En av de viktigste delene av moderne fysikk er elektromagnetiske interaksjoner og alle definisjoner knyttet til dem. Det er denne interaksjonen som forklarer alle elektriske fenomener. Teorien om elektrisitet dekker mange andre områder, inkludert optikk, siden lys er elektromagnetisk stråling. I denne artikkelen vil vi prøve å forklare essensen av elektrisk strøm og magnetisk kraft på et tilgjengelig, forståelig språk.
Magnetisme er grunnlaget for stiftelsene
Som barn viste voksne oss forskjellige magiske triks ved hjelp av magneter. Disse fantastiske figurene, som tiltrekkes av hverandre og kan tiltrekke seg små leker, har alltid gledet barnas øyne. Hva er magneter og hvordan virker den magnetiske kraften på jerndeler?
For å forklare på et vitenskapelig språk, må du vende deg til en av fysikkens grunnleggende lover. I følge Coulombs lov og den spesielle relativitetsteorien virker en viss kraft på ladningen, som er direkte proporsjonal med hastigheten til selve ladningen (v). Denne interaksjonen kallesmagnetisk kraft.
Fysiske egenskaper
Generelt bør det forstås at magnetiske fenomener bare oppstår når ladninger beveger seg inne i lederen eller i nærvær av strømmer i dem. Når man studerer magneter og selve definisjonen av magnetisme, bør det forstås at de er nært knyttet til fenomenet elektrisk strøm. La oss derfor forstå essensen av den elektriske strømmen.
Elektrisk kraft er kraften som virker mellom et elektron og et proton. Det er numerisk mye større enn verdien av gravitasjonskraften. Den genereres av en elektrisk ladning, eller rettere sagt, av dens bevegelse inne i lederen. Ladninger er på sin side av to typer: positive og negative. Som du vet, blir positivt ladede partikler tiltrukket av negativt ladede. Ladninger av samme tegn har imidlertid en tendens til å avvise hverandre.
Så, når nettopp disse ladningene begynner å bevege seg i lederen, oppstår det en elektrisk strøm i den, som forklares som forholdet mellom mengden ladning som strømmer gjennom lederen på 1 sekund. Kraften som virker på en leder med strøm i et magnetfelt kalles Amperekraften og finnes i henhold til "venstrehånds"-regelen.
empiriske data
Du kan møte magnetisk interaksjon i hverdagen når du har å gjøre med permanente magneter, induktorer, releer eller elektriske motorer. Hver av dem har et magnetfelt som er usynlig for øyet. Det kan spores bare ved sin handling, som detpåvirker bevegelige partikler og magnetiserte legemer.
Kraften som virker på en strømførende leder i et magnetfelt ble studert og beskrevet av den franske fysikeren Ampère. Ikke bare denne styrken er oppk alt etter ham, men også størrelsen på den nåværende styrken. På skolen er Ampères lover definert som reglene for "venstre" og "høyre" hånd.
Magnetiske feltegenskaper
Det skal forstås at et magnetisk felt alltid oppstår ikke bare rundt kilder til elektrisk strøm, men også rundt magneter. Han er vanligvis avbildet med magnetiske kraftlinjer. Grafisk ser det ut som om et papirark ble plassert på en magnet, og jernspon ble helt på toppen. De vil se nøyaktig ut som bildet nedenfor.
I mange populære bøker om fysikk blir den magnetiske kraften introdusert som et resultat av eksperimentelle observasjoner. Det regnes som en egen grunnleggende naturkraft. En slik idé er feil, faktisk følger eksistensen av en magnetisk kraft av relativitetsprinsippet. Hennes fravær ville være i strid med dette prinsippet.
Det er ikke noe grunnleggende med den magnetiske kraften - det er bare en relativistisk konsekvens av Coulombs lov.
Using magnets
I følge legenden oppdaget de gamle grekerne i det første århundre e. Kr. på øya Magnesia uvanlige steiner som hadde fantastiske egenskaper. De tiltrakk seg alle ting laget av jern eller stål. Grekerne begynte å ta dem ut av øya og studere eiendommene deres. Og da steinene f alt i hendene på gatentryllekunstnere, de har blitt uunnværlige assistenter i alle sine forestillinger. Ved å bruke kraften til de magnetiske steinene klarte de å lage et helt fantastisk show som tiltrakk seg mange seere.
Da steinene spredte seg til alle deler av verden, begynte legender og forskjellige myter å sirkulere om dem. En gang havnet steinene i Kina, hvor de ble oppk alt etter øya de ble funnet på. Magneter ble gjenstand for studier av alle de store vitenskapsmennene på den tiden. Det har blitt lagt merke til at hvis du legger en magnetisk jernstein på en treflottør, fikser den og deretter snur den, vil den prøve å gå tilbake til sin opprinnelige posisjon. Enkelt sagt, den magnetiske kraften som virker på den vil snu jernmalmen på en bestemt måte.
