Jednym z najważniejszych działów współczesnej fizyki są oddziaływania elektromagnetyczne i wszelkie definicje z nimi związane. To właśnie ta interakcja wyjaśnia wszystkie zjawiska elektryczne. Teoria elektryczności obejmuje wiele innych dziedzin, w tym optykę, ponieważ światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym. W tym artykule postaramy się wyjaśnić istotę prądu elektrycznego i siły magnetycznej przystępnym, zrozumiałym językiem.
Magnetyzm jest podstawą fundamentów
Jako dzieci dorośli pokazali nam różne magiczne sztuczki za pomocą magnesów. Te niesamowite figurki, które przyciągają do siebie i potrafią przyciągnąć małe zabawki, zawsze cieszyły oczy dzieci. Czym są magnesy i jak działa siła magnetyczna na części żelazne?
Wyjaśniając językiem naukowym, musisz odwołać się do jednego z podstawowych praw fizyki. Zgodnie z prawem Coulomba i szczególną teorią względności na ładunek działa pewna siła, która jest wprost proporcjonalna do prędkości samego ładunku (v). Ta interakcja nazywa sięsiła magnetyczna.
Cechy fizyczne
Ogólnie należy rozumieć, że wszelkie zjawiska magnetyczne występują tylko wtedy, gdy ładunki poruszają się wewnątrz przewodnika lub w obecności prądów w nich. Badając magnesy i samą definicję magnetyzmu, należy rozumieć, że są one ściśle związane ze zjawiskiem prądu elektrycznego. Dlatego zrozummy istotę prądu elektrycznego.
Siła elektryczna to siła działająca między elektronem a protonem. Jest liczbowo znacznie większa niż wartość siły grawitacji. Jest generowany przez ładunek elektryczny, a raczej przez jego ruch wewnątrz przewodnika. Z kolei ładunki są dwojakiego rodzaju: dodatnie i ujemne. Jak wiadomo, dodatnio naładowane cząstki przyciągane są do ujemnie naładowanych. Jednak ładunki tego samego znaku mają tendencję do odpychania się nawzajem.
Tak więc, kiedy te same ładunki zaczynają się przemieszczać w przewodniku, powstaje w nim prąd elektryczny, co tłumaczy się stosunkiem ilości ładunku przepływającego przez przewodnik w ciągu 1 sekundy. Siła działająca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym nazywana jest siłą Ampera i znajduje się zgodnie z zasadą „lewej ręki”.
Dane empiryczne
W życiu codziennym można spotkać się z interakcją magnetyczną, gdy mamy do czynienia z magnesami trwałymi, cewkami indukcyjnymi, przekaźnikami lub silnikami elektrycznymi. Każdy z nich posiada niewidoczne dla oka pole magnetyczne. Można go prześledzić tylko po jego działaniu, którewpływa na poruszające się cząstki i namagnesowane ciała.
Siła działająca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym została zbadana i opisana przez francuskiego fizyka Ampère'a. Nie tylko ta siła została nazwana jego imieniem, ale także wielkość obecnej siły. W szkole prawa Ampère'a są definiowane jako zasady „lewej” i „prawej” ręki.
Charakterystyka pola magnetycznego
Należy zrozumieć, że pole magnetyczne zawsze występuje nie tylko wokół źródeł prądu elektrycznego, ale także wokół magnesów. Jest zwykle przedstawiany za pomocą magnetycznych linii siły. Graficznie wygląda to tak, jakby na magnes położono kartkę papieru, a na wierzch wysypano opiłki żelaza. Będą wyglądać dokładnie tak, jak na poniższym obrazku.
W wielu popularnych książkach z dziedziny fizyki siła magnetyczna jest wprowadzana w wyniku obserwacji eksperymentalnych. Jest uważany za odrębną fundamentalną siłę natury. Taka idea jest błędna, w rzeczywistości istnienie siły magnetycznej wynika z zasady względności. Jej nieobecność naruszałaby tę zasadę.
W sile magnetycznej nie ma nic fundamentalnego - to tylko relatywistyczna konsekwencja prawa Coulomba.
Używanie magnesów
Według legendy, w I wieku naszej ery na wyspie Magnesia starożytni Grecy odkryli niezwykłe kamienie o niesamowitych właściwościach. Przyciągali do siebie każdą rzecz wykonaną z żelaza lub stali. Grecy zaczęli zabierać je z wyspy i badać ich właściwości. A kiedy kamienie wpadły w ręce ulicymagowie, stali się nieodzownymi pomocnikami we wszystkich swoich występach. Wykorzystując moc kamieni magnetycznych, udało im się stworzyć fantastyczne widowisko, które przyciągnęło wielu widzów.
Gdy kamienie rozprzestrzeniły się na wszystkie części świata, zaczęły krążyć wokół nich legendy i różne mity. Kiedyś kamienie trafiły do Chin, gdzie zostały nazwane na cześć wyspy, na której zostały znalezione. Magnesy stały się przedmiotem badań wszystkich wielkich naukowców tamtych czasów. Zauważono, że jeśli położysz magnetyczny żelazny kamień na drewnianym pływaku, naprawisz go, a następnie obrócisz, będzie próbował wrócić do swojej pierwotnej pozycji. Mówiąc najprościej, działająca na nią siła magnetyczna obróci rudę żelaza w określony sposób.
