Един от най-важните раздели на съвременната физика са електромагнитните взаимодействия и всички определения, свързани с тях. Именно това взаимодействие обяснява всички електрически явления. Теорията на електричеството обхваща много други области, включително оптиката, тъй като светлината е електромагнитно излъчване. В тази статия ще се опитаме да обясним същността на електрическия ток и магнитната сила на достъпен, разбираем език.
Магнетизмът е основата на основите
Като деца, възрастните ни показваха различни магически трикове с помощта на магнити. Тези невероятни фигурки, които се привличат една към друга и могат да привличат малки играчки, винаги са радвали детските очи. Какво представляват магнитите и как действа магнитната сила върху железните части?
Обяснявайки на научен език, трябва да се обърнете към един от основните закони на физиката. Според закона на Кулон и специалната теория на относителността върху заряда действа определена сила, която е право пропорционална на скоростта на самия заряд (v). Това взаимодействие се наричамагнитна сила.
Физически характеристики
Като цяло трябва да се разбере, че всякакви магнитни явления възникват само когато зарядите се движат вътре в проводника или при наличие на токове в тях. Когато изучаваме магнитите и самото определение на магнетизма, трябва да се разбере, че те са тясно свързани с явлението електрически ток. Затова нека разберем същността на електрическия ток.
Електрическата сила е силата, която действа между електрон и протон. Числено е много по-голямо от стойността на гравитационната сила. Той се генерира от електрически заряд, или по-скоро от движението му вътре в проводника. Таксите от своя страна са два вида: положителни и отрицателни. Както знаете, положително заредените частици се привличат от отрицателно заредените. Обаче зарядите от един и същи знак са склонни да се отблъскват.
И така, когато самите тези заряди започнат да се движат в проводника, в него възниква електрически ток, който се обяснява като съотношението на количеството заряд, преминаващ през проводника за 1 секунда. Силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле, се нарича сила на Ампер и се намира според правилото за "лявата ръка".
Емпирични данни
Можете да срещнете магнитно взаимодействие в ежедневието, когато работите с постоянни магнити, индуктори, релета или електрически двигатели. Всеки от тях има магнитно поле, което е невидимо за окото. Тя може да бъде проследена само от нейното действие, което тозасяга движещи се частици и магнетизирани тела.
Силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле, е изследвана и описана от френския физик Ампер. Не само тази сила е кръстена на него, но и величината на сегашната сила. В училище законите на Ампер се дефинират като правила за „лява“и „дясна“ръка.
Характеристики на магнитното поле
Трябва да се разбере, че магнитно поле винаги възниква не само около източници на електрически ток, но и около магнити. Обикновено се изобразява с магнитни силови линии. Графично изглежда така, сякаш лист хартия е поставен върху магнит, а отгоре са изсипани железни стърготини. Те ще изглеждат точно като снимката по-долу.
В много популярни книги по физика магнитната сила е въведена в резултат на експериментални наблюдения. Счита се за отделна основна сила на природата. Такава идея е погрешна; всъщност съществуването на магнитна сила следва от принципа на относителността. Нейното отсъствие би нарушило този принцип.
Няма нищо фундаментално за магнитната сила - тя е просто релативистично следствие от закона на Кулон.
Използване на магнити
Според легендата, през първи век след Христа на остров Магнезия, древните гърци открили необичайни камъни, които притежавали удивителни свойства. Те привличаха към себе си всяко нещо, изработено от желязо или стомана. Гърците започнали да ги извеждат от острова и да проучват имотите им. И когато камъните паднаха в ръцете на улицатамагьосници, те са се превърнали в незаменими помощници във всичките им изпълнения. Използвайки силите на магнитните камъни, те успяха да създадат цяло фантастично шоу, което привлече много зрители.
Когато камъните се разпространяват по всички части на света, легенди и различни митове започват да се разпространяват около тях. Веднъж камъните се озовават в Китай, където са кръстени на острова, на който са открити. Магнитите стават обект на изследване на всички велики учени от онова време. Забелязано е, че ако поставите магнитен железен камък върху дървена плувка, фиксирате го и след това го завъртите, той ще се опита да се върне в първоначалното си положение. Просто казано, магнитната сила, действаща върху него, ще обърне желязната руда по определен начин.
