Bioti-Savarti seadus

Vool tekitab magnetvälja ja Bioti-Savarti seadus ütleb, kui suure panuse annab iga lühike juhtmelõik: dB = (μ₀/4π) I dl × r̂/r², risti nii juhtme kui ka vaadeldavasse punkti viiva sirgega. Liida need tükid kokku ja käes ongi mistahes juhtme väli. Vali kuju, määra voolutugevus ning võrdle täpset valemit N sirgelemendi summaga.

Ühe vooluelemendi väli dB⃗=μ04π I dl⃗×r^r2d\vec B=\frac{\mu_0}{4\pi}\,\frac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^{2}}
Voolule mõjuv jõud ja kahe juhtme vastastikmõju F⃗=IL⃗×B⃗,FL=μ0I1I22πd\vec F=I\vec L\times\vec B,\qquad\frac{F}{L}=\frac{\mu_0I_1I_2}{2\pi d}
Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Õppetund

Teooria — Bioti-Savarti seadus

Bioti-Savarti seadus määrab vooluelemendi I dl tekitatud magnetvälja sellest kaugusel r asuvas punktis: dB = (μ₀/4π) I dl × r̂/r², kus μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Kogu juhtme välja saamiseks liidetakse elementide panused, mis tähendab integraali piki juhet.

Mida iga sümbol tähendab

I dl
lühike juhtmelõik voolusuunalise vektorina
r̂
ühikvektor elemendist vaadeldava punktini
φ
nurk vektorite dl ja r̂ vahel; elemendi väli on võrdeline suurusega sin φ

Kust valem tuleb

  1. Üksik element. Elemendi I dl väli on risti nii vektori dl kui ka vektoriga r̂ (parema käe reegel) ning selle väärtus on (μ₀/4π) I dl sin φ/r². Otse punkti P suunatud element väljale panust ei anna.
    dB⃗=μ04π I dl⃗×r^r2,dB=μ04π I dl sin⁡φr2d\vec B=\frac{\mu_0}{4\pi}\,\frac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^{2}},\qquad dB=\frac{\mu_0}{4\pi}\,\frac{I\,dl\,\sin\varphi}{r^{2}}
  2. Sirglõik. Kõigi elementide tekitatud väli punktis P on samasuunaline. Asendades x = d tan θ, millest r = d/cos θ ja sin φ = cos θ, saab integraaliks ∫cos θ dθ. Lõpmatu juhtme korral muutub nurk vahemikus θ = −90° kuni 90°.
    B=μ0I4πd∫θ1θ2cos⁡θ dθ=μ0I4πd(sin⁡θ2−sin⁡θ1) → μ0I2πdB=\frac{\mu_0I}{4\pi d}\int_{\theta_1}^{\theta_2}\cos\theta\,d\theta=\frac{\mu_0I}{4\pi d}\left(\sin\theta_2-\sin\theta_1\right)\ \to\ \frac{\mu_0I}{2\pi d}
  3. Ringjuhe oma teljel. Iga element on punktist P ühesugusel kaugusel √(R² + z²) ja risti kohavektoriga. Piki ringjuhet ristkomponendid teljega taanduvad ning igast elemendist jääb piki telge alles murdosa R/√(R² + z²).
    Bz=∮μ04π I dlR2+z2⋅RR2+z2=μ0IR22(R2+z2)3/2B_z=\oint\frac{\mu_0}{4\pi}\,\frac{I\,dl}{R^{2}+z^{2}}\cdot\frac{R}{\sqrt{R^{2}+z^{2}}}=\frac{\mu_0IR^{2}}{2\left(R^{2}+z^{2}\right)^{3/2}}
  4. Kaar oma keskpunktis. Iga element asub kaugusel R ja on raadiusega risti, seega on integraali tulemuseks kaare kesknurga ja suhte μ₀I/(4πR) korrutis.
    B=∫0θ0μ04π IR dθR2=μ0Iθ04πRB=\int_{0}^{\theta_0}\frac{\mu_0}{4\pi}\,\frac{IR\,d\theta}{R^{2}}=\frac{\mu_0I\theta_0}{4\pi R}
  5. Juhtmele mõjuv jõud. Magnetväli mõjub vooluelemendile jõuga dF = I dl × B, mis on liikuvatele laengutele mõjuvate jõudude summa. Asetades ühe pika juhtme teise välja, saamegi jõu juhtme meetri kohta.
    dF⃗=I dl⃗×B⃗,FL=I2 μ0I12πdd\vec F=I\,d\vec l\times\vec B,\qquad\frac{F}{L}=I_2\,\frac{\mu_0I_1}{2\pi d}
Eeldab
Püsivoolud peenikestes juhtmetes, vaakumis või õhus. Kaare sirged toitejuhtmed loetakse suunatuks keskpunkti, mistõttu nende elemendid ei anna väljale lisa; punktist P kaugemalt mööduv toitejuhe lisab oma lõigu välja.