Korzystając z tej właściwości magnesów, naukowcy wynaleźli kompas. Na okrągłym kształcie wykonanym z drewna lub korka narysowano dwa główne bieguny i zainstalowano małą igłę magnetyczną. Ten projekt został obniżony do małej miski wypełnionej wodą. Z biegiem czasu modele kompasów uległy poprawie i stały się bardziej dokładne. Korzystają z nich nie tylko żeglarze, ale także zwykli turyści, którzy lubią zwiedzać tereny pustynne i górskie.
Ciekawe doświadczenia
Naukowiec Hans Oersted poświęcił prawie całe swoje życie elektryczności i magnesom. Pewnego dnia podczas wykładu na uniwersytecie pokazał swoim studentom następujące doświadczenie. Przepuścił prąd przez zwykły miedziany przewodnik, po chwili przewodnik rozgrzał się i zaczął się zginać. To było zjawisko termiczneprąd elektryczny. Uczniowie kontynuowali te eksperymenty, a jeden z nich zauważył, że prąd elektryczny ma jeszcze jedną ciekawą właściwość. Kiedy prąd płynął w przewodniku, strzałka znajdującego się w pobliżu kompasu zaczęła powoli odchylać się. Badając to zjawisko bardziej szczegółowo, naukowiec odkrył tak zwaną siłę działającą na przewodnik w polu magnetycznym.
Prądy amperowe w magnesach
Naukowcy próbowali znaleźć ładunek magnetyczny, ale nie udało się znaleźć izolowanego bieguna magnetycznego. Wyjaśnia to fakt, że w przeciwieństwie do elektryczności, ładunki magnetyczne nie istnieją. W końcu w przeciwnym razie byłoby możliwe oddzielenie ładunku jednostkowego przez proste oderwanie jednego z końców magnesu. Tworzy to jednak nowy przeciwny biegun na drugim końcu.
W rzeczywistości każdy magnes jest solenoidem, na powierzchni którego krążą prądy wewnątrzatomowe, nazywane są prądami Ampère'a. Okazuje się, że magnes można uznać za metalowy pręt, przez który krąży prąd stały. Z tego powodu wprowadzenie żelaznego rdzenia do elektromagnesu znacznie zwiększa pole magnetyczne.
Energia magnesu lub EMF
Jak każde zjawisko fizyczne, pole magnetyczne ma energię potrzebną do przemieszczenia ładunku. Istnieje pojęcie pola elektromagnetycznego (siła elektromotoryczna), która jest zdefiniowana jako praca polegająca na przeniesieniu ładunku jednostkowego z punktu A0 do punktu A1.
Pole elektromagnetyczne jest opisane przez prawa Faradaya, które są stosowane w trzech różnych właściwościach fizycznychsytuacje:
- Przewodzony obwód porusza się w wytworzonym jednorodnym polu magnetycznym. W tym przypadku mówią o magnetycznym emf.
- Kontur jest w spoczynku, ale samo źródło pola magnetycznego porusza się. To już jest zjawisko elektryczne emf.
- Wreszcie obwód i źródło pola magnetycznego są nieruchome, ale prąd, który wytwarza pole magnetyczne, zmienia się.
Numerycznie EMF zgodnie ze wzorem Faradaya to: EMF=W/q.
W konsekwencji siła elektromotoryczna nie jest siłą w sensie dosłownym, ponieważ jest mierzona w dżulach na kulomb lub w woltach. Okazuje się, że reprezentuje energię, która jest przekazywana elektronowi przewodzącemu podczas ominięcia obwodu. Za każdym razem, wykonując kolejną rundę obracającej się ramy generatora, elektron uzyskuje energię równą liczbowo EMF. Ta dodatkowa energia może być nie tylko przekazywana podczas zderzeń atomów w zewnętrznym łańcuchu, ale także uwalniana w postaci ciepła Joule'a.
Siła Lorentza i magnesy
Siła działająca na prąd w polu magnetycznym jest określona wzorem: q|v||B|sin a (iloczyn ładunku pola magnetycznego i modułów prędkości tej samej cząstki, wektor indukcji pola i sinus kąta między ich kierunkami). Siła działająca na poruszający się ładunek jednostkowy w polu magnetycznym nazywana jest siłą Lorentza. Ciekawostką jest to, że III prawo Newtona jest nieważne dla tej siły. Przestrzega tylko prawa zachowania pędu, dlatego wszystkie problemy związane ze znalezieniem siły Lorentza należy rozwiązywać na jego podstawie. Dowiedzmy się, jakmożesz określić siłę pola magnetycznego.
Problemy i przykłady rozwiązań
Aby znaleźć siłę, która powstaje wokół przewodnika z prądem, musisz znać kilka wielkości: ładunek, jego prędkość i wartość indukcji wyłaniającego się pola magnetycznego. Poniższy problem pomoże Ci zrozumieć, jak obliczyć siłę Lorentza.
Określ siłę działającą na proton poruszający się z prędkością 10 mm/s w polu magnetycznym z indukcją 0,2 C (kąt między nimi wynosi 90o, ponieważ naładowana cząstka porusza się prostopadle do linii indukcji). Rozwiązanie sprowadza się do znalezienia zarzutu. Patrząc na tabelę ładunków, okazuje się, że proton ma ładunek 1,610-19 Cl. Następnie obliczamy siłę ze wzoru: 1, 610-19100, 21 (sinus kąta prostego to 1)=3, 2 10- 19 Newtony.
