Yksi modernin fysiikan tärkeimmistä osista on sähkömagneettiset vuorovaikutukset ja kaikki niihin liittyvät määritelmät. Tämä vuorovaikutus selittää kaikki sähköilmiöt. Sähköteoria kattaa monia muita aloja, mukaan lukien optiikan, koska valo on sähkömagneettista säteilyä. Tässä artikkelissa yritämme selittää sähkövirran ja magneettisen voiman olemuksen helposti ymmärrettävällä kielellä.
Magnetismi on perustusten perusta
Lapsina aikuiset näyttivät meille erilaisia taikatemppuja magneeteilla. Nämä upeat hahmot, jotka vetoavat toisiinsa ja voivat houkutella pieniä leluja, ovat aina miellyttäneet lasten silmiä. Mitä magneetit ovat ja miten magneettinen voima vaikuttaa rautaosiin?
Selittää tieteellisellä kielellä, sinun on käännyttävä yhteen fysiikan peruslakeista. Coulombin lain ja erityissuhteellisuusteorian mukaan varaukseen vaikuttaa tietty voima, joka on suoraan verrannollinen itse varauksen nopeuteen (v). Tätä vuorovaikutusta kutsutaanmagneettinen voima.
Fyysiset ominaisuudet
Yleisesti on ymmärrettävä, että magneettisia ilmiöitä esiintyy vain, kun varaukset liikkuvat johtimen sisällä tai niissä on virtoja. Kun tutkitaan magneetteja ja magnetismin määritelmää, on ymmärrettävä, että ne liittyvät läheisesti sähkövirran ilmiöön. Ymmärretään siis sähkövirran olemus.
Sähkövoima on voima, joka vaikuttaa elektronin ja protonin välillä. Se on numeerisesti paljon suurempi kuin gravitaatiovoiman arvo. Se syntyy sähkövarauksesta tai pikemminkin sen liikkeestä johtimen sisällä. Veloitukset puolestaan on kahdenlaisia: positiivisia ja negatiivisia. Kuten tiedät, positiivisesti varautuneet hiukkaset houkuttelevat negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Samanmerkkiset varaukset kuitenkin hylkivät toisiaan.
Joten, kun juuri nämä varaukset alkavat liikkua johtimessa, syntyy siihen sähkövirtaa, joka selitetään johtimen läpi 1 sekunnissa virtaavan varauksen määrän suhteena. Magneettikentässä olevaan johtimeen vaikuttavaa voimaa kutsutaan ampeerivoimaksi ja se löydetään "vasemman käden" säännön mukaan.
Empiiriset tiedot
Magneettista vuorovaikutusta voi kohdata jokapäiväisessä elämässä kestomagneettien, kelojen, releiden tai sähkömoottoreiden kanssa. Jokaisella niistä on magneettikenttä, joka on näkymätön silmälle. Se voidaan jäljittää vain sen toiminnalla, jota sevaikuttaa liikkuviin hiukkasiin ja magnetoituihin kappaleisiin.
Ranskalainen fyysikko Ampère tutki ja kuvasi voimaa, joka vaikuttaa virtaa kuljettavaan johtimeen magneettikentässä. Hänen mukaansa ei ole nimetty vain tämä voima, vaan myös virran voimakkuuden suuruus. Koulussa Ampèren lait määritellään "vasemman" ja "oikean" käden säännöiksi.
Magneettikentän ominaisuudet
Tulee ymmärtää, että magneettikenttä ei esiinny aina vain sähkövirran lähteiden, vaan myös magneettien ympärillä. Hänet kuvataan yleensä magneettisilla voimalinjoilla. Graafisesti näyttää siltä, että magneetin päälle olisi asetettu paperiarkki ja päälle kaadettu rautaviilaa. Ne näyttävät täsmälleen sam alta kuin alla olevassa kuvassa.
Monissa suosituissa fysiikan kirjoissa magneettinen voima esitellään kokeellisten havaintojen seurauksena. Sitä pidetään erillisenä luonnon perusvoimana. Tällainen ajatus on virheellinen, itse asiassa magneettisen voiman olemassaolo seuraa suhteellisuusperiaatteesta. Hänen poissaolonsa rikkoisi tätä periaatetta.
Magneettisessa voimassa ei ole mitään perustavaa - se on vain Coulombin lain relativistinen seuraus.
Magneettien käyttäminen
Legendin mukaan muinaiset kreikkalaiset löysivät ensimmäisellä vuosisadalla jKr Magnesian saarelta epätavallisia kiviä, joilla oli uskomattomia ominaisuuksia. He vetivät puoleensa mitä tahansa raudasta tai teräksestä valmistettua tavaraa. Kreikkalaiset alkoivat viedä heitä pois saarelta ja tutkia heidän ominaisuuksiaan. Ja kun kivet putosivat kadun käsiintaikurit, heistä on tullut korvaamattomia avustajia kaikissa esityksissään. Magneettikivien voimia käyttämällä he pystyivät luomaan koko fantastisen esityksen, joka houkutteli monia katsojia.
Kun kivet levisivät kaikkialle maailmaan, niistä alkoi kiertää legendoja ja erilaisia myyttejä. Kerran kivet päätyivät Kiinaan, missä ne nimettiin saaren mukaan, jolta ne löydettiin. Magneeteista tuli kaikkien tuon ajan suurten tiedemiesten tutkimuskohde. On huomattu, että jos laitat magneettisen rautakiven puukellukkeen päälle, kiinnität sen ja sitten käännät, se yrittää palata alkuperäiseen asentoonsa. Yksinkertaisesti sanottuna siihen vaikuttava magneettinen voima kääntää rautamalmin tietyllä tavalla.
