Jedan od najvažnijih dijelova moderne fizike su elektromagnetne interakcije i sve definicije koje se s njima odnose. Upravo ta interakcija objašnjava sve električne pojave. Teorija elektriciteta pokriva mnoga druga područja, uključujući optiku, budući da je svjetlost elektromagnetno zračenje. U ovom članku pokušaćemo da objasnimo suštinu električne struje i magnetne sile na pristupačnom, razumljivom jeziku.
Magnetizam je temelj temelja
Kao djeci, odrasli su nam pokazivali razne mađioničarske trikove koristeći magnete. Ove nevjerovatne figurice, koje se privlače jedna drugoj i mogu privući male igračke, oduvijek su oduševljavale dječje oči. Šta su magneti i kako magnetna sila djeluje na željezne dijelove?
Objašnjavajući naučnim jezikom, morate se obratiti jednom od osnovnih zakona fizike. Prema Coulombovom zakonu i specijalnoj teoriji relativnosti, na naboj djeluje određena sila, koja je direktno proporcionalna brzini samog naboja (v). Ova interakcija se zovemagnetna sila.
Fizičke karakteristike
Općenito, treba shvatiti da se bilo koja magnetna pojava javlja samo kada se naelektrisanja kreću unutar provodnika ili u prisustvu struja u njima. Pri proučavanju magneta i same definicije magnetizma treba shvatiti da su oni usko povezani sa fenomenom električne struje. Stoga, hajde da shvatimo suštinu 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 imaju tendenciju da se odbijaju.
Dakle, kada se ovi naboji počnu kretati u provodniku, u njemu nastaje električna struja, što se objašnjava kao omjer količine naelektrisanja koja prođe kroz provodnik u 1 sekundi. Sila koja djeluje na provodnik sa strujom u magnetskom polju naziva se Amperova sila i nalazi se prema pravilu "lijeve ruke".
Empirijski podaci
Magnetnu interakciju možete naići u svakodnevnom životu kada radite sa trajnim magnetima, induktorima, relejima ili elektromotorima. Svaki od njih ima magnetno polje koje je nevidljivo oku. Može se pratiti samo po njegovom delovanju, koje onoutiče na pokretne čestice i magnetizovana tela.
Sila koja djeluje na provodnik sa strujom u magnetskom polju proučavao je i opisao francuski fizičar Amper. Ne samo da je ova sila nazvana po njemu, već i veličina trenutne snage. U školi su Amperovi zakoni definirani kao pravila "lijeve" i "desne" ruke.
Karakteristike magnetnog polja
Treba shvatiti da se magnetno polje uvijek javlja ne samo oko izvora električne struje, već i oko magneta. Obično se prikazuje sa magnetnim linijama sile. Grafički, izgleda kao da je list papira stavljen na magnet, a na njega su izlivene željezne strugotine. Izgledat će tačno kao na slici ispod.
U mnogim popularnim knjigama o fizici, magnetna sila je uvedena kao rezultat eksperimentalnih opservacija. Smatra se zasebnom fundamentalnom silom prirode. Takva ideja je pogrešna; u stvari, postojanje magnetske sile proizilazi iz principa relativnosti. Njeno odsustvo bi prekršilo ovaj princip.
Ne postoji ništa fundamentalno u vezi sa magnetnom sili - to je samo relativistička posledica Coulombovog zakona.
Korišćenje magneta
Prema legendi, u prvom veku nove ere na ostrvu Magnezija, stari Grci su otkrili neobično kamenje koje je imalo neverovatna svojstva. Privlačili su sebi bilo koju stvar napravljenu od željeza ili čelika. Grci su počeli da ih izvode sa ostrva i proučavaju njihova imanja. I kada je kamenje palo u ruke ulicimađioničari, postali su nezaobilazni asistenti u svim njihovim nastupima. Koristeći moć magnetnog kamenja, uspjeli su stvoriti čitavu fantastičnu emisiju koja je privukla mnoge gledaoce.
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 ostrvu na kojem je pronađeno. Magneti su postali predmet proučavanja svih velikih naučnika tog vremena. Primijećeno je da ako stavite magnetni željezni kamen na drveni plovak, popravite ga, a zatim ga okrenete, on će pokušati da se vrati u prvobitni položaj. Jednostavno rečeno, magnetna sila koja djeluje na njega će na određeni način pretvoriti željeznu rudu.