Ülesanded täielikult lahendatud

  1. Sirglõik, keskosa kõrval 3 sammu

    Sirges 20 cm pikkuses juhtmes voolab vool 5,0 A. Leia B punktis, mis asub selle keskpunktist 5,0 cm kaugusel, ning võrdle seda lõpmata pika juhtmega.

    Ava see ülesanne tööriistas

    1. Kumbki ots jääb risti aluspunktist 10 cm kaugusele:

      sin⁡θ2=−sin⁡θ1=0.100.102+0.052≈0.8944\sin\theta_{2}=-\sin\theta_{1}=\frac{0{.}10}{\sqrt{0{.}10^{2}+0{.}05^{2}}}\approx0{.}8944
    2. Sirglõigu valem:

      B=μ0I4πd(sin⁡θ2−sin⁡θ1)=(10−7)(5.0)0.05 (1.789)≈1.789×10−5 TB=\frac{\mu_0I}{4\pi d}\left(\sin\theta_2-\sin\theta_1\right)=\frac{(10^{-7})(5{.}0)}{0{.}05}\,(1{.}789)\approx1{.}789\times10^{-5}\ \mathrm{T}
    3. Lõpmatu juhe samal kaugusel:

      B∞=μ0I2πd=(2×10−7)(5.0)0.05=2.0×10−5 TB_{\infty}=\frac{\mu_0I}{2\pi d}=\frac{(2\times10^{-7})(5{.}0)}{0{.}05}=2{.}0\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    17,89 μT lõpmatu juhtme 20 μT vastu: lõik katab 126,9° lõpmatu juhtme 180°-st.

    B≈17.89 μT,B∞=20 μTB\approx17{.}89\ \mu\mathrm{T},\qquad B_{\infty}=20\ \mu\mathrm{T}
  2. Juhe, mille ots on punkti vastas 1 sammu

    Pikk sirge juhe vooluga 5,0 A lõpeb risti aluspunktis, mis asub punktist 5,0 cm kaugusel. Leia B selles punktis.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Juhe ulatub nurgast θ₁ = 0 nurgani θ₂ = 90°:

      B=μ0I4πd(1−0)=(10−7)(5.0)0.05=1.0×10−5 TB=\frac{\mu_0I}{4\pi d}\left(1-0\right)=\frac{(10^{-7})(5{.}0)}{0{.}05}=1{.}0\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    10 μT ehk pool lõpmatu juhtme 20 μT-st.

