

elektromagnetycznego. Dla poruszających się obserwatorów zachodzi 
transformacja relatywistyczna   i   (oba pola przechodzą wzajemnie 
jedno w drugie).
Załóżmy,  że w układzie laboratoryjnym xy znajduje się nieruchomy 
przewodnik zawierający  ładunek dodatni o gęstości liniowej 

λ

- prąd 

nie płynie.

W układzie xy
= 0 

(np. w punkcie A)

Obserwator związany z układem x

y

poruszającym się z prędkością

zaobserwuje przepływ prądu (w lewo) o natężeniu: I

λ

(

λ

- gęstość

liniowa ładunku obserwowana w układzie x

y

).

E

B

E

B

2k

r

λ

v

background image

Stwierdzi więc pole magnetyczne:  

B

=     

i elektryczne:   E

czyli:   B

=   E ;   wektorowo:       =   x 

To znaczy, że poruszający się układ  ładunków elektrycznych z 
prędkością wytworzy pole magnetyczne:

=   x 

Podobnie, rozpatrując przewodnik nienaładowany w którym płynie prąd 
i który porusza się z prędkością

, można wykazać,  że będzie on 

wytwarzał pole elektryczne

= - x  

Jest to ogólny związek między polem elektrycznym i polem 
magnetycznym wytwarzanym przez źródło prądu poruszające się z 
prędkością .

Tak wytworzone pole elektryczne nazywamy indukcją

elektromagnetyczną

prawo Faradaya

k

c

I

r

2

2

'

=

k

c

v '

r

2

2

λ

2k '

r

λ

v

c

2

B

v

c

2

E

B

v

c

2

E

v

E

v

B

v

background image

Przykład

: Jakie napięcie powstanie na końcach skrzydeł samolotu 

lecącego wzdłuż południka z prędkością 1000 km/godz.?  Długość
skrzydeł = 25m ; składowa pionowa pola magnetycznego Ziemi B

0,6 10

-4

T

= - x    

E

v

B

(bo porusza się względem Ziemi, 

czyli źródła pola magnetycznego)

.

, czyli E = v B

v

B

= 1000 (km/godz) • 0,6 •10

-4

(T)

278 (m/s) • 0,6 •10

-4

(Vs/m

2

≅ 0,017 V/m

dV = -

d

= - E l = 0,017 V/m • 25 m  

≅ 0,4 V

E

s

background image

Inny sposób przedstawienia 
rozkładu pola ładunku będącego w 
ruchu jednostajnym

Pola elektryczne i magnetyczne wytworzone 
w pewnej chwili przez ładunek poruszający 
się ruchem jednostajnym.

background image

Prawo Biota - Savarta

Rozważmy  ładunek  poruszający się z prędkością v

<<

c.

Wytwarza on pole elektryczne w odległości r:

k

- wektor jednostkowy skierowany od q  do punktu 

w którym wyznaczamy pole E

ponieważ : = x 

 

=

x  (k

) = 

Zastosujmy to równanie do ładunku dpłynącego w elemencie dl

obwodu  z prądem :

d  =

x   =   

(d  jest wektorem długości elementu dz prądem; )

d = 

Prawo Biota-Savarta jest równoważne prawu Ampera. Całkowite 

pole   w danym punkcie oblicza się całkując powyższe równanie po  
całym,  zamkniętym  obwodzie z  prądem (tzn. sumując pola d
wytworzone przez wszystkie elementy dl obwodu z prądem)

E

q

r

r

2

r

B

c

v

2

E

B

c

v

2

q

r

r

2

k

c

q

r

2

2

r

B

dt

d

r

dq

c

k

2

2

l

r

r

r

x

d

dt

dq

c

k

2

2

l

l

d

dt

v;

=

l

dq

dt

I

=

B

r

r

d

I

c

k

2

2

ˆ

x

l

r

B

B

v

Prawo Biota - Savarta 

background image

Zastosowania prawa Ampere’a i prawa Biota-Savarta

Pręt lub drut

: wyznaczyć pole na zewnątrz pręta w którym płynie prąd o 

jednorodnej gęstości j

=  

(prawo Ampere’a)

B

B 2

π

r

okrąg   

(jest stałe na okręgu ze środkiem w środku

pręta, oraz      



)

2

π = I

=            gdzie = d

(

por. równanie ze str. 11.2

)

Pole magnetyczne na zewnątrz pręta jest takie same jak dla cienkiego 
drutu umieszczonego w środku pręta, w którym płynąłby prąd o takim 
samym natężeniu I.

