Magnetické pole toroidu

Pokus číslo: 1883

  • Cíl pokusu

    Cílem pokusu je názorně ukázat tvary magnetických indukčních čar v okolí cívky tvaru toroidu, kterou teče elektrický proud.

  • Teorie

    V okolí vodiče s proudem vzniká magnetické pole. Pro magnetickou indukci v okolí přímého vodiče platí \[B=\frac{\mu I}{2 \pi d},\] kde d je vzdálenost od vodiče, I velikost proudu ve vodiči a \(\mu\) permeabilita prostředí.

    Toto pole je možné ilustrovat pomocí magnetických indukčních čar. Okolo vodiče s proudem tvoří magnetické indukční čáry uzavřené kružnice ležící v rovině kolmé na osu vodiče a se středy ležícími v ose vodiče. Magnetická indukce má směr tečny k těmto indukčním čarám, její orientaci lze určit pomocí pravidla pravé ruky (viz např. úloha Vzájemné působení vodičů s proudem).

    V experimentu je cívka zatočená do kruhu, má tak tvar toroidu, tedy tvar podobný donutu nebo pneumatice (viz obr. 1). Blízké okolí cívky lze rozdělit na tři části – vnější okolí cívky, dutinu vinutí a vnitřní okolí cívky.

    Magnetické pole je uvnitř i vně toroidu v podstatě nulové, piliny se zde neuspořádají. V dutině vinutí (na obrázku vyznačené šedou barvou) mají magnetické indukční čáry tvar soustředných kružnic.

    Obr. 1. Cívka ve tvaru toroidu
  • Pomůcky

    • zdroj stejnosměrného proudu o hodnotách přibližně 20 A
    • elektrické vodiče
    • speciální vodič tvaru toroidu, nejlépe procházející průhlednou podložkou
    • železné piliny
    • bílý podkladový papír

    Obr. 2. Pomůcky
  • Postup

    Zapojíme a připravíme zdroj proudu, na podložku vodiče nasypeme malé množství železných pilin. Vodič připojíme ke zdroji. Po zapnutí zdroje na podložku poklepeme, aby se piliny mohly překonfigurovat podle magnetického pole vodiče. Ihned poté zdroj vypneme.

    Vzhledem k vysokům proudům v obvodu je vhodné vodiče zapojovat dvojitě, tzn. vždy dva vodiče paralelně.

    Obr. 3. Zapojení
  • Vzorový výsledek

    Vzorový výsledek ukazuje video níže.


    Detail výsledku je možné vidět na fotografii.

    Obr. 3. Detail

    Na fotografii je vidět, že se piliny uvnitř vinutí cívky uspořádaly do soustředných kružnic. V horní části obrázku, kde je toroid přerušený, je vidět, že se indukční čáry uzavírají přes vnitřek toroidu. Vzhledem k tomu, že cívka je poměrně řídká, jsou vidět také kružnice okolo jednotlivých závitů.

  • Technické poznámky

    Pro lepší viditelnost pilin je vhodné zvolit světlé pozadí, například bílý papír. V případě dostupnosti projektoru je vhodné destičku s pilinami snímat kamerou a rovnou promítat žákům.

  • Odkaz na podobné experimenty

    Rozložení indukčních čar pro vodiče a cívky dalších tvarů je rozebráno v experimentech Magnetické pole přímého vodiče s proudem, Magnetické pole kruhového závitu a Magnetické pole solenoidu s proudem.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu