En af de vigtigste dele af moderne fysik er elektromagnetiske interaktioner og alle definitioner relateret til dem. Det er denne interaktion, der forklarer alle elektriske fænomener. Teorien om elektricitet dækker mange andre områder, herunder optik, da lys er elektromagnetisk stråling. I denne artikel vil vi forsøge at forklare essensen af elektrisk strøm og magnetisk kraft i et tilgængeligt, forståeligt sprog.
Magnetisme er grundlaget for fondene
Som børn viste voksne os forskellige magiske tricks ved hjælp af magneter. Disse fantastiske figurer, som tiltrækkes af hinanden og kan tiltrække småt legetøj, har altid glædet børnenes øjne. Hvad er magneter, og hvordan virker den magnetiske kraft på jerndele?
Hvis du forklarer i videnskabeligt sprog, skal du vende dig til en af fysikkens grundlæggende love. Ifølge Coulombs lov og den særlige relativitetsteori virker en vis kraft på ladningen, som er direkte proportional med selve ladningens hastighed (v). Denne interaktion kaldesmagnetisk kraft.
Fysiske funktioner
Generelt skal det forstås, at magnetiske fænomener kun opstår, når ladninger bevæger sig inde i lederen eller i nærvær af strømme i dem. Når man studerer magneter og selve definitionen af magnetisme, skal det forstås, at de er tæt forbundet med fænomenet elektrisk strøm. Lad os derfor forstå essensen af den elektriske strøm.
Elektrisk kraft er den kraft, der virker mellem en elektron og en proton. Det er numerisk meget større end værdien af tyngdekraften. Det genereres af en elektrisk ladning, eller rettere, af dets bevægelse inde i lederen. Afgifter er til gengæld af to typer: positive og negative. Som du ved, tiltrækkes positivt ladede partikler af negativt ladede. Ladninger af det samme tegn har dog en tendens til at frastøde hinanden.
Så når netop disse ladninger begynder at bevæge sig i lederen, opstår der en elektrisk strøm i den, hvilket forklares som forholdet mellem mængden af ladning, der strømmer gennem lederen på 1 sekund. Den kraft, der virker på en leder med strøm i et magnetfelt, kaldes Ampere-kraften og findes efter "venstrehånds"-reglen.
empiriske data
Du kan støde på magnetisk interaktion i hverdagen, når du har at gøre med permanente magneter, induktorer, relæer eller elektriske motorer. Hver af dem har et magnetfelt, der er usynligt for øjet. Den kan kun spores ved dens handling, som denpåvirker bevægelige partikler og magnetiserede legemer.
Kraften, der virker på en strømførende leder i et magnetfelt, blev undersøgt og beskrevet af den franske fysiker Ampère. Ikke kun denne kraft er opkaldt efter ham, men også størrelsen af den nuværende styrke. I skolen er Ampères love defineret som reglerne for "venstre" og "højre" hånd.
Magnetiske feltkarakteristika
Det skal forstås, at et magnetfelt altid forekommer ikke kun omkring kilder til elektrisk strøm, men også omkring magneter. Han er norm alt afbildet med magnetiske kraftlinjer. Grafisk ser det ud, som om et ark papir blev lagt på en magnet, og der blev hældt jernspåner ovenpå. De vil se nøjagtigt ud som på billedet nedenfor.
I mange populære bøger om fysik introduceres den magnetiske kraft som et resultat af eksperimentelle observationer. Det betragtes som en separat grundlæggende naturkraft. En sådan idé er fejlagtig; faktisk følger eksistensen af en magnetisk kraft af relativitetsprincippet. Hendes fravær ville være i strid med dette princip.
Der er intet grundlæggende ved den magnetiske kraft - det er bare en relativistisk konsekvens af Coulombs lov.
Brug af magneter
Ifølge legenden opdagede de gamle grækere i det første århundrede e. Kr. på øen Magnesia usædvanlige sten, der havde fantastiske egenskaber. De tiltrak sig enhver ting lavet af jern eller stål. Grækerne begyndte at tage dem ud af øen og studere deres ejendomme. Og da stenene faldt i hænderne på gadentryllekunstnere, de er blevet uundværlige assistenter i alle deres forestillinger. Ved at bruge kræfterne fra de magnetiske sten var de i stand til at skabe et helt fantastisk show, der tiltrak mange seere.
Da stenene spredte sig til alle dele af verden, begyndte legender og forskellige myter at cirkulere om dem. Engang endte stenene i Kina, hvor de blev opkaldt efter øen, hvor de blev fundet. Magneter blev genstand for undersøgelse af alle datidens store videnskabsmænd. Det er blevet bemærket, at hvis du sætter en magnetisk jernsten på en træflyder, reparerer den og derefter drejer den, vil den forsøge at vende tilbage til sin oprindelige position. Kort sagt vil den magnetiske kraft, der virker på den, vende jernmalmen på en bestemt måde.
