Medan Magnet di Sekeliling Dawai Berarus

Cas elektrik yang bergerak membentuk arus, dan arus menghasilkan medan magnet. Bagi dawai lurus panjang, garis medan mengelilingi dawai dalam gelung bulat. Arah gelung ditentukan oleh arah arus, manakala kekuatan medan bertambah apabila arus lebih besar dan berkurang apabila jarak dari dawai bertambah.

Arah medan mengelilingi dawai

Kompas kecil yang diletakkan di pelbagai lokasi di sekeliling dawai berarus akan menunjukkan arah yang berubah mengikut kedudukan. Corak ini konsisten dengan garis medan berbentuk bulatan berpusat pada dawai. Kaedah tangan kanan membantu menetapkan arah: ibu jari menunjuk arah arus konvensional, manakala lengkungan jari menunjukkan arah medan magnet yang mengelilingi dawai. Pemerhatian ini pertama kali dicatat oleh Hans Christian Ørsted pada 1820 apabila jarum kompas berhampiran dawai berarus didapati memesong.

Arus dan jarak menentukan kekuatan medan

Untuk dawai lurus yang cukup panjang, magnitud medan magnet berkadar terus dengan arus dan berkadar songsang dengan jarak tegak dari dawai. Jika arus digandakan pada jarak yang sama, medan menjadi dua kali lebih kuat. Jika jarak digandakan pada arus yang sama, medan menjadi kira-kira separuh bagi model dawai panjang ideal. Untuk dawai lurus yang sangat panjang dalam vakum, hubungan ini ditulis sebagai B = μ0 I / (2π r), dengan μ0 ialah ketelapan vakum, I ialah arus dan r ialah jarak tegak dari dawai.

Geometri konduktor mengubah corak medan

Dawai lurus hanyalah satu geometri. Apabila dawai dibentuk menjadi gelung, sumbangan medan daripada bahagian berlainan boleh saling menguatkan berhampiran paksi gelung. Banyak lilitan yang disusun sebagai solenoid pula menghasilkan medan yang lebih teratur di bahagian dalamnya. Prinsip yang sama digunakan dalam elektromagnet, gegelung, motor dan pelbagai sensor magnet.

Hukum Biot-Savart menggabungkan sumbangan setiap bahagian arus

Untuk bentuk dawai yang umum, ahli fizik menggunakan Hukum Biot-Savart bagi mengira sumbangan medan daripada unsur arus yang kecil lalu menjumlahkannya sebagai vektor. Arah setiap sumbangan bergantung pada arah unsur arus dan kedudukan titik pemerhatian. Kerana medan ialah vektor, geometri dan simetri sangat penting; sumbangan daripada bahagian berlainan boleh menguatkan atau sebahagiannya membatalkan satu sama lain.

Simetri membolehkan Hukum Ampere memudahkan pengiraan

Bagi susunan yang sangat simetri, Hukum Ampere memberikan laluan yang lebih ringkas untuk menghubungkan kamiran medan magnet sepanjang laluan tertutup dengan arus yang menembusi permukaan yang dibatasi oleh laluan itu. Untuk dawai lurus panjang, simetri bulatan menerangkan mengapa magnitud medan sama pada semua titik yang berada pada jarak yang sama dari dawai. Bagi geometri tanpa simetri yang sesuai, Hukum Biot-Savart lazimnya lebih langsung.

Model dawai panjang ialah penghampiran

Hubungan mudah medan yang berkadar songsang dengan jarak menganggap dawai sangat panjang dan nipis berbanding jarak yang dikaji. Berhampiran hujung dawai, di dalam konduktor tebal, atau apabila arus berubah pantas mengikut masa, medan boleh memerlukan model yang lebih lengkap. Bahan magnet berhampiran juga boleh mengubah medan keseluruhan melalui tindak balas magnetnya sendiri.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?