    B=μ0I4πd=10 μTB=\frac{\mu_0I}{4\pi d}=10\ \mu\mathrm{T}
  3. Ringjuhe oma teljel ja keskpunktis 2 sammu

    Ringjuhtmes raadiusega 10 cm kulgeb vool 5,0 A. Leia B juhtme keskpunktis ja teljel 5,0 cm kaugusel.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Keskpunktis, kus z = 0:

      B0=μ0I2R=(4π×10−7)(5.0)2 (0.10)≈3.142×10−5 TB_{0}=\frac{\mu_0I}{2R}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5{.}0)}{2\,(0{.}10)}\approx3{.}142\times10^{-5}\ \mathrm{T}
    2. Kaugusel z = 5,0 cm:

      B=μ0IR22(R2+z2)3/2=(4π×10−7)(5.0)(0.01)2 (0.0125)3/2≈2.248×10−5 TB=\frac{\mu_0IR^{2}}{2\left(R^{2}+z^{2}\right)^{3/2}}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5{.}0)(0{.}01)}{2\,(0{.}0125)^{3/2}}\approx2{.}248\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    Keskpunktis 31,42 μT, kaugusel 5,0 cm aga 22,48 μT.

    B0≈31.42 μT,B(5 cm)≈22.48 μTB_{0}\approx31{.}42\ \mu\mathrm{T},\qquad B(5\ \mathrm{cm})\approx22{.}48\ \mu\mathrm{T}
  4. Veerandring 1 sammu

    Veerandringiks painutatud 10 cm raadiusega juhtmes voolab vool 5,0 A; sirged toitejuhtmed on suunatud keskpunkti. Leia B keskpunktis.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Toitejuhtmed on suunatud punkti P poole, mistõttu sin φ = 0 kõigi nende elementide jaoks. Kaarel asub iga element kaugusel R ning dl on risti vektoriga r̂:

      B=μ0Iθ04πR=(10−7)(5.0)(π/2)0.10≈7.854×10−6 TB=\frac{\mu_0I\theta_0}{4\pi R}=\frac{(10^{-7})(5{.}0)(\pi/2)}{0{.}10}\approx7{.}854\times10^{-6}\ \mathrm{T}

    Vastus

    7,854 μT ehk veerand terve ringjuhtme 31,42 μT-st.

    B=μ0I8R≈7.854 μTB=\frac{\mu_0I}{8R}\approx7{.}854\ \mu\mathrm{T}
  5. Juuksenõel 3 sammu

    Pikk juhe vooluga 5,0 A suundub kohale, teeb 10 cm raadiusega poolringi ja suundub endaga paralleelselt tagasi. Leia B poolringi keskpunktis.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Poolring moodustab poole ringjuhtmest:

      B1=μ0I4R=(4π×10−7)(5.0)4 (0.10)≈1.571×10−5 TB_{1}=\frac{\mu_0I}{4R}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5{.}0)}{4\,(0{.}10)}\approx1{.}571\times10^{-5}\ \mathrm{T}
    2. Kumbki sirgjuhe lõpeb keskpunkti kõrgusel kaugusel R, olles seega pool lõpmatust juhtmest; mõlema väli on samasuunaline poolringi väljaga:

      B2=2⋅μ0I4πR=2⋅(10−7)(5.0)0.10=1.0×10−5 TB_{2}=2\cdot\frac{\mu_0I}{4\pi R}=2\cdot\frac{(10^{-7})(5{.}0)}{0{.}10}=1{.}0\times10^{-5}\ \mathrm{T}
    3. Liidame need:

      B=μ0I4R(1+2π)≈2.571×10−5 TB=\frac{\mu_0I}{4R}\Bigl(1+\frac{2}{\pi}\Bigr)\approx2{.}571\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    25,71 μT, kõigi kolme osa panus on samas suunas: tasapinnast välja, kui vool kulgeb mööda poolringi vastupäeva.

    B≈25.71 μTB\approx25{.}71\ \mu\mathrm{T}
  6. Ruudukujuline raam oma keskpunktis 2 sammu

    Ruudukujulises raamis küljepikkusega 20 cm voolab vool 5,0 A. Leia B raami keskpunktis.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Iga külg on sirglõik, mille d = 10 cm ja otspunktid asuvad kohal x = ±10 cm, seega sin θ = ±1/√2:

