Magnetosztatika példák - Áram által átjárt vezető elrendezés mágneses tere

A Fizipedia wikiből
Navigáció Pt·1·2·3
Kísérleti fizika gyakorlat 2.
Gyakorlatok listája:
  1. Erőhatások elektromos erőtérben, elektromos térerősség
  2. Elektromos potenciál
  3. Dielektrikumok, Gauss-tétel. Kapacitás, kondenzátorok
  4. Kapacitás, kondenzátorok. Elrendezések energiája
  5. Vezetőképesség, áramsűrűség
  6. Biot-Savart törvény, gerjesztési törvény
  7. Erőhatások mágneses térben
  8. Mágneses térerősség. Kölcsönös és öninduktivitás
  9. Az indukció törvénye, mozgási indukció
  10. Mágneses tér energiája. Váltakozó áram, eltolási áram
Magnetosztatika - Biot-Savart törvény, gerjesztési törvény
Feladatok listája:
  1. Egyenes vezető mágneses tere
  2. Egyenes vezető mágneses tere 2
  3. Áram által átjárt vezető elrendezés mágneses tere
  4. Áram által átjárt hengeres vezetékben a mágneses tér
  5. Áram által átjárt üreges hengerben a mágneses tér
  6. Párhuzamos, végtelen vezetők mágneses tere
  7. Gyűrű alakú vezető mágneses tere
  8. Négyzet alakú fémkeret mágneses tere
  9. Koaxiális vezető mágneses tere
  10. Körív alakú vezető mágneses tere
  11. Körmozgást végző töltött test mágneses tere
  12. Forgó korong mágneses tere
© 2012-2013 BME-TTK, TÁMOP4.1.2.A/1-11/0064

Feladat

  1. Határozzuk meg a mágneses indukciót az ábra alapján megadott \setbox0\hbox{$I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% áram által átjárt vezető elrendezés \setbox0\hbox{$P$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% pontjában!(ábra)
    KFGY2-6-3.png

Megoldás


Mivel a rendszer nem rendelkezik olyan szimmetriákkal, amelyek az Amper-féle gerjesztési törvény alkalmazását egyszerűvé tennék, a mágneses indukció meghatározásához a Biot-Savart törvényt használjuk:

\[B=\frac{\mu_0 I}{4 \pi} \int \frac{\vec{dl}\times \vec{r}}{\mid \vec{r} \mid ^3}\]

Az ábra alapján beláthatjuk, hogy a két egyenes vezetőszakasz tengelye átmegy a \setbox0\hbox{$P$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ponton, így ezen vezetőszakaszokon a \setbox0\hbox{$\vec{dl}\times \vec{r}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% vektorszorzat azonosan nullát ad. Ez azt jelenti, hogy a \setbox0\hbox{$P$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% pontban mágneses teret csak a fékörív kelt. Vegyük a körív egy \setbox0\hbox{$dl$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% hosszúságú infinitezimális ívelemét, mely a középpontból \setbox0\hbox{$d\varphi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% szög alatt látszik. Az ívdarab hossza:

\[dl=Rd\varphi\]

Bármely tetszőlegesen kiválasztott \setbox0\hbox{$dl$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ívelem \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% távolságra van a \setbox0\hbox{$P$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ponttól, továbbá megállapítható, hogy az ívelemek mindig merőlegesek a középpontból feléjük húzott \setbox0\hbox{$r$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% sugárra. A Biot-Savart törvényben található \setbox0\hbox{$\vec{dl}\times \vec{r}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% vektorszorzat tehát mindig merőleges a körív síkjára, nagysága pedig felírható a mennyiségek skalárértékeinek szorzataként:

\[B=\dfrac{\mu_0 I}{4 \pi} \int \dfrac{dlR}{ R^3}=\dfrac{\mu_0 I}{4 \pi} \int \dfrac{dl}{ R^2}=\dfrac{\mu_0 I}{4 \pi} \int_0^{\pi} \dfrac{d\varphi}{ R}\]

Az integrál kiszámítása után a mágneses indukció:

\[B=\dfrac{\mu_0 I}{4 \pi R} \pi=\dfrac{\mu_0 I}{4 R}\]