Jedan od najvažnijih odjeljaka moderne fizike su elektromagnetske interakcije i sve definicije vezane uz njih. Upravo ta interakcija objašnjava sve električne pojave. Teorija elektriciteta pokriva mnoga druga područja, uključujući optiku, budući da je svjetlost elektromagnetsko zračenje. U ovom članku pokušat ćemo objasniti bit električne struje i magnetske sile pristupačnim, razumljivim jezikom.
Magnetizam je temelj temelja
Kao djeci, odrasli su nam pokazivali razne mađioničarske trikove pomoću magneta. Ove nevjerojatne figurice, koje se međusobno privlače i koje mogu privući male igračke, uvijek su ugodile dječjim očima. Što su magneti i kako magnetska sila djeluje na željezne dijelove?
Objašnjavajući znanstvenim jezikom, morate se obratiti jednom od osnovnih zakona fizike. Prema Coulombovu zakonu i specijalnoj teoriji relativnosti na naboj djeluje određena sila koja je izravno proporcionalna brzini samog naboja (v). Ova interakcija se zovemagnetska sila.
Fizičke značajke
Općenito, treba razumjeti da se sve magnetske pojave javljaju samo kada se naboji kreću unutar vodiča ili u prisutnosti struje u njima. Pri proučavanju magneta i same definicije magnetizma treba shvatiti da su oni usko povezani s fenomenom električne struje. Stoga, shvatimo bit električne struje.
Električna sila je sila koja djeluje između elektrona i protona. Brojčano je mnogo veća od vrijednosti gravitacijske sile. Nastaje električnim nabojem, odnosno njegovim kretanjem unutar vodiča. Naboji su, pak, dvije vrste: pozitivni i negativni. Kao što znate, pozitivno nabijene čestice privlače negativno nabijene čestice. Međutim, naboji istog znaka se međusobno odbijaju.
Dakle, kada se upravo ti naboji počnu kretati u vodiču, u njemu nastaje električna struja, što se objašnjava kao omjer količine naboja koji prođe kroz vodič u 1 sekundi. Sila koja djeluje na vodič sa strujom u magnetskom polju naziva se Amperova sila i nalazi se prema pravilu "lijeve ruke".
Empirijski podaci
Magnetsku interakciju možete susresti u svakodnevnom životu kada radite s trajnim magnetima, induktorima, relejima ili elektromotorima. Svaki od njih ima magnetsko polje koje je oku nevidljivo. Može se pratiti samo po njegovom djelovanju, koje onoutječe na pokretne čestice i magnetizirana tijela.
Sila koja djeluje na vodič kroz koji teče struja u magnetskom polju proučavao je i opisao francuski fizičar Ampère. Ne samo da je ova sila nazvana po njemu, već i veličina trenutne snage. U školi se Amperovi zakoni definiraju kao pravila "lijeve" i "desne" ruke.
Karakteristike magnetskog polja
Treba razumjeti da se magnetsko polje uvijek javlja ne samo oko izvora električne struje, već i oko magneta. Obično se prikazuje s magnetskim linijama sile. Grafički izgleda kao da je list papira stavljen na magnet, a na vrh izlivene željezne strugotine. Izgledat će točno kao na slici ispod.
U mnogim popularnim knjigama o fizici, magnetska sila je uvedena kao rezultat eksperimentalnih promatranja. Smatra se zasebnom temeljnom silom prirode. Takva ideja je pogrešna; zapravo, postojanje magnetske sile proizlazi iz principa relativnosti. Njezina bi odsutnost prekršila ovo načelo.
Nema ništa fundamentalno u vezi s magnetskom silom - to je samo relativistička posljedica Coulombovog zakona.
Upotreba magneta
Prema legendi, u prvom stoljeću naše ere na otoku Magneziji, stari Grci su otkrili neobično kamenje koje je imalo nevjerojatna svojstva. Privlačili su k sebi bilo koju stvar od željeza ili čelika. Grci su ih počeli izvoditi s otoka i proučavati njihova imanja. A kad je kamenje palo u ruke ulicimađioničari, postali su nezaobilazni pomoćnici u svim njihovim nastupima. Koristeći moć magnetskog kamenja, uspjeli su stvoriti cijelu fantastičnu predstavu koja je privukla mnoge gledatelje.
Kako se kamenje širilo po svim dijelovima svijeta, o njemu su počele kružiti legende i razni mitovi. Jednom je kamenje završilo u Kini, gdje je dobilo ime po otoku na kojem je pronađeno. Magneti su postali predmet proučavanja svih velikih znanstvenika tog vremena. Primijećeno je da će se, ako stavite magnetni željezni kamen na drveni plovak, popravite i zatim okrenete, pokušati vratiti u prvobitni položaj. Jednostavno rečeno, magnetska sila koja djeluje na njega pretvorit će željeznu rudu na određeni način.