∫ B

4 k

c

2

π

∫ B

d s

d s

ds

B

d s

4 k

c

2

π

k

c

2I

r

2

∫ j

A

background image

Solenoid

: wyznaczyć pole B

w

wewnątrz długiego solenoidu

posiadającego zwojów na jednostkę długości.

=  

I

k

(prawo Ampere

a)

I

k

l n I

w

+  

+  

+  

ABCD         

AB                     BC                  CD               DA

B

w

=

ln I

⇒ B

w

=  

n I

∫ B

d s

4 k

c

2

π

∫ B

d s

∫ B

d s

∫ B

d s

∫ B

d s

∫ B

d s

4 k

c

2

π

4

2

πk

C

background image

Obwód kołowy

:  Wyznaczyć pole  wzdłuż osi obwodu kołowego o 

promieniu R

d

=  

I  

(Prawo Biota-Savarta)

d

dB =   I 

Interesuje nas tylko składowa dB

x

(bo składowa dB

y

dla każdego 

elementu 

∆ będzie skompensowana przez taką samą co do wartości, 

ale przeciwnie skierowaną składową dB

y

wytworzoną przez element d

przeciwległy do )

z podobieństwa trójkątów:

dB

x

=  

B

k

c

2

d xr

r

2

l

l

r

k

c

2

d

r

2

l

l

l

l

d B

dB

R

r

x

=

R

r

dB

k

c

I R

r

d

2

3

l

background image

Sumując składowe dB

x

pochodzące od wszystkich elementów dl obwodu 

kołowego (czyli całkując):

B

x

okrąg                                    okrąg

=

π

- powierzchnia otoczona przez obwód kołowy.

Podobnie jak dla dipola elektrycznego (E 

), pole magnetyczne obwodu 

kołowego B 

(wzdłuż osi).

k

c

I R

r

d

k

c

I R

r

d

k

c

I R

r

2 R

2

3

2

3

2

3

l

l

=

=

=

π

k

c

2I

r

R

2 3

2

π

k

c

2I

r

A

2 3

2

R

1

3

r

1

3

r

background image

Linie pola magnetycznego B magnesu sztabkowego i solenoidu o 
skończonej długości.

Linie pola B

obwodu kołowego (w 

płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny 
obwodu i przechodzącej przez średnicę
obwodu).

background image

Moment magnetyczny

:  na magnes sztabkowy umieszczony w 

jednorodnym polu magnetycznym działają siły (orientujące magnes 
zgodnie z polem) takie, jakby na biegunach magnesu były „ładunki”
magnetyczne q

m

-q

m

(nie istnieją, ale pojęcie wygodne do opisu !)

q

m

Moment sił F

F l sin

α

q

m

B l sin

α

(l - długość magnesu)

µ

= q

m

l - moment magnetyczny

µ

B sin

α

lub     =    x  

F

B

T

µ

B

background image

Z jaką siłą pole magnetyczne działa na element obwodu z prądem?

Siła Lorentza :              = q

x  

dla elementu dl w którym płynie ładunek dq:

d

dq

x   = dq

x =

x  

d

I d x  

F

v

B

F

v

B

d

dt

l

B

dq

dt

l

B

F

l

B

background image

Przykład

: Z jaką siłą oddziałują na siebie elementy 

= 1m nieskończenie 

długich, równoległych przewodów oddalonych od siebie o = 1m,  w  których 
płynie prąd o natężeniu 1A?

