Beit Gwyddoniaeth Wythnosol: Pam Mae Gwifren sy'n Cario Cerrynt yn Cynhyrchu Maes Magnetig?

Mae gwifren sy'n cario cerrynt yn cynhyrchu maes magnetig o'i chwmpas—ffenomen ffisegol sylfaenol a ddangoswyd yn bendant gyntaf gan y ffisegydd Danaidd Hans Christian Oersted ym 1820. Yn ei arbrawf clasurol, pan lifai cerrynt trydanol trwy wifren, byddai nodwydd cwmpawd gyfochrog a osodwyd oddi tani yn gwyro. Profodd hyn yn uniongyrchol effaith magnetig cerrynt trydanol, sefydlodd y cysylltiad cynhenid ​​​​rhwng trydan a magnetedd, a chychwynnodd oes newydd o ymchwil electromagnetedd.

O safbwynt microsgopig, mae'r maes magnetig yn tarddu o symudiad gwefrau trydanol. Pan fydd gwifren yn cario cerrynt, mae drifft cyfeiriadol electronau rhydd ynddi yn ffurfio'r cerrynt. Yn ôl egwyddorion electromagnetiaeth, mae pob gwefr symudol yn cynhyrchu maes magnetig o'i gwmpas. Er bod y wifren yn drydanol niwtral ar y cyfan, y meysydd magnetig bach a gynhyrchir gan y nifer fawr o electronau sy'n symud yn gyd-gyfeiriadol arosod yn adeiladol yn y gofod y tu allan i'r wifren, gan ffurfio'r maes magnetig macrosgopig canfyddadwy. Mae ei gryfder yn gymesur yn uniongyrchol â maint y cerrynt ac yn gymesur yn wrthdro â'r pellter, tra bod ei ddosbarthiad yn dibynnu ar geometreg y dargludydd (gwifren syth, dolen, solenoid, ac ati).

O fewn fframwaith mawreddog damcaniaeth electromagnetig a sefydlwyd gan James Clerk Maxwell, mae ffenomen gwifren sy'n cario cerrynt yn cynhyrchu maes magnetig wedi'i hymgorffori'n berffaith yn ei hafaliadau. Yn benodol, y Cyfraith Ampère-Maxwell yn datgan y gellir cynhyrchu maes magnetig nid yn unig gan gerrynt dargludiad (y cerrynt yn y wifren) ond hefyd gan faes trydanol newidiol. Mae'r gyfraith hon yn ganolog i ddisgrifio meysydd electromagnetig sy'n amrywio yn ôl amser. Mae'n uno ac yn dyrchafu darganfyddiadau Oersted ac Ampère, gan ddatgelu bod meysydd trydanol a magnetig yn ddau agwedd anwahanadwy o'r un maes electromagnetig: mae maes trydanol newidiol yn cynhyrchu maes magnetig, ac mae maes magnetig newidiol yn cynhyrchu maes trydanol. Maent yn ysgogi ei gilydd, gan arwain at donnau electromagnetig.