Vienas iš svarbiausių šiuolaikinės fizikos skyrių yra elektromagnetinės sąveikos ir visi su jomis susiję apibrėžimai. Būtent ši sąveika paaiškina visus elektros reiškinius. Elektros teorija apima daugybę kitų sričių, įskaitant optiką, nes šviesa yra elektromagnetinė spinduliuotė. Šiame straipsnyje pabandysime paaiškinti elektros srovės ir magnetinės jėgos esmę prieinama, suprantama kalba.
Magnetizmas yra pamatų pagrindas
Vaikystėje suaugusieji mums rodė įvairius magiškus triukus naudodami magnetus. Šios nuostabios figūrėlės, kurios traukia viena kitą ir gali pritraukti mažus žaislus, visada džiugino vaikų akis. Kas yra magnetai ir kaip magnetinė jėga veikia geležines dalis?
Aiškinant moksline kalba, reikia atsigręžti į vieną iš pagrindinių fizikos dėsnių. Pagal Kulono dėsnį ir specialiąją reliatyvumo teoriją, krūvį veikia tam tikra jėga, kuri yra tiesiogiai proporcinga paties krūvio greičiui (v). Ši sąveika vadinamamagnetinė jėga.
Fizinės savybės
Apskritai reikia suprasti, kad bet kokie magnetiniai reiškiniai atsiranda tik tada, kai krūviai juda laidininko viduje arba juose esant srovėms. Tiriant magnetus ir patį magnetizmo apibrėžimą, reikėtų suprasti, kad jie glaudžiai susiję su elektros srovės reiškiniu. Todėl supraskime elektros srovės esmę.
Elektrinė jėga yra jėga, kuri veikia tarp elektrono ir protono. Skaitmeniškai ji yra daug didesnė už gravitacinės jėgos vertę. Jį sukuria elektros krūvis, tiksliau, jo judėjimas laidininko viduje. Savo ruožtu mokesčiai yra dviejų tipų: teigiami ir neigiami. Kaip žinote, teigiamai įkrautas daleles traukia neigiamo krūvio dalelės. Tačiau to paties ženklo krūviai yra linkę vienas kitą atstumti.
Taigi, kai tie patys krūviai pradeda judėti laidininke, jame atsiranda elektros srovė, kuri paaiškinama kaip per laidininką pratekančio krūvio kiekio santykis per 1 sekundę. Jėga, veikianti laidininką, kurio srovė yra magnetiniame lauke, vadinama Ampero jėga ir randama pagal „kairiosios rankos“taisyklę.
Empiriniai duomenys
Kasdieniame gyvenime galite susidurti su magnetine sąveika, kai dirbate su nuolatiniais magnetais, induktoriais, relėmis ar elektros varikliais. Kiekvienas iš jų turi akiai nematomą magnetinį lauką. Jį galima atsekti tik pagal jo veiksmą, kurį jiveikia judančias daleles ir įmagnetintus kūnus.
Jėgą, veikiančią srovę nešantį laidininką magnetiniame lauke, ištyrė ir aprašė prancūzų fizikas Ampère'as. Jo vardu pavadinta ne tik ši jėga, bet ir srovės stiprumo dydis. Mokykloje Ampère'o dėsniai apibrėžiami kaip „kairės“ir „dešinės“rankos taisyklės.
Magnetinio lauko charakteristikos
Reikėtų suprasti, kad magnetinis laukas visada atsiranda ne tik aplink elektros srovės š altinius, bet ir aplink magnetus. Paprastai jis vaizduojamas su magnetinėmis jėgos linijomis. Grafiškai atrodo, kad ant magneto būtų uždėtas popieriaus lapas, o ant viršaus užpiltos geležies drožlės. Jie atrodys tiksliai taip, kaip toliau pateiktame paveikslėlyje.
Daugelyje populiarių fizikos knygų magnetinė jėga įvedama kaip eksperimentinių stebėjimų rezultatas. Ji laikoma atskira pagrindine gamtos jėga. Tokia idėja yra klaidinga, iš tikrųjų magnetinės jėgos egzistavimas išplaukia iš reliatyvumo principo. Jos nebuvimas pažeistų šį principą.
Nėra nieko esminio magnetinėje jėgoje – tai tik reliatyvistinė Kulono dėsnio pasekmė.
Magnetų naudojimas
Pagal legendą, pirmame mūsų eros amžiuje Magnezijos saloje senovės graikai atrado neįprastus akmenis, kurie turėjo nuostabių savybių. Jie traukė prie savęs bet kokį daiktą, pagamintą iš geležies ar plieno. Graikai pradėjo juos išvežti iš salos ir tyrinėti jų savybes. O kai akmenys pateko į gatvės rankasmagai, jie tapo nepakeičiamais padėjėjais visuose savo pasirodymuose. Pasitelkę magnetinių akmenų galias, jie sugebėjo sukurti visą fantastišką šou, kuris pritraukė daug žiūrovų.
Akmenims išplitus į visas pasaulio šalis, apie juos pradėjo sklisti legendos ir įvairūs mitai. Kartą akmenys atsidūrė Kinijoje, kur jie buvo pavadinti salos, kurioje jie buvo rasti, vardu. Magnetai tapo visų didžiųjų to meto mokslininkų tyrimo objektu. Pastebėta, kad ant medinės plūdės uždėjus magnetinį geležinį akmenį, jį pritvirtinus, o po to pasukus, jis bandys grįžti į pradinę padėtį. Paprasčiau tariant, jį veikianti magnetinė jėga tam tikru būdu pavers geležies rūdą.
