Richtung des Magnetfeldes in einem Solenoid

Der Nord- und Südpol eines Solenoids hängt von zwei Faktoren ab. Erstens die Richtung des Stromflusses und zweitens die Richtung der Wicklung (im oder gegen den Uhrzeigersinn). Bestimmen Sie zunächst den Pluspol der Stromquelle (zB: Batterie), dann das Ende des Elektromagneten, das Sie daran anschließen werden. Wenn Sie nun das Magnetrohr nach unten schauen, bestimmen Sie, in welche Richtung die Wicklung verläuft. Im Uhrzeigersinn in Bezug auf die positive Ader ist das der Südpol, im Gegenuhrzeigersinn der Nordpol. Zusammenfassend ist der magnetische Südpol also immer im Uhrzeigersinn in Bezug auf den positiven Draht.

Um den Nord- und Südpol eines Solenoids aus der Stromrichtung zu identifizieren, ist meiner Meinung nach die einfachste Methode diese Eselsbrücke,

was ich hier etwas ausführlicher erklärt habe . Um die Richtung der Feldlinien zu erhalten, kommen die Feldlinien wie immer aus dem Nordpol heraus und kreisen zurück zum Südpol.

Nur für den Fall, dass jemand anderes über diese Frage stolpert, die Rechte-Hand-Regel ist wirklich eine Familie von Regeln, die eine bestimmte Händigkeit haben. Die erste Standardform dieser Regel lautet:

Wenn$A \times B = C$dann ist unsere Standardausrichtung des 3D-Raums: Nehmen Sie Ihre rechte Hand und zeigen Sie in die Richtung von$A$mit deinem Zeigefinger. Richten Sie nun Ihre Hand so aus, dass sie in Richtung von zeigt$B$mit dem Mittelfinger, während Sie immer noch auf zeigen$A$mit deinem Zeigefinger. Dann$C$zeigt entlang Ihres Daumens, wenn Sie gerade stecken.

Dies hat eine sehr nützliche direkte Interpretation, wenn Sie eine Testladung haben, die ein positives Ion mit Geschwindigkeit ist$v$wo die Lorentzkraft ist$q~v \times B = F$, dein erster Finger ist der Geschwindigkeitsvektor, dein zweiter Finger ist das Magnetfeld und die resultierende Kraft zeigt neben deinem Daumen.

Natürlich müssen Sie bei einem Elektron dann seine negative Ladung einbeziehen, um eine entgegengesetzte Kraft zu finden, oder Sie müssen Ihre linke Hand verwenden, was der Verwendung Ihrer rechten Hand entspricht, jedoch mit einem eingebauten Minuszeichen.

Eine weitere Anwendung dieser Regel ist das Drehmoment$\tau = r\times F.$

Aber es gibt noch zwei weitere nützliche Fakten, um dies mit dem Rest der Regelfamilie zu verbinden:

1. Die magnetischen Feldlinien eines Linienstroms kräuseln sich um diese Linie, und

2. Zwei parallele Ströme spüren eine anziehende Lorentz-Kraft; zwei antiparallele Ströme (parallel, aber in entgegengesetzte Richtungen fließend) spüren eine abstoßende Lorentz-Kraft.

Wenn Sie nun Ihren Daumen entlang einer Stromlinie zeigen, bringt Ihre Handfläche (genauer gesagt die Mittelhandknochen) Ihre Finger (Phalange Bones) versetzt heraus und sie krümmen sich nur auf eine bestimmte Weise um den Daumen, gegen den Uhrzeigersinn, wenn Sie auf den Daumen schauen frontal. Gemäß (1) ist das Feld also entweder parallel oder entgegengesetzt zu der Art und Weise, wie sich Ihre Hand kräuselt, und gemäß (2) ist es tatsächlich parallel. (Beweis: Denken Sie daran, dass Ihre linke Hand ein intrinsisches Minuszeichen trägt, legen Sie Ihren linken Mittelfinger in die entgegengesetzte Richtung auf Ihren rechten Zeigefinger, um dieses Minuszeichen aufzuheben: dann, wenn Sie mit Ihrem linken Zeigefinger parallel zu Ihrem rechten Daumen zeigen , um eine Ladung zu symbolisieren, die sich in die gleiche Richtung wie die Linienladung bewegt, sollte Ihr linker Daumen in Richtung Ihrer rechten Handfläche zeigen, was auf eine Anziehungskraft hinweist.)