Използвайки това свойство на магнитите, учените изобретиха компаса. Върху кръгла форма, изработена от дърво или корк, бяха нарисувани два основни полюса и беше монтирана малка магнитна игла. Този дизайн беше спуснат в малка купа, пълна с вода. С течение на времето моделите на компаси се подобряват и стават по-точни. Използват се не само от моряци, но и от обикновени туристи, които обичат да изследват пустинни и планински райони.
Интересни преживявания
Ученият Ханс Ерстед посвети почти целия си живот на електричеството и магнитите. Един ден, по време на лекция в университета, той показа на студентите си следното преживяване. Той прекара ток през обикновен меден проводник, след известно време проводникът се нагрява и започва да се огъва. Беше термично явлениеелектрически ток. Учениците продължиха тези експерименти и един от тях забеляза, че електрическият ток има още едно интересно свойство. Когато в проводника потече ток, стрелката на компаса, разположена наблизо, започна да се отклонява малко по малко. Изучавайки това явление по-подробно, ученият открива така наречената сила, действаща върху проводник в магнитно поле.
Амперни токове в магнити
Учените са се опитали да намерят магнитен заряд, но изолиран магнитен полюс не може да бъде намерен. Това се обяснява с факта, че за разлика от електрическите, магнитните заряди не съществуват. В крайна сметка, в противен случай би било възможно да се отдели единичен заряд, като просто се счупи един от краищата на магнита. Това обаче създава нов противоположен полюс в другия край.
Всъщност всеки магнит е соленоид, по повърхността на който циркулират вътрешно-атомни токове, те се наричат токове на ампер. Оказва се, че магнитът може да се разглежда като метален прът, през който циркулира постоянен ток. Поради тази причина въвеждането на желязна сърцевина в соленоида увеличава значително магнитното поле.
Енергия на магнита или EMF
Като всяко физическо явление, магнитното поле има енергия, необходима за преместване на заряд. Съществува концепцията за EMF (електродвижеща сила), тя се определя като работа за преместване на единичен заряд от точка A0 до точка A1.
ЕМП се описва от законите на Фарадей, които се прилагат в три различни физическиситуации:
- Проведената верига се движи в генерираното еднородно магнитно поле. В този случай те говорят за магнитна емф.
- Контурът е в покой, но самият източник на магнитно поле се движи. Това вече е феномен на електрически emf.
- Накрая веригата и източникът на магнитно поле са неподвижни, но токът, който създава магнитното поле, се променя.
Числено, EMF според формулата на Фарадей е: EMF=W/q.
Следователно, електродвижещата сила не е сила в буквалния смисъл, тъй като се измерва в джаули на кулон или във волтове. Оказва се, че представлява енергията, която се предава на електрона на проводимост при заобикаляне на веригата. Всеки път, правейки следващия кръг от въртящата се рамка на генератора, електронът придобива енергия, числено равна на EMF. Тази допълнителна енергия може не само да бъде прехвърлена по време на сблъсъци на атоми във външната верига, но и да бъде освободена под формата на джаулова топлина.
Лоренцова сила и магнити
Силата, действаща върху тока в магнитно поле, се определя по следната формула: q|v||B|sin a (продуктът на заряда на магнитното поле, модулите на скоростта на една и съща частица, векторът на индукция на полето и синусът на ъгъла между техните посоки). Силата, която действа върху движещ се единичен заряд в магнитно поле, се нарича сила на Лоренц. Интересен факт е, че 3-ти закон на Нютон е невалиден за тази сила. Той се подчинява само на закона за запазване на импулса, поради което всички проблеми при намирането на силата на Лоренц трябва да се решават въз основа на него. Нека разберем какможете да определите силата на магнитното поле.
Проблеми и примери за решения
За да намерите силата, която възниква около проводник с ток, трябва да знаете няколко величини: заряда, неговата скорост и стойността на индукцията на възникващото магнитно поле. Следният проблем ще ви помогне да разберете как да изчислите силата на Лоренц.
Определете силата, действаща върху протон, който се движи със скорост 10 mm/s в магнитно поле с индукция от 0,2 C (ъгълът между тях е 90o, тъй като заредена частица се движи перпендикулярно на линиите на индукция). Решението се свежда до намиране на заряда. Разглеждайки таблицата на зарядите, откриваме, че протонът има заряд от 1,610-19 Cl. След това изчисляваме силата по формулата: 1, 610-19100, 21 (синусът на правия ъгъл е 1)=3, 2 10- 19 нютона.