Ved å bruke denne egenskapen til magneter, oppfant forskerne kompasset. På en rund form laget av tre eller kork ble to hovedstolper trukket og en liten magnetisk nål installert. Dette designet ble senket ned i en liten bolle fylt med vann. Over tid har kompassmodeller blitt bedre og mer nøyaktige. De brukes ikke bare av sjømenn, men også av vanlige turister som liker å utforske ørken og fjellområder.
Interessante opplevelser
Vitenskapsmannen Hans Oersted viet nesten hele livet til elektrisitet og magneter. En dag, under en forelesning på universitetet, viste han studentene sine følgende opplevelse. Han førte en strøm gjennom en vanlig kobberleder, etter en stund ble lederen varmet opp og begynte å bøye seg. Det var et termisk fenomenelektrisk strøm. Elevene fortsatte disse eksperimentene, og en av dem la merke til at den elektriske strømmen har en annen interessant egenskap. Når det gikk strøm i lederen, begynte pilen på kompasset som ligger i nærheten å avvike litt etter litt. Ved å studere dette fenomenet mer detaljert, oppdaget forskeren den såk alte kraften som virker på en leder i et magnetfelt.
Amperestrømmer i magneter
Forskere har forsøkt å finne en magnetisk ladning, men en isolert magnetisk pol ble ikke funnet. Dette forklares med det faktum at magnetiske ladninger, i motsetning til elektriske, ikke eksisterer. Tross alt, ellers ville det være mulig å skille en enhetsladning ved ganske enkelt å bryte av en av endene på magneten. Dette skaper imidlertid en ny motpol i den andre enden.
Faktisk er enhver magnet en solenoid, på overflaten som intraatomære strømmer sirkulerer, de kalles Ampère-strømmer. Det viser seg at magneten kan betraktes som en metallstang som en likestrøm sirkulerer gjennom. Det er av denne grunn at innføringen av en jernkjerne i solenoiden øker magnetfeltet kraftig.
Magnetenergi eller EMF
Som ethvert fysisk fenomen har et magnetfelt energi som trengs for å flytte en ladning. Det er konseptet EMF (elektromotorisk kraft), det er definert som arbeidet med å flytte en enhetsladning fra punkt A0 til punkt A1.
EMK er beskrevet av Faradays lover, som brukes i tre forskjellige fysiskesituasjoner:
- Den ledede kretsen beveger seg i det genererte ensartede magnetfeltet. I dette tilfellet snakker de om magnetisk emf.
- Konturen er i ro, men selve kilden til magnetfeltet beveger seg. Dette er allerede et elektrisk emf-fenomen.
- Til slutt er kretsen og kilden til magnetfeltet stasjonære, men strømmen som skaper magnetfeltet er i endring.
Numerisk er EMF i henhold til Faraday-formelen: EMF=W/q.
Følgelig er ikke den elektromotoriske kraften en kraft i bokstavelig forstand, da den måles i Joule per Coulomb eller i Volt. Det viser seg at det representerer energien som gis til ledningselektronet når den omgår kretsen. Hver gang, som gjør neste runde av den roterende rammen til generatoren, får elektronet en energi numerisk lik EMF. Denne ekstra energien kan ikke bare overføres under kollisjoner av atomer i den ytre kjeden, men også frigjøres i form av Joule-varme.
Lorentz-kraft og magneter
Kraften som virker på strømmen i et magnetfelt bestemmes av følgende formel: q|v||B|sin a (produktet av magnetfeltladningen, hastighetsmodulene til samme partikkel, feltinduksjonsvektoren og sinusen til vinkelen mellom deres retninger). Kraften som virker på en bevegelig enhetsladning i et magnetfelt kalles Lorentz-kraften. Et interessant faktum er at Newtons tredje lov er ugyldig for denne kraften. Den adlyder bare loven om bevaring av momentum, og derfor bør alle problemer med å finne Lorentz-kraften løses basert på den. La oss finne ut hvordandu kan bestemme styrken til magnetfeltet.
Problemer og eksempler på løsninger
For å finne kraften som oppstår rundt en leder med strøm, må du kjenne til flere størrelser: ladningen, dens hastighet og verdien av induksjonen av det utkommende magnetfeltet. Følgende oppgave vil hjelpe deg å forstå hvordan du beregner Lorentz-kraften.
Bestem kraften som virker på et proton som beveger seg med en hastighet på 10 mm/s i et magnetfelt med en induksjon på 0,2 C (vinkelen mellom dem er 90o, siden en ladet partikkel beveger seg vinkelrett på induksjonslinjene). Løsningen handler om å finne ladningen. Ser vi på ladningstabellen finner vi at protonet har en ladning på 1,610-19 Cl. Deretter beregner vi kraften ved å bruke formelen: 1, 610-19100, 21 (sinus til den rette vinkelen er 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
