Una dintre cele mai importante secțiuni ale fizicii moderne este interacțiunile electromagnetice și toate definițiile legate de acestea. Această interacțiune explică toate fenomenele electrice. Teoria electricității acoperă multe alte domenii, inclusiv optică, deoarece lumina este radiație electromagnetică. În acest articol, vom încerca să explicăm esența curentului electric și a forței magnetice într-un limbaj accesibil și ușor de înțeles.
Magnetismul este fundația fundațiilor
În copilărie, adulții ne-au arătat diverse trucuri magice folosind magneți. Aceste figurine uimitoare, care sunt atrase una de ceal altă și pot atrage jucării mici, au încântat mereu ochii copiilor. Ce sunt magneții și cum acționează forța magnetică asupra pieselor de fier?
Explicând în limbaj științific, trebuie să apelezi la una dintre legile de bază ale fizicii. Conform legii lui Coulomb și teoriei relativității speciale, asupra sarcinii acționează o anumită forță, care este direct proporțională cu viteza sarcinii în sine (v). Această interacțiune se numeșteforță magnetică.
Caracteristici fizice
În general, trebuie înțeles că orice fenomene magnetice apar numai atunci când sarcinile se deplasează în interiorul conductorului sau în prezența curenților în ele. Când studiem magneții și însăși definiția magnetismului, trebuie înțeles că aceștia sunt strâns legați de fenomenul curentului electric. Prin urmare, să înțelegem esența curentului electric.
Forța electrică este forța care acționează între un electron și un proton. Este numeric mult mai mare decât valoarea forței gravitaționale. Este generat de o sarcină electrică, sau mai degrabă, de mișcarea acesteia în interiorul conductorului. Sarcinile, la rândul lor, sunt de două tipuri: pozitive și negative. După cum știți, particulele încărcate pozitiv sunt atrase de cele încărcate negativ. Cu toate acestea, acuzațiile de același semn tind să se respingă reciproc.
Deci, atunci când tocmai aceste sarcini încep să se miște în conductor, în el apare un curent electric, care se explică ca raportul dintre cantitatea de sarcină care curge prin conductor într-o secundă. Forța care acționează asupra unui conductor cu curent într-un câmp magnetic se numește forța Amperi și se găsește conform regulii „mânei stângi”.
Date empirice
Puteți întâlni interacțiuni magnetice în viața de zi cu zi când aveți de-a face cu magneți permanenți, inductori, relee sau motoare electrice. Fiecare dintre ele are un câmp magnetic care este invizibil pentru ochi. Ea poate fi urmărită numai prin acțiunea sa, pe care oafectează particulele în mișcare și corpurile magnetizate.
Forța care acționează asupra unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic a fost studiată și descrisă de fizicianul francez Ampère. Nu numai această forță poartă numele lui, ci și mărimea puterii curente. La școală, legile lui Ampère sunt definite ca regulile mâinii „stânga” și „dreapta”.
Caracteristicile câmpului magnetic
Ar trebui să se înțeleagă că un câmp magnetic apare întotdeauna nu numai în jurul surselor de curent electric, ci și în jurul magneților. El este de obicei descris cu linii de forță magnetice. Grafic, se pare că pe un magnet a fost pusă o foaie de hârtie, iar deasupra au fost turnate pilitură de fier. Vor arăta exact ca în imaginea de mai jos.
În multe cărți populare despre fizică, forța magnetică este introdusă ca urmare a observațiilor experimentale. Este considerată o forță fundamentală separată a naturii. O astfel de idee este eronată; de fapt, existența unei forțe magnetice decurge din principiul relativității. Absența ei ar încălca acest principiu.
Nu există nimic fundamental în legătură cu forța magnetică - este doar o consecință relativistă a legii lui Coulomb.
Folosirea magneților
Conform legendei, în secolul I d. Hr. pe insula Magnesia, grecii antici au descoperit pietre neobișnuite care aveau proprietăți uimitoare. Atrăgeau spre ei înșiși orice lucru făcut din fier sau oțel. Grecii au început să-i scoată de pe insulă și să le studieze proprietățile. Și când pietrele au căzut în mâinile străziimagicieni, au devenit asistenți indispensabili în toate spectacolele lor. Folosind puterile pietrelor magnetice, ei au reușit să creeze un întreg spectacol fantastic care a atras mulți spectatori.
Pe măsură ce pietrele s-au răspândit în toate părțile lumii, legende și diverse mituri au început să circule despre ele. Odată, pietrele au ajuns în China, unde au fost numite după insula pe care au fost găsite. Magneții au devenit subiectul de studiu al tuturor marilor oameni de știință ai vremii. S-a observat că dacă puneți o piatră de fier magnetică pe un flotor de lemn, o fixați și apoi o întoarceți, aceasta va încerca să revină la poziția inițială. Pur și simplu, forța magnetică care acționează asupra acestuia va transforma minereul de fier într-un anumit fel.