      B1=μ0I4πd(12+12)=(10−7)(5.0)0.10 2≈7.071×10−6 TB_{1}=\frac{\mu_0I}{4\pi d}\Bigl(\frac{1}{\sqrt2}+\frac{1}{\sqrt2}\Bigr)=\frac{(10^{-7})(5{.}0)}{0{.}10}\,\sqrt2\approx7{.}071\times10^{-6}\ \mathrm{T}
    2. Kõik neli külge tekitavad samasuunalise välja:

      B=4B1=22 μ0Iπa≈2.828×10−5 TB=4B_{1}=\frac{2\sqrt2\,\mu_0I}{\pi a}\approx2{.}828\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    28,28 μT, mis on veidi vähem kui ruudule sissejoonestatud 10 cm raadiusega ringi 31,42 μT.

    B=22 μ0Iπa≈28.28 μTB=\frac{2\sqrt2\,\mu_0I}{\pi a}\approx28{.}28\ \mu\mathrm{T}
  7. Kahe paralleelse juhtme vaheline jõud 2 sammu

    Kahes pikas paralleelses juhtmes vahekaugusega 5,0 cm voolab kummaski samas suunas vool 10 A. Leia kummagi juhtme ühele meetrile mõjuv jõud ja määra selle suund.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Juhtme 1 tekitatud väli juhtme 2 asukohas:

      B1=μ0I12πd=(2×10−7)(10)0.05=4.0×10−5 TB_1=\frac{\mu_0I_1}{2\pi d}=\frac{(2\times10^{-7})(10)}{0{.}05}=4{.}0\times10^{-5}\ \mathrm{T}
    2. Juhtme 2 lõigule pikkusega L mõjuv jõud on I₂L × B₁, mis on juhtmega risti ja suunatud 1. juhtme poole:

      FL=I2B1=(10)(4.0×10−5)=4.0×10−4 N/m\frac{F}{L}=I_2B_1=(10)(4{.}0\times10^{-5})=4{.}0\times10^{-4}\ \mathrm{N/m}

    Vastus

    0,40 mN meetri kohta, tõmbejõud. Ühe voolu suunda pöörates muutub see sama suureks tõukejõuks.

    FL=μ0I1I22πd=0.40 mN/m\frac{F}{L}=\frac{\mu_0I_1I_2}{2\pi d}=0{.}40\ \mathrm{mN/m}
  8. Helmholtzi poolipaar 2 sammu

    Kaks samateljelist ringjuhet raadiusega 10 cm ja vahekaugusega 10 cm kannavad kumbki samasuunalist voolu 5,0 A. Leia B keskpunktis.

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Kumbki ringjuhe on keskpunktist kaugusel s/2 = R/2:

      B=2⋅μ0IR22(R2+R2/4)3/2B=2\cdot\frac{\mu_0IR^{2}}{2\left(R^{2}+R^{2}/4\right)^{3/2}}
    2. Lihtsustades:

      B=μ0IR2(54R2)3/2=855 μ0IR=855⋅(4π×10−7)(5.0)0.10≈4.496×10−5 TB=\frac{\mu_0IR^{2}}{\left(\tfrac{5}{4}R^{2}\right)^{3/2}}=\frac{8}{5\sqrt5}\,\frac{\mu_0I}{R}=\frac{8}{5\sqrt5}\cdot\frac{(4\pi\times10^{-7})(5{.}0)}{0{.}10}\approx4{.}496\times10^{-5}\ \mathrm{T}

    Vastus

    44,96 μT ehk 1,431 korda suurem ühe ringjuhtme keskpunkti väljast.

    B=855 μ0IR≈44.96 μTB=\frac{8}{5\sqrt5}\,\frac{\mu_0I}{R}\approx44{.}96\ \mu\mathrm{T}
  9. Ringjuhe kaugelt vaadates 3 sammu

    Leia 3. ülesande ringjuhtme magnetmoment ning hinda dipooli valemi abil välja B teljel 50 cm kaugusel. Kui täpne see hinnang on?

