Один з найбільш важливих розділів сучасної фізики- це електромагнітні взаємодії і всі пов'язані з ними визначення. Саме цим взаємодією пояснюються всі електричні явища. Теорія електрики охоплює багато інших розділів, включаючи і оптику, оскільки світло являє собою електромагнітне випромінювання. У цій статті ми спробуємо пояснити суть електричного струму і сили магнітної на доступному, зрозумілою мовою.
У дитинстві дорослі показували нам різніфокуси з використанням магнітів. Ці дивовижні фігурки, які притягуються один до одного і можуть притягувати до себе дрібні іграшки, завжди радували дитяче око. Що ж таке магніти і яким чином магнітна сила діє на залізні деталі?
Пояснюючи науковою мовою, доведеться звернутися доодному з основних законів фізики. Відповідно до закону Кулона і спеціальної теорії відносності, на заряд діє певна сила, яка прямо пропорційно залежить від швидкості самого заряду (v). Саме ця взаємодія і називається силою магнітної.
Взагалі слід розуміти, що будь-які магнітніявища виникають тільки при русі зарядів всередині провідника або при наявності в них струмів. При вивченні магнітів і самого визначення магнітізма слід розуміти, що вони тісно взаємопов'язані з явищем електричного струму. Тому давайте розберемося в суті електричного струму.
Електрична сила - це та сила, якадіє між електроном і протоном. Вона чисельно набагато більше значення гравітаційної сили. Вона породжується електричним зарядом, а точніше, її рухом всередині провідника. Заряди ж, в свою чергу, бувають двох видів: позитивні і негативні. Як відомо, позитивно заряджені частинки притягуються до негативно зарядженим. Однак однакові по знаку заряди мають властивість відштовхуватися.
Так ось, коли в провіднику починають рухатисяці самі заряди, в ньому виникає електричний струм, який пояснюється як відношення кількості заряду, що протікає через провідник в 1 секунду. Сила, що діє на провідник зі струмом в магнітному полі, називається силою Ампера і знаходиться за правилом "лівої руки".
Зіткнутися з магнітною взаємодією можна вповсякденному житті, коли маєш справу з постійними магнітами, котушками індуктивності, реле або електричними моторами. У кожного з них є присутнім магнітне поле, яке невидимо для очей. Простежити за ним можна тільки по його дії, який він справляє на рухомі частинки і на намагнічені тіла.
Сила, що діє на провідник зі струмом вмагнітному полі, була вивчена і описана французьким фізиком Ампером. На честь нього названа не тільки ця сила, але ще і величина сили струму. У школі закони Ампера визначаються як правила "лівої" і "правої" руки.
Слід розуміти, що магнітне поле завждивиникає не тільки навколо джерел електричного струму, але і навколо магнітів. Його зазвичай зображують з допомогою магнітних силових ліній. Графічно це виглядає, як якщо б на магніт поклали аркуш паперу, а зверху насипали тирси заліза. Вони візьмуть точно такий же вигляд, як на картинці знизу.
У багатьох популярних книгах з фізики силамагнітна вводиться як результат експериментальних спостережень. Вона вважається окремою фундаментальної силою природи. Таке уявлення помилкове, насправді існування магнітної сили випливає з принципу відносності. Її відсутність призвело б до порушення цього принципу.
У магнітної силі немає нічого фундаментального - вона являє собою просто релятивістському наслідок закону Кулона.
Якщо вірити легенді, в першому столітті нашої ери наострові Магнесія древніми греками були виявлені незвичайні камені, які володіли дивовижними властивостями. Вони притягували до себе будь-які речі, зроблені з заліза або сталі. Греки стали вивозити їх з острова і вивчати їх властивості. А коли камені потрапили в руки вуличних фокусників, то вони стали незамінними помічниками у всіх їхніх виступах. Використовуючи сили магнітних камінчиків, їм вдавалося створювати ціле фантастичне шоу, яке приваблювало безліч глядачів.
У міру того як каміння поширювалися по всьомучастинах світу, про них стали ходити легенди і різні міфи. Одного разу камені виявилися в Китаї, де їх назвали в честь острова, на якому вони були знайдені. Магніти стали предметом вивчення всіх великих вчених того часу. Було відмічено, що якщо покласти магнітний залізняк на дерев'яний поплавець, зафіксувати, а потім повернути його, то він спробує повернутися в початкове положення. Простіше кажучи, магнітна сила, що діє на нього, буде повертати залізняк певним чином.
