Campo magnético fuera de un solenoide

Question

No pude imaginarme bien la idea del flujo magnético nulo fuera del solenoide. Mi profesor lo explicó como

"Las componentes del campo magnético en otras direcciones se anulan por los campos opuestos de las bobinas vecinas. Fuera del solenoide, el campo es también muy débil debido a este efecto de cancelación y para un solenoide que es largo en comparación con su diámetro, el campo es muy cercano a cero."

Pero no entendí nada en absoluto. Primero dijo que las componentes del campo magnético en otra dirección se anulan con el campo magnético, pero no explicó más y no dijo nada para apoyar su argumento. Si alguien tiene alguna forma sencilla e intuitiva de entender este fenómeno, por favor, que lo explique.

Answer 1

Intenté abordar esta cuestión en un breve artículo que se publicó recientemente en el European Journal of Physics. https://arxiv.org/abs/1610.07876

También puede consultar este artículo de Farley, Price, que utiliza un bonito argumento y motiva físicamente el problema (American Journal of Physics 69, 751 (2001); doi 10.1119/1.1362694): https://doi.org/10.1119/1.1362694

Además, hay un cálculo exacto realizado en esta antigua nota técnica D-465 de la NASA: http://paginas.fe.up.pt/~ee08173/wp-content/uploads/2014/03/finite-solenoid.pdf

Answer 2

Primero debes entender que el campo magnético son los círculos (de fuerza magnética) alrededor del cable con corriente. La dirección de los círculos (en sentido contrario o en sentido de las agujas del reloj) depende de la dirección de la corriente (hacia adelante o hacia atrás). Ahora, puedes adivinar lo que ocurre con el campo magnético cuando curvas el alambre en un círculo. Entonces, también puedes apilar criclos de corriente uno al lado del otro para formar un cilindro. Ahora, trata de imaginar cuál será el campo magnético en cada uno de estos casos.

Los campos magnéticos de las diferentes corrientes se suman (el campo total en cada punto es la suma de los campos de las diferentes corrientes en ese punto).

Estoy de acuerdo en que la simetría, que indica que la cancelación es completa, no es obvia aquí. Porque fuera del bucle, un cable está más cerca es de la región exterior que el cable del lado opuesto, que cancela el primero. Pero, esto debe dar una imagen cualitativa, lo que está sucediendo. La complejidad de la simetría podría ser la misma que la gravedad cero dentro de una esfera masiva.

editar Estoy llegando a la conclusión de que es imposible anular completamente el campo exterior simplemente porque el campo se aproxima al infinito a medida que nos acercamos al cable desde el exterior y no hay nada cercano al infinito desde el trozo opuesto de la espira que pueda anularlo. El solenoide sólo anula los componentes del campo perpendicular a su eje y paralelo a la llanura de los devanados, ya que los devanados están muy cerca y, aunque la corriente en ellos fluye en una dirección, digamos hacia adelante, el alambre superior induce un campo magnético izquierdo entre los alambres, mientras que el alambre inferior produce el mismo campo derecho. Así, se eliminan todos los vientos que soplan en los planos entre devanados. Los campos axiales dentro del solenoide se suman. Los externos axiales se cancelan en cierta medida pero no completamente. Pero, esto no es malo porque, aunque crean el campo axial, opuesto a lo que solenodi debe producir de su parte interna, las irregularidades en el borde de solinoide lo envuelven y eliminan el efecto negativo.

Vea que aunque el campo mayor se produce de izquierda a derecha, algún campo sopla de derecha a izquierda en el exterior. Sin embargo, esto no perjudica al flujo mayor porque los bordes aíslan el flujo negativo.

Answer 3

Lo que pasa por el medio debe salir por un extremo y volver a entrar por el otro. El campo magnético en el exterior es libre de extenderse y al hacerlo el Wb/m^2 baja, pero no es cero. Hay que distinguir entre las suposiciones para demostrar una teoría y los ejemplos de la vida real. Un solenoide infinitamente largo (para la teoría) tendría una sección transversal infinita fuera del solenoide (para el camino de retorno del flujo) por lo que el Wb/m^2 se reduciría a cero en términos matemáticos. Las líneas de los campos magnéticos de cada bobina del solenoide se sumarán, no hay cancelación aquí, o en cualquier lugar (sólo la matemática con el término infinito como denominador significa que el término entero se convierte en cero).

Answer 4

Imagina un bucle de cable conductor de corriente y considera dos pequeños elementos dl que son diametralmente opuestos.Trata de encontrar el campo magnético en un punto fuera de este bucle debido a estos dos pequeños elementos que se encuentra en una línea que pasa a través de estos dos pequeños elementos utilizando la Ley de Biot Savarts. Cuando intente encontrar la dirección del campo magnético en este punto utilizando la regla de la mano derecha, encontrará que están en direcciones opuestas y se cancelan, incluso después de esta cancelación habrá un pequeño campo presente porque el campo magnético debido al elemento que está más cerca del punto será mayor que el del elemento que está más lejos. Ahora imaginemos que esta espira forma parte de un solenoide de longitud infinita e intentemos encontrar la contribución al campo magnético debida a los mismos dos elementos en un punto fuera del solenoide pero situado a una distancia infinita a lo largo del solenoide. Como se trata de una distancia infinita, el ángulo entre los elementos y el vector de posición puede considerarse igual, y las distancias de los elementos desde el punto pueden considerarse iguales, ya que el diámetro es insignificante en comparación y, por tanto, el campo debido a ambos puede considerarse de igual magnitud y cancelarse completamente, dando lugar a un campo magnético nulo. Espero que esto ayude.

Answer 5

El campo magnético fuera de un solenoide largo nunca puede ser cero. Porque un solenoide de longitud finita tendrá bordes y el campo saldrá. Sin embargo, si imaginamos un solenoide recto de longitud infonita o un toroide, no tendrá bordes de los que puedan salir líneas de fuerza, por lo que el campo sería nulo fuera de un toroide o un solenoide recto de longitud infonita.