Magnetna sila. Sila djeluje na vodiču u magnetskom polju. Kako odrediti snagu magnetskog polja

Jedan od najvažnijih dijelova moderne fizike je elektromagnetske interakcije

Magnetizam je temelj temelja

U djetinjstvu, odrasli su nam pokazali razne trikove pomoću magneta. Ove nevjerojatne figure, koje privlače jedna drugu i koje privlače male igračke za sebe, uvijek su zadovoljile dječju oči. Što su magneti i kako djeluje magnetska sila na željeznim dijelovima?

Objašnjavajući znanstvenim jezikom, treba se obratiti jednom od osnovnih fizikalnih zakona. Prema Coulombovom zakonu i posebnoj teoriji relativnosti, određena sila djeluju na optužbu koja izravno ovisi o brzini samog naboja (v). To je ta interakcija koja se zove magnetska sila.

Fizičke značajke

Općenito, treba shvatiti da bilo koji magnetski fenomeni nastaju samo kad se optužbe kreću unutar vodiča ili kada su u njima prisutne struje. Kada proučavate magnete i samu definiciju magnetizma, treba shvatiti da su usko povezani s fenomenom električne struje. Dakle, doznajmo bit električne struje.

Električna sila je sila koja djeluje između elektrona i protona. Numerički je mnogo veći od vrijednosti gravitacijske sile. Generira ga električnim nabojem, točnije njegovim gibanjem unutar vodiča. Naknade zauzvrat su dvije vrste: pozitivne i negativne. Kao što je poznato, pozitivno nabijene čestice privlače negativno nabijene. Međutim, optužbe za isti znak imaju svojstvo odbijanja.

Dakle, kada je dirigent počne kretati te iste optužbe, on generira električnu struju koja je s obzirom na omjer količine naboja teče kroz vodiča u 1 sekundi. Sila koja djeluje na tekući-knjigovodstvene vodiča u magnetskom polju, pod nazivom amper silu, a prema „lijevom rukom”.

Empirijski dokazi

Udaranj s magnetskom interakcijom moguć je u svakodnevnom životu kod trajnih magneta, induktora, releja ili elektromotora. Svaki od njih ima magnetsko polje koje je nevidljivo očima. To se može pratiti samo njezinim djelovanjem, koje ona djeluje na pokretne čestice i na magnetizirana tijela.

Sila koja djeluje na vodič s strujom u magnetskom polju proučava i opisuje francuski fizičar Ampere. U čast njega, ne samo ova sila, već i veličina struje imenuje se. U školi, Ampèreovi su zakoni definirani kao pravila "lijevo" i "desne" ruke.

Karakteristike magnetskog polja

Treba shvatiti da se magnetsko polje uvijek javlja ne samo oko izvora električne struje, već i oko magneta. Obično se opisuje pomoću magnetskih linija sile. Grafički, izgleda kao da je papir stavljen na magnet i piljevina je bila ispunjena na vrhu željeza. Oni će poduzeti točno isti oblik kao na donjoj slici.

U mnogim popularnim knjigama o fizici, primijenjena je magnetska sila kao rezultat eksperimentalnih promatranja. Smatra se posebnom temeljnom snagom prirode. Takva je prikaza pogrešna, zapravo postojanje magnetske sile slijedi iz načela relativnosti. Njegova odsutnost bi dovela do kršenja ovog načela.

U magnetskoj sili nema ništa bitno - to je jednostavno relativistička posljedica Coulombovog zakona.

Primjena magneta

Ako vjerujete da je legenda, u prvom stoljeću poslije Krista na otoku Magnesia, drevni Grci otkrili neobična kamenja koja posjeduju nevjerojatna svojstva. Privukle su sebi sve od željeza ili čelika. Grci su ih počeli odvoziti s otoka i proučavati njihova svojstva. A kad su kamenje pale u ruke uličnih čarobnjaka, postali su nezaobilazni pomagači u svim svojim govorima. Koristeći snage magnetnog kamena, uspjeli su stvoriti cijeli fantastičan show, koji je privukao mnogo gledatelja.

Dok se kamenje širilo na sve dijelove svijeta, legendi i mitovi počeo su hodati po njima. Jednom su kamenje u Kini, gdje su imenovani po otoku na kojem su pronađeni. Magneti su postali predmetom proučavanja svih velikih znanstvenika tog vremena. Primijetili smo da ako stavite magnetski željezni kamen na drveni plovak, popravite ga, a zatim ga okrenete, pokušat će se vratiti na prvobitni položaj. Jednostavno rečeno, magnetska sila koja djeluje na njemu okreće željezni kamen na određeni način.

