En av de viktigaste delarna av modern fysik är elektromagnetiska interaktioner och alla definitioner relaterade till dem. Det är denna interaktion som förklarar alla elektriska fenomen. Teorin om elektricitet täcker många andra områden, inklusive optik, eftersom ljus är elektromagnetisk strålning. I den här artikeln kommer vi att försöka förklara essensen av elektrisk ström och magnetisk kraft på ett tillgängligt och begripligt språk.
Magnetism är grunden för stiftelserna
Som barn visade vuxna oss olika magiska trick med hjälp av magneter. Dessa fantastiska figurer, som attraheras av varandra och kan locka till sig små leksaker, har alltid glädjat barnens ögon. Vad är magneter och hur verkar den magnetiska kraften på järndelar?
Om du förklarar på ett vetenskapligt språk måste du vända dig till en av fysikens grundläggande lagar. Enligt Coulombs lag och den speciella relativitetsteorin verkar en viss kraft på laddningen, som är direkt proportionell mot själva laddningens hastighet (v). Denna interaktion kallasmagnetisk kraft.
Fysiska egenskaper
I allmänhet bör det förstås att magnetiska fenomen endast inträffar när laddningar rör sig inuti ledaren eller i närvaro av strömmar i dem. När man studerar magneter och själva definitionen av magnetism, bör det förstås att de är nära besläktade med fenomenet elektrisk ström. Låt oss därför förstå essensen av den elektriska strömmen.
Elektrisk kraft är kraften som verkar mellan en elektron och en proton. Det är numeriskt mycket större än värdet av gravitationskraften. Det genereras av en elektrisk laddning, eller snarare, av dess rörelse inuti ledaren. Avgifter är i sin tur av två typer: positiva och negativa. Som ni vet attraheras positivt laddade partiklar till negativt laddade. Laddningar av samma tecken tenderar dock att stöta bort varandra.
Så, när just dessa laddningar börjar röra sig i ledaren, uppstår en elektrisk ström i den, vilket förklaras som förhållandet mellan mängden laddning som strömmar genom ledaren på 1 sekund. Kraften som verkar på en ledare med ström i ett magnetfält kallas Amperekraften och hittas enligt "vänsterhandsregeln".
empirisk data
Du kan stöta på magnetisk interaktion i vardagen när du har att göra med permanentmagneter, induktorer, reläer eller elmotorer. Var och en av dem har ett magnetfält som är osynligt för ögat. Den kan spåras endast genom dess verkan, som denpåverkar rörliga partiklar och magnetiserade kroppar.
Kraften som verkar på en strömförande ledare i ett magnetfält studerades och beskrevs av den franske fysikern Ampère. Inte bara denna kraft är uppkallad efter honom, utan också storleken på den nuvarande styrkan. I skolan definieras Ampères lagar som reglerna för "vänster" och "höger" hand.
Magnetiska fältegenskaper
Det bör förstås att ett magnetiskt fält alltid uppstår inte bara runt källor för elektrisk ström, utan också runt magneter. Han avbildas vanligtvis med magnetiska kraftlinjer. Grafiskt ser det ut som om ett pappersark lades på en magnet och järnspån hälldes ovanpå. De kommer att se ut exakt som bilden nedan.
I många populära böcker om fysik introduceras den magnetiska kraften som ett resultat av experimentella observationer. Det anses vara en separat grundläggande naturkraft. En sådan idé är felaktig, i själva verket följer förekomsten av en magnetisk kraft av relativitetsprincipen. Hennes frånvaro skulle bryta mot denna princip.
Det finns inget grundläggande med den magnetiska kraften - det är bara en relativistisk konsekvens av Coulombs lag.
Använda magneter
Enligt legenden upptäckte de gamla grekerna ovanliga stenar som hade fantastiska egenskaper under det första århundradet e. Kr. på ön Magnesia. De lockade till sig vad som helst av järn eller stål. Grekerna började ta dem ut från ön och studera deras egenskaper. Och när stenarna föll i händerna på gatanmagiker, de har blivit oumbärliga assistenter i alla sina föreställningar. Med hjälp av de magnetiska stenarnas krafter kunde de skapa en hel fantastisk show som lockade många tittare.
När stenarna spred sig till alla delar av världen började legender och olika myter cirkulera om dem. En gång hamnade stenarna i Kina, där de fick sitt namn efter ön där de hittades. Magneter blev föremål för studier av alla dåtidens stora vetenskapsmän. Det har märkts att om du lägger en magnetisk järnsten på en träflotta, fixar den och sedan vänder den, kommer den att försöka återgå till sin ursprungliga position. Enkelt uttryckt kommer den magnetiska kraften som verkar på den att vända järnmalmen på ett visst sätt.