Käyttäen tätä magneettien ominaisuutta tiedemiehet keksivät kompassin. Puusta tai korkista tehtyyn pyöreään muotoon piirrettiin kaksi päänapaa ja asennettiin pieni magneettineula. Tämä malli laskettiin pieneen kulhoon, joka oli täytetty vedellä. Ajan myötä kompassimallit ovat parantuneet ja tarkentuneet. Niitä käyttävät paitsi merimiehet, myös tavalliset turistit, jotka haluavat tutustua autiomaa- ja vuoristoalueisiin.
Mielenkiintoisia kokemuksia
Tutkija Hans Oersted omisti lähes koko elämänsä sähkölle ja magneeteille. Eräänä päivänä yliopiston luennon aikana hän näytti opiskelijoilleen seuraavan kokemuksen. Hän kuljetti virran tavallisen kuparijohtimen läpi, hetken kuluttua johdin lämpeni ja alkoi taipua. Se oli lämpöilmiösähkövirta. Opiskelijat jatkoivat näitä kokeita, ja yksi heistä huomasi, että sähkövirralla on toinenkin mielenkiintoinen ominaisuus. Kun virta kulki johtimessa, lähellä sijaitsevan kompassin nuoli alkoi poiketa pikkuhiljaa. Tutkiessaan tätä ilmiötä yksityiskohtaisemmin, tiedemies löysi niin sanotun voiman, joka vaikuttaa magneettikentässä olevaan johtimeen.
Ampeerivirrat magneeteissa
Tutkijat ovat yrittäneet löytää magneettista varausta, mutta eristettyä magneettinapaa ei löytynyt. Tämä selittyy sillä, että toisin kuin sähkössä, magneettisia varauksia ei ole olemassa. Loppujen lopuksi muuten olisi mahdollista erottaa yksikkövaraus yksinkertaisesti katkaisemalla magneetin toinen pää. Tämä luo kuitenkin uuden vastanapan toiseen päähän.
Itse asiassa mikä tahansa magneetti on solenoidi, jonka pinnalla kiertävät atominsisäiset virrat, niitä kutsutaan Ampère-virroiksi. Osoittautuu, että magneettia voidaan pitää metallisauvana, jonka läpi tasavirta kiertää. Tästä syystä rautasydämen lisääminen solenoidiin lisää suuresti magneettikenttää.
Magneettienergia tai EMF
Kuten missä tahansa fysikaalisessa ilmiössä, magneettikentässä on energiaa, joka kuluu varauksen siirtämiseen. On olemassa käsite EMF (elektromotorinen voima), se määritellään työksi siirtää yksikkövaraus pisteestä A0 pisteeseen A1.
EMF kuvataan Faradayn laeilla, joita sovelletaan kolmeen eri fyysiseentilanteet:
- Johtettu piiri liikkuu syntyneessä tasaisessa magneettikentässä. Tässä tapauksessa he puhuvat magneettisesta emf.
- Käriviiva on levossa, mutta itse magneettikentän lähde liikkuu. Tämä on jo sähköinen emf-ilmiö.
- Lopuksi piiri ja magneettikentän lähde ovat paikallaan, mutta magneettikentän luova virta muuttuu.
Numeerisesti EMF Faradayn kaavan mukaan on: EMF=W/q.
Sähkömotorinen voima ei siis ole voima kirjaimellisessa merkityksessä, koska se mitataan jouleina coulombia kohti tai voltteina. Osoittautuu, että se edustaa energiaa, joka välittyy johtavuuselektronille, kun piiri ohitetaan. Joka kerta tehdessään seuraavan kierroksen generaattorin pyörivässä kehyksessä elektroni saa energiaa, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin EMF. Tämä lisäenergia ei voi vain siirtyä ulkoketjun atomien törmäyksien aikana, vaan myös vapautua joulen lämmön muodossa.
Lorentzin voima ja magneetit
Magneettikentän virtaan vaikuttava voima määritetään seuraavalla kaavalla: q|v||B|sin a (magneettikentän varauksen tulo, saman hiukkasen nopeusmoduulit, kenttäinduktiovektori ja niiden suuntien välisen kulman sini). Voimaa, joka vaikuttaa liikkuvaan yksikkövaraukseen magneettikentässä, kutsutaan Lorentzin voimaksi. Mielenkiintoinen tosiasia on, että Newtonin 3. laki ei kelpaa tälle voimalle. Se noudattaa vain liikemäärän säilymisen lakia, minkä vuoksi kaikki ongelmat Lorentzin voiman löytämisessä tulisi ratkaista sen perusteella. Selvitetään kuinkavoit määrittää magneettikentän voimakkuuden.
Ongelmia ja esimerkkejä ratkaisuista
Löytääksesi voiman, joka syntyy virtaa sisältävän johtimen ympärille, sinun on tiedettävä useita suureita: varaus, sen nopeus ja muodostuvan magneettikentän induktion arvo. Seuraava tehtävä auttaa sinua ymmärtämään, kuinka Lorentzin voima lasketaan.
Määritä voima, joka vaikuttaa protoniin, joka liikkuu nopeudella 10 mm/s magneettikentässä, jonka induktio on 0,2 C (niiden välinen kulma on 90o, koska varautunut hiukkanen liikkuu kohtisuorassa induktioviivoja vastaan). Ratkaisu löytyy latauksen löytämisestä. Katsomalla varaustaulukkoa huomaamme, että protonin varaus on 1,610-19 Cl. Seuraavaksi lasketaan voima kaavalla: 1, 610-19100, 21 (oikean kulman sini on 1)=3, 2 10- 19 Newtonia.
