Viena no svarīgākajām mūsdienu fizikas sadaļām ir elektromagnētiskā mijiedarbība un visas ar tām saistītās definīcijas. Tieši šī mijiedarbība izskaidro visas elektriskās parādības. Elektrības teorija aptver daudzas citas jomas, tostarp optiku, jo gaisma ir elektromagnētiskais starojums. Šajā rakstā mēs mēģināsim izskaidrot elektriskās strāvas un magnētiskā spēka būtību pieejamā, saprotamā valodā.
Magnētisms ir pamatu pamats
Bērnībā pieaugušie mums rādīja dažādus burvju trikus, izmantojot magnētus. Šīs apbrīnojamās figūriņas, kas pievelk viena otru un spēj piesaistīt mazas rotaļlietas, vienmēr ir iepriecinājušas bērnu acis. Kas ir magnēti un kā magnētiskais spēks iedarbojas uz dzelzs daļām?
Skaidrojot zinātniskā valodā, ir jāpievēršas vienam no fizikas pamatlikumiem. Saskaņā ar Kulona likumu un speciālo relativitātes teoriju uz lādiņu iedarbojas noteikts spēks, kas ir tieši proporcionāls paša lādiņa ātrumam (v). Šo mijiedarbību saucmagnētiskais spēks.
Fiziskās īpašības
Kopumā jāsaprot, ka jebkuras magnētiskas parādības rodas tikai tad, kad lādiņi pārvietojas vadītāja iekšpusē vai tajos strāvu klātbūtnē. Pētot magnētus un pašu magnētisma definīciju, jāsaprot, ka tie ir cieši saistīti ar elektriskās strāvas fenomenu. Tāpēc sapratīsim elektriskās strāvas būtību.
Elektriskais spēks ir spēks, kas iedarbojas starp elektronu un protonu. Skaitliski tas ir daudz lielāks par gravitācijas spēka vērtību. To ģenerē elektriskais lādiņš, pareizāk sakot, tā kustība vadītāja iekšpusē. Maksas savukārt ir divu veidu: pozitīvas un negatīvas. Kā zināms, pozitīvi lādētas daļiņas piesaista negatīvi lādētās daļiņas. Tomēr vienas zīmes lādiņi mēdz viens otru atgrūst.
Tātad, kad vadītājā sāk kustēties tieši šie lādiņi, tajā rodas elektriskā strāva, kas izskaidrojama kā lādiņa daudzuma attiecība, kas izplūst caur vadītāju 1 sekundē. Spēku, kas iedarbojas uz vadītāju ar strāvu magnētiskajā laukā, sauc par ampērspēku, un to nosaka saskaņā ar "kreisās rokas" likumu.
Empīriski dati
Ikdienā var saskarties ar magnētisko mijiedarbību, strādājot ar pastāvīgajiem magnētiem, induktoritām, relejiem vai elektromotoriem. Katrai no tām ir acij neredzams magnētiskais lauks. To var izsekot tikai pēc tās darbības, ko tāietekmē kustīgās daļiņas un magnetizētos ķermeņus.
Spēku, kas iedarbojas uz strāvu nesošo vadītāju magnētiskajā laukā, pētīja un aprakstīja franču fiziķis Ampērs. Viņa vārdā nosaukts ne tikai šis spēks, bet arī pašreizējā spēka lielums. Skolā Ampēra likumi tiek definēti kā "kreisās" un "labās" rokas noteikumi.
Magnētiskā lauka raksturlielumi
Jāsaprot, ka magnētiskais lauks vienmēr rodas ne tikai ap elektriskās strāvas avotiem, bet arī ap magnētiem. Viņu parasti attēlo ar magnētiskām spēka līnijām. Grafiski izskatās, ka uz magnēta būtu uzlikta papīra loksne, bet pa virsu uzbērtas dzelzs vīles. Tie izskatīsies tieši tāpat kā tālāk redzamajā attēlā.
Daudzās populārās fizikas grāmatās magnētiskais spēks ir ieviests eksperimentālu novērojumu rezultātā. To uzskata par atsevišķu dabas pamatspēku. Šāda ideja ir kļūdaina, patiesībā magnētiskā spēka esamība izriet no relativitātes principa. Viņas prombūtne pārkāptu šo principu.
Magnētiskajā spēkā nav nekā būtiska - tās ir tikai Kulona likuma relativistiskas sekas.
Izmantojot magnētus
Saskaņā ar leģendu, mūsu ēras pirmajā gadsimtā Magnēzijas salā senie grieķi atklāja neparastus akmeņus, kuriem bija pārsteidzošas īpašības. Viņi piesaistīja sev jebkuru lietu, kas izgatavota no dzelzs vai tērauda. Grieķi sāka tos izvest no salas un pētīt to īpašumus. Un, kad akmeņi iekrita ielas rokāsburvji, viņi ir kļuvuši par neaizstājamiem palīgiem visās viņu izrādēs. Izmantojot magnētisko akmeņu spēkus, viņi spēja izveidot fantastisku šovu, kas piesaistīja daudzus skatītājus.
Akmeņiem izplatoties visās pasaules malās, par tiem sāka klīst leģendas un dažādi mīti. Reiz akmeņi nonāca Ķīnā, kur tie tika nosaukti pēc salas, uz kuras tie tika atrasti. Magnēti kļuva par visu tā laika izcilo zinātnieku pētījumu priekšmetu. Ir novērots, ka, uzliekot magnētisko dzelzs akmeni uz koka pludiņa, nofiksējot un pēc tam pagriežot, tas mēģinās atgriezties sākotnējā stāvoklī. Vienkārši sakot, magnētiskais spēks, kas uz to iedarbojas, noteiktā veidā pagriezīs dzelzsrūdu.