Використовуючи цю властивість магнітів, вчені придумаликомпас. На круглу форму, виготовлену з дерева або пробки, були накреслені два основні полюси і встановлена маленька магнітна стрілка. Цю конструкцію опускали в невеликий посуд, наповнену водою. З плином часу моделі компаса вдосконалилися і ставали більш точними. Ними користуються не тільки мореплавці, а й звичайні туристи, які люблять вивчати пустельні і гірські місцевості.
Вчений Ханс Ерстед практично все своє життяприсвятив електрики і магнітів. Одного разу під час лекції в університеті він показав своїм студентам следущий досвід. Через звичайний мідний провідник він пропустив струм, через деякий час провідник нагрівся і почав гнутися. Це було явищем теплового властивості електричного струму. Студенти продовжили ці досліди, і один з них помітив, що електричний струм має ще одним цікавим властивістю. Коли в провіднику протікав струм, стрілка знаходиться поруч компаса починала потроху відхилятися. Вивчаючи це явище більш детально, вчений виявив так звану силу, діючу на провідник в магнітному полі.
Вченими були зроблені спроби знайти магнітнийзаряд, проте ізольований магнітний полюс не вдалося виявити. Пояснюється це тим, що, на відміну від електричних, магнітних зарядів не існує. Адже інакше можна було б відокремити одиничний заряд, просто відламавши один з кінців магніту. Однак при цьому на іншому кінці утворюється новий протилежний полюс.
Насправді будь-який магніт являєсобою соленоїд, по поверхні якого циркулюють внутріатомні струми, вони називаються струмами Ампера. Виходить, що магніт можна розглядати як металевий стрижень, за яким циркулює постійний струм. Саме з цієї причини введення в соленоїд залізного сердечника значно збільшує магнітне поле.
Як і будь-яка фізична явище, магнітне полеволодіє енергією, яку витрачає на переміщення заряду. Існує поняття ЕРС (електрорушійна сила), вона визначається як робота по переміщенню одиничного заряду з точки А0 в точку А1.
Описується ЕРС законами Фарадея, які застосовуються в трьох різних фізичних ситуаціях:
Чисельно ЕРС за формулою Фарадея одно: ЕРС = W / q.
Отже, електрорушійна сила не єсилою в буквальному сенсі, так як вона вимірюється в Джоулях на Кулон або в Вольтах. Виходить, що вона являє собою енергію, яка повідомляється електрону провідності при обході ланцюга. Кожен раз, здійснюючи черговий обхід обертається рамки генератора, електрон набуває енергію, чисельно рівну ЕРС. Ця додаткова енергія може не тільки передаватися при зіткненнях атомів зовнішньої ланцюга, але і виділятися у вигляді джоулева тепла.
Сила, що діє на струм в магнітному полі,визначається за такою формулою: q * | v | * | B | * sin a (твір заряду магнітного поля, модулі швидкості цієї ж частинки, вектора індукції поля і синуса кута між їх напрямами). Силу, яка діє на рухомий одиничний заряд в магнітному полі, прийнято називати силою Лоренца. Цікавим є той факт, що для цієї сили недійсний 3-й закон Ньютона. Вона підкоряється лише закону збереження імпульсу, саме тому всі завдання по знаходженню сили Лоренца слід вирішувати, виходячи з нього. Давайте розберемося, як можна визначити силу магнітного поля.
Для знаходження сили, яка виникає навколопровідника зі струмом, необхідно знати кілька величин: заряд, його швидкість і значення індукції виникає магнітного поля. Наступне завдання допоможе зрозуміти, як обчислювати силу Лоренца.
Визначити силу, що діє на протон, який рухається зі швидкістю 10 мм / с в магнітному полі індукцією 0,2 Кл (кут між ними 90про, Так як заряджена частинка рухається перпендикулярно лініям індукції). Рішення зводиться до знаходження заряду. Заглянувши в таблицю Заяд, ми виявимо, що протон володіє зарядом в 1,6 * 10-19 Кл. Далі обчислюємо силу за формулою: 1,6 * 10-19 * 10 * 0,2 * 1 (синус прямого кута дорівнює 1) = 3,2 * 10-19 Ньютонів.