Koristeći ovo svojstvo magneta, naučnici su izmislili kompas. Na okruglom obliku od drveta ili plute nacrtana su dva glavna stupa i ugrađena mala magnetna igla. Ovaj dizajn je spušten u malu posudu napunjenu vodom. Vremenom su se modeli kompasa poboljšali i postali precizniji. Koriste ih ne samo nautičari, već i obični turisti koji vole da istražuju pustinjske i planinske oblasti.
Zanimljiva iskustva
Naucnik Hans Oersted je skoro ceo svoj zivot posvetio elektricitetu i magnetima. Jednog dana, tokom predavanja na univerzitetu, pokazao je svojim studentima sljedeće iskustvo. Propustio je struju kroz obični bakreni vodič, nakon nekog vremena provodnik se zagrijao i počeo savijati. Bio je to termalni fenomenelektrična struja. Učenici su nastavili ove eksperimente, a jedan od njih je primijetio da električna struja ima još jedno zanimljivo svojstvo. Kada je struja tekla u vodiču, strelica kompasa koja se nalazila u blizini počela je malo po malo da odstupa. Proučavajući ovaj fenomen detaljnije, naučnik je otkrio takozvanu silu koja djeluje na provodnik u magnetskom polju.
Amperske struje u magnetima
Naučnici su pokušali pronaći magnetni naboj, ali izolovani magnetni pol nije mogao biti pronađen. To se objašnjava činjenicom da, za razliku od električnih, magnetni naboji ne postoje. Na kraju krajeva, inače bi bilo moguće odvojiti jedinični naboj jednostavnim lomljenjem jednog od krajeva magneta. Međutim, ovo stvara novi suprotni pol na drugom kraju.
U stvari, svaki magnet je solenoid, na čijoj površini kruže intra-atomske struje, nazivaju se Amperove struje. Pokazalo se da se magnet može smatrati metalnom šipkom kroz koju kruži jednosmjerna struja. Iz tog razloga uvođenje željeznog jezgra u solenoid uvelike povećava magnetsko polje.
Energija magneta ili EMF
Kao i svaki fizički fenomen, magnetno polje ima energiju koja je potrebna da pomeri naboj. Postoji koncept EMF (elektromotorne sile), on se definiše kao rad da se pomjeri jedinični naboj iz tačke A0 do tačke A1.
EMF je opisan Faradejevim zakonima, koji se primjenjuju u tri različita fizičkasituacije:
- Dirigovano kolo se kreće u generisanom uniformnom magnetnom polju. U ovom slučaju govore o magnetnoj emf.
- Kontura miruje, ali se sam izvor magnetnog polja kreće. Ovo je već fenomen električne emf.
- Konačno, kolo i izvor magnetnog polja su nepokretni, ali se struja koja stvara magnetno polje mijenja.
Numerički, EMF prema Faradeyevoj formuli je: EMF=W/q.
Slijedom toga, elektromotorna sila nije sila u doslovnom smislu, jer se mjeri u džulima po kulonu ili u voltima. Ispostavilo se da predstavlja energiju koja se prenosi elektronu provodljivosti pri zaobilaženju kola. Svaki put, čineći sljedeći krug rotirajućeg okvira generatora, elektron dobiva energiju numerički jednaku EMF-u. Ova dodatna energija ne samo da se može prenijeti tokom sudara atoma u vanjskom lancu, već se također može osloboditi u obliku džulove topline.
Lorentzova sila i magneti
Sila koja djeluje na struju u magnetskom polju određena je sljedećom formulom: q|v||B|sin a (proizvod naboja magnetskog polja, moduli brzine iste čestice, vektor indukcije polja i sinus ugla između njihovih pravaca). Sila koja djeluje na pokretni jedinični naboj u magnetskom polju naziva se Lorentzova sila. Zanimljiva je činjenica da je Njutnov 3. zakon nevažeći za ovu silu. Pokorava se samo zakonu održanja impulsa, zbog čega bi na osnovu njega trebalo rješavati sve probleme u pronalaženju Lorentzove sile. Hajde da shvatimo kakomožete odrediti jačinu magnetnog polja.
Problemi i primjeri rješenja
Da biste pronašli silu koja nastaje oko provodnika sa strujom, morate znati nekoliko veličina: naboj, njegovu brzinu i vrijednost indukcije nastalog magnetnog polja. Sljedeći problem će vam pomoći da shvatite 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 (ugao između njih je 90o, budući da se nabijena čestica kreće okomito na linije indukcije). Rješenje se svodi na pronalaženje naboja. Gledajući tabelu naelektrisanja, nalazimo da proton ima naelektrisanje od 1,610-19 Cl. Zatim izračunavamo silu koristeći formulu: 1, 610-19100, 21 (sinus pravog ugla je 1)=3, 2 10- 19 njutna.