Folosind această proprietate a magneților, oamenii de știință au inventat busola. Pe o formă rotundă din lemn sau plută au fost desenați doi stâlpi principali și a fost instalat un mic ac magnetic. Acest design a fost coborât într-un vas mic umplut cu apă. De-a lungul timpului, modelele de busolă s-au îmbunătățit și au devenit mai precise. Sunt folosite nu numai de marinari, ci și de turiștii obișnuiți cărora le place să exploreze zonele deșertice și muntoase.
Experiențe interesante
Omul de știință Hans Oersted și-a dedicat aproape întreaga viață electricității și magneților. Într-o zi, în timpul unei prelegeri la universitate, le-a arătat studenților săi următoarea experiență. A trecut un curent printr-un conductor obișnuit de cupru, după un timp conductorul s-a încălzit și a început să se îndoaie. A fost un fenomen termiccurent electric. Elevii au continuat aceste experimente, iar unul dintre ei a observat că curentul electric are o altă proprietate interesantă. Când curentul a trecut în conductor, săgeata busolei aflată în apropiere a început să se abate puțin câte puțin. Studiind acest fenomen mai detaliat, omul de știință a descoperit așa-numita forță care acționează asupra unui conductor într-un câmp magnetic.
Curenți de amperi în magneți
Oamenii de știință au încercat să găsească o sarcină magnetică, dar un pol magnetic izolat nu a putut fi găsit. Acest lucru se explică prin faptul că, spre deosebire de electrice, sarcinile magnetice nu există. La urma urmei, altfel ar fi posibil să se separe o unitate de încărcare prin simpla rupere a unuia dintre capetele magnetului. Totuși, acest lucru creează un nou pol opus la celăl alt capăt.
De fapt, orice magnet este un solenoid, pe suprafața căruia circulă curenți intra-atomici, se numesc curenți Ampère. Rezultă că magnetul poate fi considerat ca o tijă metalică prin care circulă un curent continuu. Din acest motiv, introducerea unui miez de fier în solenoid crește foarte mult câmpul magnetic.
Energie magnetică sau EMF
Ca orice fenomen fizic, un câmp magnetic are energia necesară pentru a deplasa o sarcină. Există conceptul de EMF (forță electromotoare), acesta este definit ca lucrul de a muta o sarcină unitară din punctul A0 în punctul A1.
CEM este descris de legile lui Faraday, care sunt aplicate în trei tipuri fizice diferite.situații:
- Circuitul condus se mișcă în câmpul magnetic uniform generat. În acest caz, ei vorbesc despre fem magnetice.
- Conturul este în repaus, dar sursa câmpului magnetic în sine se mișcă. Acesta este deja un fenomen EMF electric.
- În sfârșit, circuitul și sursa câmpului magnetic sunt staționare, dar curentul care creează câmpul magnetic se schimbă.
Numeric, EMF conform formulei Faraday este: EMF=W/q.
În consecință, forța electromotoare nu este o forță în sens literal, deoarece este măsurată în Jouli pe Coulomb sau în Volți. Se dovedește că reprezintă energia care este transmisă electronului de conducere la ocolirea circuitului. De fiecare dată, făcând următoarea rundă a cadrului rotativ al generatorului, electronul capătă o energie egală numeric cu EMF. Această energie suplimentară poate fi transferată nu numai în timpul ciocnirilor atomilor din lanțul exterior, ci și eliberată sub formă de căldură Joule.
Forța și magneții Lorentz
Forța care acționează asupra curentului într-un câmp magnetic este determinată de următoarea formulă: q|v||B|sin a (produsul sarcinii câmpului magnetic, modulele de viteză ale aceleiași particule, vectorul de inducție a câmpului și sinusul unghiului dintre direcțiile lor). Forța care acționează asupra unei unități de sarcină în mișcare într-un câmp magnetic se numește forța Lorentz. Un fapt interesant este că a treia lege a lui Newton este invalidă pentru această forță. Se supune numai legii conservării impulsului, motiv pentru care toate problemele în găsirea forței Lorentz ar trebui rezolvate pe baza acesteia. Să ne dăm seama cumputeți determina intensitatea câmpului magnetic.
Probleme și exemple de soluții
Pentru a afla forța care ia naștere în jurul unui conductor cu curent, trebuie să cunoașteți mai multe mărimi: sarcina, viteza acesteia și valoarea inducției câmpului magnetic emergent. Următoarea problemă vă va ajuta să înțelegeți cum să calculați forța Lorentz.
Determinați forța care acționează asupra unui proton care se mișcă cu o viteză de 10 mm/s într-un câmp magnetic cu o inducție de 0,2 C (unghiul dintre ele este de 90o, deoarece o particulă încărcată se mișcă perpendicular pe liniile de inducție). Soluția se rezumă la găsirea taxei. Privind tabelul de sarcini, constatăm că protonul are o sarcină de 1,610-19 Cl. Apoi, calculăm forța folosind formula: 1, 610-19100, 21 (sinusul unghiului drept este 1)=3, 2 10 - 19 Newtoni.