Med hjälp av denna egenskap hos magneter uppfann forskare kompassen. På en rund form av trä eller kork ritades två huvudstolpar och en liten magnetisk nål installerades. Denna design sänktes ner i en liten skål fylld med vatten. Med tiden har kompassmodellerna förbättrats och blivit mer exakta. De används inte bara av sjömän, utan också av vanliga turister som gillar att utforska öken och bergsområden.
Intressanta upplevelser
Forskaren Hans Oersted ägnade nästan hela sitt liv åt elektricitet och magneter. En dag, under en föreläsning på universitetet, visade han sina studenter följande upplevelse. Han ledde en ström genom en vanlig kopparledare, efter ett tag värmdes ledaren upp och började böjas. Det var ett termiskt fenomenelektrisk ström. Eleverna fortsatte dessa experiment, och en av dem märkte att den elektriska strömmen har en annan intressant egenskap. När ström flödade i ledaren började pilen på kompassen som fanns i närheten att avvika lite i taget. Genom att studera detta fenomen mer i detalj upptäckte forskaren den så kallade kraften som verkar på en ledare i ett magnetfält.
Ampereströmmar i magneter
Forskare har försökt hitta en magnetisk laddning, men en isolerad magnetisk pol kunde inte hittas. Detta förklaras av det faktum att magnetiska laddningar, till skillnad från elektriska, inte existerar. När allt kommer omkring, annars skulle det vara möjligt att separera en enhetsladdning genom att helt enkelt bryta av en av magnetens ändar. Detta skapar dock en ny motpol i andra änden.
Faktum är att vilken magnet som helst är en solenoid, på vars yta intraatomära strömmar cirkulerar, de kallas Ampère-strömmar. Det visar sig att magneten kan betraktas som en metallstav genom vilken en likström cirkulerar. Det är av denna anledning som införandet av en järnkärna i solenoiden kraftigt ökar magnetfältet.
Magnetenergi eller EMF
Som alla fysiska fenomen har ett magnetfält energi som krävs för att flytta en laddning. Det finns begreppet EMF (elektromotorisk kraft), det definieras som arbetet med att flytta en enhetsladdning från punkt A0 till punkt A1.
EMK beskrivs av Faradays lagar, som tillämpas i tre olika fysiskasituationer:
- Den ledande kretsen rör sig i det genererade enhetliga magnetfältet. I det här fallet talar de om magnetisk emf.
- Konturen är i vila, men själva källan till magnetfältet rör sig. Detta är redan ett elektriskt emf-fenomen.
- Slutligen är kretsen och källan till magnetfältet stationära, men strömmen som skapar magnetfältet förändras.
Numeriskt är EMF enligt Faradays formel: EMF=W/q.
Följaktligen är den elektromotoriska kraften inte en kraft i bokstavlig mening, eftersom den mäts i Joule per Coulomb eller i Volt. Det visar sig att det representerar energin som överförs till ledningselektronen när den går förbi kretsen. Varje gång, nästa omgång av generatorns roterande ram, förvärvar elektronen en energi numeriskt lika med EMF. Denna extra energi kan inte bara överföras vid kollisioner av atomer i den yttre kedjan, utan även frigöras i form av Joule-värme.
Lorentz kraft och magneter
Kraften som verkar på strömmen i ett magnetfält bestäms av följande formel: q|v||B|sin a (produkten av magnetfältets laddning, hastighetsmodulerna för samma partikel, fältinduktionsvektorn och sinus för vinkeln mellan deras riktningar). Kraften som verkar på en rörlig enhetsladdning i ett magnetfält kallas Lorentzkraften. Ett intressant faktum är att Newtons tredje lag är ogiltig för denna kraft. Den lyder endast lagen om bevarande av momentum, vilket är anledningen till att alla problem med att hitta Lorentz-kraften bör lösas utifrån den. Låt oss ta reda på hurdu kan bestämma styrkan på magnetfältet.
Problem och exempel på lösningar
För att hitta kraften som uppstår runt en ledare med ström behöver du känna till flera storheter: laddningen, dess hastighet och värdet på induktionen av det framträdande magnetfältet. Följande problem hjälper dig att förstå hur du beräknar Lorentz-kraften.
Bestämma kraften som verkar på en proton som rör sig med en hastighet av 10 mm/s i ett magnetfält med en induktion på 0,2 C (vinkeln mellan dem är 90o eftersom en laddad partikel rör sig vinkelrätt mot induktionslinjerna). Lösningen handlar om att hitta laddningen. Om vi tittar på laddningstabellen finner vi att protonen har en laddning på 1,610-19 Cl. Därefter beräknar vi kraften med formeln: 1, 610-19100, 21 (sinus för den räta vinkeln är 1)=3, 2 10- 19 Newton.