Naudodami šią magnetų savybę, mokslininkai išrado kompasą. Ant apvalios formos, pagamintos iš medžio ar kamštienos, buvo nupiešti du pagrindiniai stulpai ir sumontuota maža magnetinė adata. Šis dizainas buvo nuleistas į nedidelį dubenį, užpildytą vandeniu. Laikui bėgant kompaso modeliai tobulėjo ir tapo tikslesni. Jais naudojasi ne tik jūreiviai, bet ir paprasti turistai, mėgstantys tyrinėti dykumas ir kalnuotas vietoves.
Įdomios patirtys
Mokslininkas Hansas Oerstedas beveik visą savo gyvenimą paskyrė elektrai ir magnetams. Vieną dieną per paskaitą universitete jis savo studentams parodė tokią patirtį. Jis praleido srovę per paprastą varinį laidininką, po kurio laiko laidas įkaito ir pradėjo lenkti. Tai buvo terminis reiškinyselektros srovė. Studentai tęsė šiuos eksperimentus, ir vienas iš jų pastebėjo, kad elektros srovė turi dar vieną įdomią savybę. Kai laidininke tekėjo srovė, šalia esančio kompaso rodyklė po truputį pradėjo nukrypti. Išsamiau tyrinėdamas šį reiškinį, mokslininkas atrado vadinamąją jėgą, veikiančią laidininką magnetiniame lauke.
Amperinės srovės magnetuose
Mokslininkai bandė rasti magnetinį krūvį, bet izoliuoto magnetinio poliaus rasti nepavyko. Tai paaiškinama tuo, kad, skirtingai nei elektros, magnetiniai krūviai neegzistuoja. Juk kitaip būtų galima atskirti vienetinį krūvį tiesiog nulaužus vieną iš magneto galų. Tačiau tai sukuria naują priešingą polių kitame gale.
Tiesą sakant, bet koks magnetas yra solenoidas, kurio paviršiuje cirkuliuoja intraatominės srovės, jos vadinamos Ampero srovėmis. Pasirodo, magnetą galima laikyti metaliniu strypeliu, per kurį cirkuliuoja nuolatinė srovė. Būtent dėl šios priežasties geležinės šerdies įvedimas į solenoidą labai padidina magnetinį lauką.
Magneto energija arba EMF
Kaip ir bet kuris fizinis reiškinys, magnetinis laukas turi energijos, kurios reikia krūviui perkelti. Yra EMF (elektrovaros jėgos) sąvoka, ji apibrėžiama kaip darbas perkelti vienetinį krūvį iš taško A0 į tašką A1.
EMF apibūdinamas Faradėjaus dėsniais, kurie taikomi trims skirtingoms fizinėmssituacijos:
- Laidžioji grandinė juda sukurtame vienodame magnetiniame lauke. Šiuo atveju jie kalba apie magnetinę emf.
- Kontūras yra ramybės būsenoje, bet pats magnetinio lauko š altinis juda. Tai jau elektrinis emf reiškinys.
- Galiausiai grandinė ir magnetinio lauko š altinis yra nejudantys, tačiau srovė, kuri sukuria magnetinį lauką, keičiasi.
Skaičiai, EML pagal Faradėjaus formulę yra: EMF=W/q.
Todėl elektrovaros jėga nėra jėga tiesiogine prasme, nes ji matuojama džauliais kulonui arba voltais. Pasirodo, kad tai reiškia energiją, kuri perduodama laidumo elektronui apeinant grandinę. Kiekvieną kartą, darydamas kitą generatoriaus besisukančio rėmo ratą, elektronas įgyja energiją, skaitiniu būdu lygią EML. Ši papildoma energija gali būti ne tik perduota susidūrus atomams išorinėje grandinėje, bet ir išleista Džaulio šilumos pavidalu.
Lorentzo jėga ir magnetai
Jėga, veikianti srovę magnetiniame lauke, nustatoma pagal šią formulę: q|v||B|sin a (magnetinio lauko krūvio sandauga, tos pačios dalelės greičio moduliai, lauko indukcijos vektorius ir kampo tarp jų krypčių sinusas). Jėga, kuri veikia judantį vieneto krūvį magnetiniame lauke, vadinama Lorenco jėga. Įdomus faktas yra tai, kad 3-asis Niutono dėsnis šiai jėgai negalioja. Jis paklūsta tik impulso išsaugojimo dėsniui, todėl visos problemos ieškant Lorenco jėgos turėtų būti sprendžiamos remiantis juo. Išsiaiškinkime, kaipgalite nustatyti magnetinio lauko stiprumą.
Problemos ir sprendimų pavyzdžiai
Norėdami rasti jėgą, atsirandančią aplink laidininką su srove, turite žinoti kelis dydžius: krūvį, jo greitį ir besiformuojančio magnetinio lauko indukcijos reikšmę. Ši užduotis padės suprasti, kaip apskaičiuoti Lorenco jėgą.
Nustatykite jėgą, veikiančią protoną, kuris juda 10 mm/s greičiu magnetiniame lauke, kurio indukcija yra 0,2 C (kampas tarp jų yra 90o, nes įkrauta dalelė juda statmenai indukcijos linijoms). Sprendimas susijęs su apmokestinimo paieška. Žvelgdami į krūvių lentelę matome, kad protono krūvis yra 1,610-19 Cl. Toliau apskaičiuojame jėgą pagal formulę: 1, 610-19100, 21 (stačiojo kampo sinusas yra 1)=3, 2 10- 19 Niutonai.