    Ava see ülesanne tööriistas

    Näita lahendust
    1. Magnetmoment:

      m=IπR2=(5.0) π (0.10)2≈0.1571 A m2m=I\pi R^{2}=(5{.}0)\,\pi\,(0{.}10)^{2}\approx0{.}1571\ \mathrm{A\,m^{2}}
    2. Dipooli valem:

      B≈μ0m2πz3=(2×10−7)(0.1571)(0.50)3≈2.513×10−7 TB\approx\frac{\mu_0m}{2\pi z^{3}}=\frac{(2\times10^{-7})(0{.}1571)}{(0{.}50)^{3}}\approx2{.}513\times10^{-7}\ \mathrm{T}
    3. Täpne väli:

      B=μ0IR22(R2+z2)3/2=(4π×10−7)(5.0)(0.01)2 (0.26)3/2≈2.370×10−7 TB=\frac{\mu_0IR^{2}}{2\left(R^{2}+z^{2}\right)^{3/2}}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5{.}0)(0{.}01)}{2\,(0{.}26)^{3/2}}\approx2{.}370\times10^{-7}\ \mathrm{T}

    Vastus

    m = 0,1571 A·m²; dipooli valem annab 0,2513 μT täpse 0,237 μT vastu, viie raadiuse kaugusel on see 6% võrra suurem.

    Bm≈0.2513 μT,B≈0.2370 μTB_{m}\approx0{.}2513\ \mu\mathrm{T},\qquad B\approx0{.}2370\ \mu\mathrm{T}
  10. Juhtmele mõjuv jõud homogeenses väljas 1 sammu

    Sirges 20 cm pikkuses juhtmes voolab vool 5,0 A nurga 30° all homogeense välja 0,30 T suhtes. Leia juhtmele mõjuv jõud.

    Näita lahendust
    1. F = IL × B, mille suurus on ILB sin θ:

      F=ILBsin⁡θ=(5.0)(0.20)(0.30)sin⁡30∘=0.15 NF=ILB\sin\theta=(5{.}0)(0{.}20)(0{.}30)\sin30^{\circ}=0{.}15\ \mathrm{N}

    Vastus

    0,15 N, risti nii juhtme kui ka väljaga.

    F=0.15 NF=0{.}15\ \mathrm{N}

Lisaülesanded, ainult vastustega

  1. Pikas sirges juhtmes voolab vool 20 A. Leia B sellest 4,0 cm kaugusel.

    Näita vastust

    100 μT.

    B=μ0I2πd=100 μTB=\frac{\mu_0I}{2\pi d}=100\ \mu\mathrm{T}
  2. Lamepoolil on 50 keerdu raadiusega 5,0 cm ja selles voolab 2,0 A. Leia B pooli keskpunktis.

    Näita vastust

    1,257 mT ehk viiskümmend korda ühe keeru väli.

    B=N μ0I2R≈1.257 mTB=N\,\frac{\mu_0I}{2R}\approx1{.}257\ \mathrm{mT}
  3. Leia B ruudukujulise raami keskpunktis, kui küljepikkus on a ja voolutugevus I.

    Näita vastust

    2√2 μ₀I/(πa).

    B=22 μ0IπaB=\frac{2\sqrt2\,\mu_0I}{\pi a}
  4. Kahes pikas paralleelses juhtmes vahekaugusega 5,0 cm voolab 10 A vastassuundades. Leia B juhtmete vahel poolel teel.

    Näita vastust

    160 μT: seal on mõlema juhtme väli samasuunaline.

    B=2⋅μ0I2π (d/2)=160 μTB=2\cdot\frac{\mu_0I}{2\pi\,(d/2)}=160\ \mu\mathrm{T}
  5. Ristkülikukujulises raamis mõõtmetega 10 cm ja 5,0 cm voolab vool 3,0 A; raam asub selle tasapinnaga paralleelses homogeenses väljas 0,20 T. Leia raamile mõjuv jõumoment.

    Näita vastust

    3,0 × 10⁻³ N·m, valemist τ = mB sin 90°, kus m = IA.