Ved at bruge denne egenskab ved magneter opfandt videnskabsmænd kompasset. På en rund form lavet af træ eller kork blev to hovedstænger tegnet og en lille magnetisk nål installeret. Dette design blev sænket ned i en lille skål fyldt med vand. Med tiden er kompasmodeller blevet bedre og mere præcise. De bruges ikke kun af sejlere, men også af almindelige turister, der kan lide at udforske ørken og bjergrige områder.
Interessante oplevelser
Forsker Hans Ørsted viede næsten hele sit liv til elektricitet og magneter. En dag, under en forelæsning på universitetet, viste han sine studerende følgende oplevelse. Han førte en strøm gennem en almindelig kobberleder, efter et stykke tid blev lederen opvarmet og begyndte at bøje. Det var et termisk fænomenelektrisk strøm. Eleverne fortsatte disse eksperimenter, og en af dem bemærkede, at den elektriske strøm har en anden interessant egenskab. Når der løb strøm i lederen, begyndte pilen på kompasset, der var placeret i nærheden, at afvige lidt efter lidt. Ved at studere dette fænomen mere detaljeret opdagede videnskabsmanden den såkaldte kraft, der virker på en leder i et magnetfelt.
Amperestrømme i magneter
Forskere har forsøgt at finde en magnetisk ladning, men en isoleret magnetisk pol kunne ikke findes. Dette forklares ved, at der i modsætning til elektriske ikke eksisterer magnetiske ladninger. Ellers ville det jo være muligt at adskille en enhedsladning ved blot at brække en af magnetens ender af. Dette skaber dog en ny modsat pol i den anden ende.
Faktisk er enhver magnet en solenoide, på hvis overflade der cirkulerer intraatomare strømme, de kaldes Ampère-strømme. Det viser sig, at magneten kan betragtes som en metalstang, hvorigennem en jævnstrøm cirkulerer. Det er af denne grund, at indførelsen af en jernkerne i solenoiden i høj grad øger magnetfeltet.
Magnetenergi eller EMF
Som ethvert fysisk fænomen har et magnetfelt energi, der skal til for at flytte en ladning. Der er begrebet EMF (elektromotorisk kraft), det er defineret som arbejdet med at flytte en enhedsladning fra punkt A0 til punkt A1.
EMK er beskrevet af Faradays love, som anvendes i tre forskellige fysiskesituationer:
- Det ledende kredsløb bevæger sig i det genererede ensartede magnetfelt. I dette tilfælde taler de om magnetisk emf.
- Konturen er i ro, men selve kilden til magnetfeltet bevæger sig. Dette er allerede et elektrisk emf-fænomen.
- Endelig er kredsløbet og kilden til det magnetiske felt stationære, men strømmen, der skaber magnetfeltet, ændrer sig.
Numerisk er EMF ifølge Faraday-formlen: EMF=W/q.
Den elektromotoriske kraft er derfor ikke en kraft i bogstavelig forstand, da den måles i Joule pr. Coulomb eller i Volt. Det viser sig, at det repræsenterer den energi, der tildeles ledningselektronen, når den omgår kredsløbet. Hver gang, den næste runde af generatorens roterende ramme, erhverver elektronen en energi numerisk lig med EMF. Denne ekstra energi kan ikke kun overføres under kollisioner af atomer i den ydre kæde, men også frigives i form af Joule-varme.
Lorentz-kraft og magneter
Kraften, der virker på strømmen i et magnetfelt, bestemmes af følgende formel: q|v||B|sin a (produktet af magnetfeltladningen, hastighedsmodulerne for den samme partikel, feltinduktionsvektoren og sinus af vinklen mellem deres retninger). Den kraft, der virker på en bevægelig enhedsladning i et magnetfelt, kaldes Lorentz-kraften. Et interessant faktum er, at Newtons 3. lov er ugyldig for denne kraft. Den adlyder kun loven om bevarelse af momentum, hvorfor alle problemer med at finde Lorentz-kraften bør løses baseret på den. Lad os finde ud af hvordandu kan bestemme styrken af magnetfeltet.
Problemer og eksempler på løsninger
For at finde den kraft, der opstår omkring en leder med strøm, skal du kende flere størrelser: ladningen, dens hastighed og værdien af induktionen af det fremkommende magnetfelt. Følgende problem vil hjælpe dig med at forstå, hvordan du beregner Lorentz-kraften.
Bestem kraften, der virker på en proton, der bevæger sig med en hastighed på 10 mm/s i et magnetfelt med en induktion på 0,2 C (vinklen mellem dem er 90o, da en ladet partikel bevæger sig vinkelret på induktionslinierne). Løsningen handler om at finde ladningen. Ser vi på ladningstabellen, finder vi, at protonen har en ladning på 1,610-19 Cl. Dernæst beregner vi kraften ved hjælp af formlen: 1, 610-19100, 21 (sinus for den rette vinkel er 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