Jeden z przewodników wytwarza w odległości pole B:

ponieważ d

I d x ; 

 

d

dla elementu 

l

=  

l

= 10

-7

1m = 2 10

-7

N

k

c

2I

r

2

F

l

B

l

B

k

c

2I

r

2

k

c

2II

r

2

N

A

A

m

2

2

2

1

Definicja Ampere’a

: prąd stały o natężeniu 1A płynący w 

dwu prostoliniowych, równoległych, nieskończonych i 
cienkich przewodach oddalonych o 1 m, wywołuje w próżni 
siłę wzajemnego oddziaływania równą 2x10

-7

N na 1m.

background image

Jaki moment sił działa na ramkę z prądem umieszczoną w 

jednorodnym polu magnetycznym?

d   = I  d x

Siły działające na boki l

2

znoszą się (nie są

zaznaczone na rysunku, są skierowane do 
środka ramki, w jej płaszczyźnie).
Na boki l

1

działają siły 

I

więc F = I l

1

B

Moment sił: T = F l

2

sin

α

= I l

1

B l

2

sin

α

= I l

1

l

2

sin

α

I A B sin

α

l

1

l

2

- powierzchnia otoczona przez obwód

Przez analogię do magnesu sztabkowego : 

µ

sin 

α

µ

I A

moment magnetyczny pętli z prądem

F

l

B

F

1

l

B

1

l

B

background image

Dla solenoidu o zwojach

n I A B sin

α

,

przy długości solenoidu, po jego powierzchni płynie wypadkowy prąd 

powierzchniowy J = 

czyli J l A B sin

α

(dla magnesu sztabkowego q

m

B l sin

α

)

przez analogię : q

m

J A „ładunek” magnetyczny solenoidu

µ

J A l

Magnesy sztabkowe można traktować jako solenoidy o prądzie 
powierzchniowym będącym prądem wypadkowym prądów atomowych; na 
całkowity moment magnetyczny magnesu składają się momenty 
magnetyczne atomowe wywołane prądami elektronowymi.

nI

nI J

l

l

=

background image

Przykład

: Obliczyć moment magnetyczny atomu żelaza.

Prąd elektronu o ładunku na orbicie o promieniu przy 

prędkości wynosi : =   (- okres obiegu orbity)

=  

⇒ 

Moment magnetyczny pętli z prądem :

µ

= I A

A = 

π r

2

⇒ µ

e

= I 

π r

2

=  

π r

2

e

T

2 r

v

π

ev

2 r

π 

ev

2 r

π 

ev r

2

background image

Mnożąc licznik i mianownik przez masę elektronu :

µ

e

= (mVr) =  

L (L = mVr - moment pędu)

Z mechaniki kwantowej: jest wielkością skwantowaną, o minimalnej 

wartości (kwancie);  = = 

h

,  

gdzie  jest stałą Plancka:   = 6,63 10

-34

J s

więc :      

µ

e

=  

= 9,3 

⋅ 10

-24

Am

2

Magneton Bohra

Wartość

µ

e

nie zależy od - wszystkie elektrony na orbitach mają taki 

sam minimalny moment magnetyczny. W atomie żelaza, momenty 
magnetyczne 24 elektronów się znoszą; tylko dla 2 elektronów są
zgodne, więc:

µ

Fe

= 2 

µ

e

= 1,86 10

-23

A m

2

e

m

2

e

m

2

π

2

h

e

m

2

h

2

π

background image

Równania Maxwella dla prądu stałego

1) Prawo Gaussa

d = 

4

πkQ

wew.

(całka powierzchniowa)

________________________________________________________________________________________

2) W  elektrostatyce różnica 

d

=  0

potencjałów nie zależy od     

(całka krzywoliniowa)

drogi (praca siły zachowa-
czej na drodze zamkniętej = 0)

_______________________________________________________________________________________

3) Strumień magnetyczny             
przez  dowolną powierzchnię

d = 

0

zamkniętą jest zero

(całka powierzchniowa)

(linie pola są ciągłe,  
bo nie istnieją ładunki magnetyczne).

________________________________________________________________________________________

4) Prawo Ampere

a

d

=

I

wew.

(całka krzywoliniowa)

________________________________________________________________________________________

∫ E

s

∫ E

s

∫ B

s

∫ B

s

4 k

2

c

π

Powyższe równania można wyprowadzić z równania Coulomba i ze szczególnej teorii 
względności (przy założeniu,  że  ładunki w ruchu wnoszą do prawa Gaussa wkład 
niezależny od swojej prędkości). Siła magnetyczna nie jest nowym rodzajem oddziaływań.