12.2-Magnetic Field Due to a Current-Carrying Conductor
12.2-Magnetic Field Due to a Current-Carrying Conductor Important Formulae
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The magnetic field generated by a current-carrying conductor is a fundamental concept in electromagnetism. Understanding how current produces a magnetic field is crucial for various applications in technology and physics.
Magnetic Field Around a Straight Conductor
When an electric current flows through a straight conductor, it creates a magnetic field around it. The direction and pattern of this magnetic field can be determined using the right-hand thumb rule:
- Point your thumb in the direction of the current flow.
- Your curled fingers will indicate the direction of the magnetic field lines surrounding the conductor.
Characteristics of the Magnetic Field
The magnetic field produced by a straight conductor has the following characteristics:
- Circular Field Lines: The magnetic field lines form concentric circles around the conductor.
- Field Strength: The strength of the magnetic field decreases with distance from the conductor. The relationship can be expressed as:
B ∝ 1/r
where B is the magnetic field strength and r is the distance from the conductor.
Magnetic Field Due to a Current-Carrying Loop
When the conductor is formed into a loop, the magnetic field produced is more concentrated. The magnetic field lines inside the loop are nearly parallel and uniformly spaced, indicating a strong and uniform magnetic field.
Magnetic Field Due to a Solenoid
A solenoid is a long coil of wire. When an electric current passes through it, the solenoid produces a uniform magnetic field. Key features include:
- Uniform Magnetic Field: Inside the solenoid, the magnetic field lines are parallel and evenly spaced, indicating uniform strength.
- Direction of the Field: The direction of the magnetic field can be determined using the right-hand grip rule. If you grip the solenoid with your right hand, with your fingers curling in the direction of the current, your thumb will point toward the north pole of the magnetic field.
- Field Strength: The strength of the magnetic field (B) inside a solenoid is given by:
- μ₀: Permeability of free space (4π × 10-7 T·m/A)
- n: Number of turns per unit length of the solenoid
- I: Current flowing through the solenoid
B = μ₀nI
where:
Factors Affecting the Magnetic Field Strength
The magnetic field strength of a current-carrying conductor can be influenced by several factors:
- Current (I): Increasing the current flowing through the conductor will increase the strength of the magnetic field.
- Number of Turns: In loops or solenoids, increasing the number of turns of wire will enhance the magnetic field strength.
- Core Material: Placing a ferromagnetic material (like iron) inside a solenoid will greatly increase the magnetic field strength, as these materials concentrate the magnetic lines of force.
Applications of Magnetic Fields from Current-Carrying Conductors
The magnetic fields generated by current-carrying conductors have numerous applications:
- Electromagnets: Used in various devices such as cranes, electric bells, and magnetic locks.
- Electric Motors: Utilize the interaction between magnetic fields and electric currents to convert electrical energy into mechanical energy.
- Magnetic Levitation: Used in trains and other transport systems, reducing friction and allowing for high-speed travel.
Chetvorno, CC0, via Wikimedia Commons
12.2-विद्युत धारा से प्रेरित चुम्बकीय क्षेत्र
जब किसी चालक (conductor) से विद्युत धारा (electric current) बहती है, तो वह आसपास के क्षेत्र में चुम्बकीय प्रभाव उत्पन्न करता है। इस प्रभाव को विद्युत धारा से उत्पन्न चुम्बकीय क्षेत्र (magnetic field due to a current-carrying conductor) कहते हैं। यह प्रभाव सबसे पहले हंस क्रिश्चियन एर्वेस्टेड (Hans Christian Ørsted) द्वारा 1820 में पाया गया था।
1. चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा
चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा का निर्धारण करते समय हम अम्पीयर के नियम (Ampere’s Rule) का उपयोग करते हैं। यदि एक लंबा सीधा चालक (straight conductor) जिसमे धारा बह रही हो, उसे हाथ में पकड़ा जाए तो अंगूठा धारा की दिशा को दर्शाता है और उंगलियाँ चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा को दर्शाती हैं। इस नियम को दायां हाथ नियम (Right-hand thumb rule) कहा जाता है।
2. चुम्बकीय क्षेत्र का परिमाण (Magnetic Field Strength)
एक लंबा सीधा चालक, जिसमें धारा बह रही हो, के चारों ओर चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। यदि चालक से दूर स्थित किसी बिंदु पर चुम्बकीय क्षेत्र का परिमाण $B$ है, तो यह परिमाण उस बिंदु पर निम्नलिखित समीकरण से व्यक्त किया जाता है:
समीकरण: $$ B = \dfrac{\mu_0 I}{2 \pi r} $$
जहाँ,
- $B$ = चुम्बकीय क्षेत्र का परिमाण
- $\mu_0$ = चुम्बकीय प्रवर्तनांक (magnetic permeability of free space) = $4\pi \times 10^{-7} \, T \, m \, A^{-1}$
- $I$ = धारा (current) जो चालक से बह रही है
- $r$ = चालक से दूरी (distance from the wire)
3. चुम्बकीय क्षेत्र रेखाएँ
चुम्बकीय क्षेत्र रेखाएँ (magnetic field lines) उस क्षेत्र की रूपरेखा (pattern) को दर्शाती हैं जिसमें चुम्बकीय प्रभाव होता है। एक सीधी धारा से उत्पन्न चुम्बकीय क्षेत्र रेखाएँ गोलाकार (circular) होती हैं, जो चालक के चारों ओर गोल घेरा बनाती हैं।
4. चुम्बकीय क्षेत्र का प्रभाव
किसी भी चालक में यदि विद्युत धारा बह रही हो, तो उसके आसपास एक चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस क्षेत्र का प्रभाव किसी अन्य चालकमुक्त क्षेत्र (current-carrying conductor) या चुम्बकीय पदार्थ (magnetic material) पर देखा जा सकता है। उदाहरण स्वरुप, यदि चालक के आसपास किसी कंपास को रखा जाता है, तो वह चुम्बकीय क्षेत्र के कारण उत्तरी दिशा से घुम सकता है।
5. अम्पीयर का नियम
चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करने वाले चालक के आसपास के क्षेत्र को अम्पीयर के नियम से भी व्यक्त किया जा सकता है। अम्पीयर का नियम यह बताता है कि किसी चालक के चारों ओर उत्पन्न चुम्बकीय क्षेत्र की परिमाण और दिशा, उस चालक से बह रही धारा और उस बिंदु से दूरी पर निर्भर करती है।
6. चुम्बकीय क्षेत्र की विशेषताएँ
- चुम्बकीय क्षेत्र रेखाएँ सदा पूर्णांकित होती हैं, अर्थात् ये कभी भी एक दूसरे को नहीं काटतीं।
- चुम्बकीय क्षेत्र रेखाएँ हमेशा चालक के चारों ओर गोलाकार रूप में होती हैं।
- चुम्बकीय क्षेत्र की परिमाण (B) उस बिंदु से चालक की दूरी (r) के व्युत्क्रमानुपाती होती है।