Koristeći ovo imovina magneta, znanstvenici su izumili kompas. Na okruglom obliku, od drva ili pluta, nacrtana su dva glavna pola i postavljena je mala magnetska igla. Ovaj je dizajn spušten u malu zdjelu ispunjenu vodom. S vremenom su modeli kompasa bili rafinirani i postali točniji. Koriste ne samo pomorci, već i obični turisti koji vole istražiti pustinjski i planinski teren.

Zanimljivi eksperimenti

Znanstvenik Hans Oersted gotovo cijeli život posvetio je električnoj energiji i magnetima. Jednom je tijekom predavanja na sveučilištu pokazao svojim učenicima sljedeće iskustvo. Kroz obični bakreni dirigent propustio je struju, nakon nekog vremena dirigent je zagrijavao i počeo se zavojiti. To je bio fenomen toplinske osobine električne struje. Studenti su nastavili ove eksperimente, a jedan je primijetio da električna struja ima još jednu zanimljivu imovinu. Kada struja teče u vodiču, strelica kompasa pokraj njega počela je postupno odstupiti. Proučavajući ovaj fenomen detaljnije, znanstvenik je otkrio tzv. Silu koja djeluje na dirigentu u magnetskom polju.

Ampera strujanja u magnete

Znanstvenici su pokušali pronaći magnetsku naboj, ali izolirani magnetski pol nije mogao biti otkriven. To se objašnjava činjenicom da, za razliku od električnih, magnetske optužbe ne postoje. Inače bi bilo moguće odvojiti jednu naboj jednostavnim prekidanjem jednog od krajeva magneta. Međutim, na drugom kraju nastaje novi suprotni stup.

U stvari, bilo magnet je solenoid, koji se nalazi na površini kruži intra struje, oni su pozvani amper struje. Ispada da se magnet može smatrati metalnom šipkom, kroz koju cirkulira konstantna struja. Upravo zbog toga uvođenje željezne jezgre u solenoid uvelike povećava magnetsko polje.

Magnetna energija ili EMF

Kao i svaki fizički fenomen, magnetsko polje ima energiju koja je potrebna za pomicanje napunjenosti. Postoji koncept EMF (elektromotorna sila), definiran je kao rad pomicanja jediničnog naboja iz točke A₀ do točke A₁.

EMF je opisan Faradayjevim zakonima koji se primjenjuju u tri različite fizičke situacije:

1. Provedena kontura se kreće u stvorenom uniformnom magnetskom polju. U ovom slučaju govorimo o magnetskom smislu.
2. Krug je u mirovanju, ali izvor samog magnetskog polja se kreće. To je već fenomen električnog EMF-a.
3. Konačno, kontura i izvor magnetskog polja su stacionarni, ali struja koja stvara magnetsko polje varira.

Numerički, EMF prema Faradayjevoj formuli je jednak: EMF = W / q.

Slijedom toga, elektromotorna sila nije sila u doslovnom smislu, jer se mjeri u Joulesima od Coulomb ili u Volts. Ispada da je to energija koja se prenosi na elektronski provod, kada se krug prolazi. Svaki put, stvaranje redovitog kruga rotirajućeg okvira generatora, elektron nabavlja energiju brojčano jednaku EMF-u. Ova dodatna energija ne može se prenositi samo sudarima atoma vanjskog lanca, nego i biti oslobođena kao Jouleova toplina.

Lorentzova sila i magneti

Sila koja djeluje na struju u magnetskom polju se određuje slijedećom formulom: q * | v | * | B | * sin A (produkt naboja magnetskog polja, a brzina moduli istih čestica, indukcija polje vektor i sinus kuta između njihovih smjerovima). Sila koja djeluje na pokretnu jedinicu napunjenu u magnetskom polju obično se zove Lorentzova sila. Zanimljivo je da je treći zakon Newton nevaljan za ovu silu. To je samo u skladu s zakona o očuvanju količine gibanja, zbog čega je sve zadaće za pronalaženje Lorentz silu treba rješavati na temelju njega. Shvatimo kako odrediti snagu magnetskog polja.

Zadaci i primjeri rješenja

Da bi pronašli silu koja se pojavljuje oko vodiča s strujom, potrebno je znati više količina: naboj, brzinu i vrijednost indukcije novog magnetskog polja. Sljedeći zadatak pomoći će razumjeti kako izračunati Lorentzovu snagu.

Odredite silu koja djeluje na proton koji se kreće pri brzini od 10 mm / s u magnetskom polju indukcijom 0.2 Cl (kut između njih je 90^oko, jer se napunjena čestica pomiče okomito na linije indukcije). Rješenje se smanjuje radi pronalaženja naboja. Gledajući tablicu aplikacija, nalazimo da je protonski naboj od 1,6 x 10^-19 Cl. Nadalje, izračunavamo silu prema formuli: 1.6 * 10^-19 * 10 * 0,2 * 1 (sinus pravokutnog kuta je jednak 1) = 3,2 * 10^-19 Newton-a.