Koristeći ovo svojstvo magneta, znanstvenici su izumili kompas. Na okruglom obliku od drveta ili pluta nacrtana su dva glavna stupa i ugrađena mala magnetska igla. Ovaj dizajn je spušten u malu zdjelu napunjenu vodom. S vremenom su se modeli kompasa poboljšali i postali točniji. Koriste ih ne samo nautičari, već i obični turisti koji vole istraživati pustinjske i planinska područja.
Zanimljiva iskustva
Znanstvenik Hans Oersted je gotovo cijeli svoj život posvetio elektricitetu i magnetima. Jednog dana, tijekom predavanja na sveučilištu, pokazao je svojim studentima sljedeće iskustvo. Propustio je struju kroz obični bakreni vodič, nakon nekog vremena vodič se zagrijao i počeo savijati. Bio je to toplinski fenomenelektrična struja. Učenici su nastavili ove pokuse, a jedan od njih je primijetio da električna struja ima još jedno zanimljivo svojstvo. Kada je struja tekla u vodiču, strelica kompasa koja se nalazi u blizini počela je malo po malo odstupati. Proučavajući ovaj fenomen detaljnije, znanstvenik je otkrio tzv. silu koja djeluje na vodič u magnetskom polju.
Amperske struje u magnetima
Znanstvenici su pokušali pronaći magnetski naboj, ali izolirani magnetski pol nije mogao biti pronađen. To se objašnjava činjenicom da, za razliku od električnih, magnetski naboji ne postoje. Uostalom, u protivnom bi bilo moguće odvojiti jedinični naboj jednostavnim odvajanjem jednog od krajeva magneta. Međutim, to stvara novi suprotni pol na drugom kraju.
Zapravo, svaki magnet je solenoid, na čijoj površini kruže unutaratomske struje, nazivaju se Amperove struje. Ispada da se magnet može smatrati metalnom šipkom kroz koju cirkulira istosmjerna struja. Upravo iz tog razloga uvođenje željezne jezgre u solenoid uvelike povećava magnetsko polje.
Energija magneta ili EMF
Kao i svaki fizički fenomen, magnetsko polje ima energiju koja je potrebna da pomakne naboj. Postoji koncept EMF (elektromotorne sile), definiran je kao rad na pomicanju jediničnog naboja od točke A0 do točke A1.
EMF opisan je Faradayevim zakonima koji se primjenjuju u tri različita fizičkasituacije:
- Dirigirani krug kreće se u generiranom jednoličnom magnetskom polju. U ovom slučaju govore o magnetskoj emf.
- Kontura miruje, ali se sam izvor magnetskog polja kreće. Ovo je već fenomen električne emf.
- Konačno, krug i izvor magnetskog polja su nepomični, ali se mijenja struja koja stvara magnetsko polje.
Numerički, EMF prema Faradayevoj formuli je: EMF=W/q.
Slijedom toga, elektromotorna sila nije sila u doslovnom smislu, jer se mjeri u Joulesima po Coulomb-u ili u voltima. Ispostavilo se da predstavlja energiju koja se prenosi elektronu vodljivosti pri zaobilaženju kruga. Svaki put, čineći sljedeći krug rotirajućeg okvira generatora, elektron dobiva energiju brojčano jednaku EMF-u. Ova dodatna energija ne može se samo prenijeti tijekom sudara atoma u vanjskom lancu, već se također može osloboditi u obliku Joule topline.
Lorentzova sila i magneti
Sila koja djeluje na struju u magnetskom polju određena je sljedećom formulom: q|v||B|sin a (umnožak naboja magnetskog polja, moduli brzina iste čestice, vektor indukcije polja i sinus kuta između njihovih smjerova). Sila koja djeluje na pokretni jedinični naboj u magnetskom polju naziva se Lorentzova sila. Zanimljiva je činjenica da je Newtonov 3. zakon nevažeći za ovu silu. Pokorava se samo zakonu održanja količine gibanja, zbog čega bi na temelju njega trebali rješavati sve probleme u pronalaženju Lorentzove sile. Idemo shvatiti kakomožete odrediti jačinu magnetskog polja.
Problemi i primjeri rješenja
Da biste pronašli silu koja nastaje oko vodiča sa strujom, trebate znati nekoliko veličina: naboj, njegovu brzinu i vrijednost indukcije nastalog magnetskog polja. Sljedeći problem pomoći će vam razumjeti kako izračunati Lorentzovu silu.
Odredite silu koja djeluje na proton koji se kreće brzinom od 10 mm/s u magnetskom polju s indukcijom od 0,2 C (kut između njih je 90o, budući da se nabijena čestica giba okomito na linije indukcije). Rješenje se svodi na pronalaženje naboja. Gledajući tablicu naboja, nalazimo da proton ima naboj od 1,610-19 Cl. Zatim izračunavamo silu pomoću formule: 1, 610-19100, 21 (sinus pravog kuta je 1)=3, 2 10- 19 njutna.