Die zweite Form dieser Regel lautet also:

Zeigen Sie mit dem Daumen Ihrer rechten Hand auf eine Linie mit normaler Strömung; Das Magnetfeld kräuselt sich um ihn herum, so wie sich Ihre Finger um Ihren Daumen kräuseln.

Schließlich haben wir die Polarität von Magneten, die einer Definition bedarf:

• Der Nordpol eines Stabmagneten ist die Seite, aus der die Feldlinien kommen.

Stellen Sie sich vor, Sie wenden die zweite Form der Rechte-Hand-Regel auf eine sehr große Magnetspule an. Mit anderen Worten, stellen Sie sich vor, Sie legen Ihren rechten Daumen entlang eines großen Zylinders.

Wenn die Strömung im Uhrzeigersinn um den Zylinder fließt, werden Ihre Finger nach innen baumeln, was bedeutet, dass sich das Feld von der Außenseite des Zylinders in seine Mitte kräuselt; Ihre Handfläche befindet sich also am Südpol des Solenoids. Aber wenn der Strom gegen den Uhrzeigersinn um den Zylinder fließt, werden Ihre Finger nach außen baumeln, und das Feld wird sich aus dem Inneren des Zylinders heraus kräuseln: Dies ist der Nordpol des Solenoids.

Hier ist nun der geniale Teil: Stellen Sie sich eine Magnetspule vor, deren Nordpol nach oben zeigt, und legen Sie Ihre rechten Finger in Richtung des Gegenuhrzeigersinns darum: Ihr rechter Daumen sollte auch gerade nach oben zeigen! Das führt zu einer dritten Form:

Legen Sie die Finger Ihrer rechten Hand in Richtung des normalen Stromflusses um ein Solenoid; Ihr Daumen zeigt in Richtung des Nordpols und Feldlinien kommen aus Ihrem Daumen, sie biegen sich über Ihren Handrücken in Richtung des Handrückens (kleine Seite). Wenn Sie den Nordpol eines Magneten kennen, zeigen Sie mit Ihrem rechten Daumen entlang und die Kräuselung Ihrer Finger beschreibt die Ströme, die dieses Magnetfeld verursachen.

Der Daumen zeigt eher technisch gesehen in die Richtung des "magnetischen Moments" der Stromschleifen, über die wir sprechen, das genauer durch Drehmoment definiert wird: eine Stromschleife in einem Magnetfeld$B$spürt ein Drehmoment$\mu\times B$Wo$\mu$ist sein magnetisches Moment. Dies tendiert dazu, die Ausrichtung der beiden Magnetfelder zueinander energetisch zu begünstigen, obwohl es, da Magnetfelder nicht für sich alleine arbeiten, stattdessen häufig eine Larmor-Präzession verursacht. Auf der Erde zeigen die Magnetfelder vage auf den geografischen Nordpol, so dass die Energieminimierung besagt, dass, wenn Sie einen Magneten ungestört lassen, er mit seinem "Nordpol" (magnetisches Moment) auf den geografischen Nordpol der Erde ausgerichtet ist, daher der Name.

(Ich erwähne das, weil, wenn Sie wirklich darüber nachdenken, die Tatsache, dass die Magnetfelder auf den geografischen Nordpol der Erde zeigen, bedeutet, dass sie an diesem Punkt in die Erde eindringen müssen , was sie tatsächlich zu einem magnetischen Südpol macht; mit anderen Worten, das magnetische Moment der Erde zeigt von ihrem Nordpol zu ihrem Südpol. Mit anderen Worten, gegenüberliegende Seiten ziehen sich an und gleiche Seiten stoßen sich ab und all das.)

In einfachen Worten, wenn die Stromrichtung im Uhrzeigersinn ist, dann ist die Richtung der magnetischen Linie nach Süden und wenn die Richtung gegen den Uhrzeigersinn ist, dann ist die Richtung nach Norden