    τ=IAB=3.0×10−3 N m\tau=IAB=3{.}0\times10^{-3}\ \mathrm{N\,m}
  6. Prooton liigub kiirusega 1,0 × 10⁵ m/s paralleelselt 10 A vooluga pika juhtmega sellest 2,0 cm kaugusel voolu suunas. Leia prootonile mõjuv jõud.

    Näita vastust

    1,602 × 10⁻¹⁸ N, suunatud juhtme poole.

    F=qvB=qv μ0I2πd≈1.602×10−18 NF=qvB=qv\,\frac{\mu_0I}{2\pi d}\approx1{.}602\times10^{-18}\ \mathrm{N}

Samasuunalised voolud tõmbuvad

Vajuta nuppu Samasuunalised voolud: mõlemas 10 A, vahekaugus 5 cm, ja kummagi juhtme iga meeter tõmbub teise poole jõuga 0,4 mN. Nüüd vajuta Vastassuunalised voolud ning juhtmed tõukuvad teineteisest eemale sama jõuga. Elektrilaengud käituvad vastupidi: samanimelised laengud tõukuvad. Teisele juhtmele mõjuv jõud on I₂ korrutatuna juhtme suunavektori ja esimese juhtme välja μ₀I₁/(2πd) vektorkorrutisega. Samasuunaliste voolude korral on see korrutis suunatud tagasi 1. juhtme poole. Kuni 20. maini 2019 defineeris just see jõud ampri: 1 A oli voolutugevus, mis tekitas kahe 1 m kaugusel asuva juhtme vahel jõu 2 × 10⁻⁷ N meetri kohta, mistõttu μ₀ väärtus oli täpselt 4π × 10⁻⁷ N/A². Nüüd seob ampri definitsioon voolu elektroni laenguga ning μ₀ on mõõdetav suurus: CODATA 2022 annab väärtuseks 1,25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A², mis langeb määramatuse piires vana väärtusega kokku.

Vooluring on magnet ja kaugelt vaadates nagu iga teinegi

Vajuta nuppu Ringjuhe kaugelt. Raadiusega 10 cm ringjuhtme teljel 50 cm kaugusel on välja tugevus 0,237 μT ning valem μ₀m/(2πz³) magnetmomendiga m = IπR² annab 0,2513 μT; veel kaugemal sulavad need kaks kokku. See on dipooli väli. Elektriline dipool p tekitab oma teljel välja 2kp/z³ ja vooluring annab (μ₀/4π)·2m/z³: täpselt sama seaduspärasus, kus k asemel on μ₀/4π ja p asemel m. Kaugelt vaadates loeb vaid juhtme magnetmoment, voolutugevuse ja pindala korrutis. Juhtme täpne kuju määrab välja vaid lähedal. Just seetõttu asendavad väike pool ja kompassinõel teineteist täiuslikult.

Kaks raadiusekaugusel asuvat ringjuhet tekitavad ühtlaseima välja

Vajuta nuppu Helmholtzi poolipaar. Kui ringjuhtmete vahekaugus on 10 cm ehk võrdne nende raadiusega, on välja tugevus keskpunktis (8/5√5)μ₀I/R = 44,96 μT ning telge mööda 1 cm edasi liikudes muutub see vaid 0,011%. Üksiku ringjuhtme väli muutuks sama sentimeetri jooksul 1,5%. Ühe ringjuhtme välja graafik piki telge on juhtme lähedal kumer ja kaugemal nõgus ning pöördepunkt asub kohal z = R/2. Kui valida s = R, satub keskpunkt mõlema juhtme käänupunkti, mistõttu välja teine tuletis on seal null. Sümmeetria tõttu taanduvad ka esimene ja kolmas tuletis, nii et välja hälve keskpunkti väärtusest kasvab alles teguriga z⁴. Kui sead s väärtuseks 8 cm, kummub graafiku keskosa ülespoole; 12 cm puhul vajub see lohku.

Õpitee

Kust väljad tulevad

Allikad (6)