Izmantojot šo magnētu īpašību, zinātnieki izgudroja kompasu. Uz apaļas formas, kas izgatavota no koka vai korķa, tika uzzīmēti divi galvenie stabi un uzstādīta neliela magnētiskā adata. Šis dizains tika nolaists nelielā bļodā, kas piepildīta ar ūdeni. Laika gaitā kompasu modeļi ir uzlabojušies un kļuvuši precīzāki. Tos izmanto ne tikai jūrnieki, bet arī parastie tūristi, kuriem patīk izpētīt tuksnešainās un kalnu apvidus.
Interesanta pieredze
Zinātnieks Hanss Oersteds gandrīz visu savu dzīvi veltīja elektrībai un magnētiem. Kādu dienu lekcijas laikā universitātē viņš saviem studentiem parādīja šādu pieredzi. Viņš izlaida strāvu caur parastu vara vadītāju, pēc kāda laika vadītājs uzkarsa un sāka locīties. Tā bija termiska parādībaelektriskā strāva. Studenti turpināja šos eksperimentus, un viens no viņiem pamanīja, ka elektriskajai strāvai ir vēl kāda interesanta īpašība. Kad vadītājā ieplūda strāva, netālu esošā kompasa bultiņa sāka pamazām novirzīties. Sīkāk pētot šo parādību, zinātnieks atklāja tā saukto spēku, kas iedarbojas uz vadītāju magnētiskajā laukā.
Ampērstrāvas magnētos
Zinātnieki ir mēģinājuši atrast magnētisko lādiņu, taču izolētu magnētisko polu nevarēja atrast. Tas izskaidrojams ar to, ka atšķirībā no elektriskās magnētiskās lādiņas nepastāv. Galu galā pretējā gadījumā būtu iespējams atdalīt vienības lādiņu, vienkārši nolaužot vienu no magnēta galiem. Tomēr tas rada jaunu pretpolu otrā galā.
Faktiski jebkurš magnēts ir solenoīds, uz kura virsmas cirkulē intraatomiskās strāvas, tās sauc par Ampēra strāvām. Izrādās, ka magnētu var uzskatīt par metāla stieni, caur kuru cirkulē līdzstrāva. Šī iemesla dēļ dzelzs serdes ievadīšana solenoīdā ievērojami palielina magnētisko lauku.
Magnēta enerģija vai EML
Tāpat kā jebkurai fiziskai parādībai, magnētiskajam laukam ir enerģija, kas nepieciešama, lai pārvietotu lādiņu. Pastāv jēdziens EMF (elektromotīves spēks), tas ir definēts kā darbs, lai pārvietotu vienības lādiņu no punkta A0 uz punktu A1.
EMF apraksta Faradeja likumi, kas tiek piemēroti trīs dažādās fiziskāssituācijas:
- Vadītā ķēde pārvietojas radītajā vienmērīgā magnētiskajā laukā. Šajā gadījumā viņi runā par magnētisko emf.
- Kontūra atrodas miera stāvoklī, bet pats magnētiskā lauka avots kustas. Tā jau ir elektriskā emf parādība.
- Beidzot ķēde un magnētiskā lauka avots ir nekustīgi, bet mainās strāva, kas rada magnētisko lauku.
Ciparu izteiksmē EML saskaņā ar Faradeja formulu ir: EMF=W/q.
Līdz ar to elektromotora spēks nav spēks tiešā nozīmē, jo to mēra džoulos uz kulonu vai voltos. Izrādās, ka tā attēlo enerģiju, kas tiek nodota vadīšanas elektronam, apejot ķēdi. Katru reizi, veicot nākamo ģeneratora rotējošā rāmja apli, elektrons iegūst enerģiju, kas skaitliski vienāda ar EMF. Šo papildu enerģiju var ne tikai pārnest atomu sadursmes laikā ārējā ķēdē, bet arī atbrīvot džoula siltuma veidā.
Lorenca spēks un magnēti
Spēku, kas iedarbojas uz strāvu magnētiskajā laukā, nosaka pēc šādas formulas: q|v||B|sin a (magnētiskā lauka lādiņa reizinājums, tās pašas daļiņas ātruma moduļi, lauka indukcijas vektors un leņķa sinuss starp to virzieniem). Spēku, kas iedarbojas uz kustīgas vienības lādiņu magnētiskajā laukā, sauc par Lorenca spēku. Interesants fakts ir tas, ka Ņūtona 3. likums šim spēkam nav derīgs. Tas pakļaujas tikai impulsa saglabāšanas likumam, tāpēc visas Lorenca spēka atrašanas problēmas ir jāatrisina, pamatojoties uz to. Izdomāsim, kājūs varat noteikt magnētiskā lauka stiprumu.
Problēmas un risinājumu piemēri
Lai atrastu spēku, kas rodas ap vadītāju ar strāvu, jums jāzina vairāki lielumi: lādiņš, tā ātrums un topošā magnētiskā lauka indukcijas vērtība. Šī problēma palīdzēs jums saprast, kā aprēķināt Lorenca spēku.
Nosakiet spēku, kas iedarbojas uz protonu, kurš magnētiskajā laukā kustas ar ātrumu 10 mm/s ar indukciju 0,2 C (leņķis starp tiem ir 90o, jo uzlādēta daļiņa pārvietojas perpendikulāri indukcijas līnijām). Risinājums ir saistīts ar lādiņa atrašanu. Aplūkojot lādiņu tabulu, mēs atklājam, ka protona lādiņš ir 1,610-19 Cl. Tālāk mēs aprēķinām spēku, izmantojot formulu: 1, 610-19100, 21 (taisnā leņķa sinuss ir 1)=3, 2 10- 19 Ņūtoni.
