A modern fizika egyik legfontosabb része az elektromágneses kölcsönhatások és a hozzájuk kapcsolódó összes definíció. Ez a kölcsönhatás az összes elektromos jelenséget megmagyaráz. Az elektromosság elmélete sok más területre is kiterjed, beleértve az optikát is, mivel a fény elektromágneses sugárzás. Ebben a cikkben megpróbáljuk elmagyarázni az elektromos áram és a mágneses erő lényegét egy hozzáférhető, érthető nyelven.
A mágnesesség az alapok alapja
Gyermekként a felnőttek különféle bűvésztrükköket mutattak be mágnesek segítségével. Ezek a csodálatos figurák, amelyek vonzódnak egymáshoz, és képesek magukhoz vonzani az apró játékokat, mindig is tetszenek a gyerekek. Mik azok a mágnesek, és hogyan hat a mágneses erő a vas alkatrészekre?
Tudományos nyelven magyarázva a fizika egyik alaptörvényéhez kell fordulni. A Coulomb-törvény és a speciális relativitáselmélet szerint a töltésre egy bizonyos erő hat, amely egyenesen arányos magának a töltésnek a sebességével (v). Ezt az interakciót únmágneses erő.
Fizikai jellemzők
Általánosságban meg kell érteni, hogy bármilyen mágneses jelenség csak akkor fordul elő, ha töltések mozognak a vezető belsejében, vagy áramok jelenléte esetén. A mágnesek és a mágnesesség meghatározásának tanulmányozásakor meg kell érteni, hogy szorosan kapcsolódnak az elektromos áram jelenségéhez. Ezért értsük meg az elektromos áram lényegét.
Az elektromos erő az az erő, amely egy elektron és egy proton között hat. Számszerűen sokkal nagyobb, mint a gravitációs erő értéke. Elektromos töltés, pontosabban a vezető belsejében való mozgása hozza létre. A díjak viszont kétféle: pozitív és negatív. Mint tudják, a pozitív töltésű részecskék vonzódnak a negatív töltésűekhez. Az azonos előjelű töltések azonban általában taszítják egymást.
Tehát amikor ezek a töltések elkezdenek mozogni a vezetőben, elektromos áram keletkezik benne, amit a vezetőn 1 másodperc alatt átáramló töltésmennyiség arányával magyarázunk. A mágneses térben áramló vezetőre ható erőt Amper-erőnek nevezzük, és a „bal kéz” szabály szerint határozzuk meg.
Tapasztalati adatok
A mindennapi életben találkozhat mágneses kölcsönhatásokkal, amikor állandó mágnesekkel, induktorokkal, relékkel vagy elektromos motorokkal foglalkozik. Mindegyikben van egy szem számára láthatatlan mágneses mező. Csak a cselekvése nyomon követhető, amely azthatással van a mozgó részecskékre és a mágnesezett testekre.
A mágneses térben áramot vezető vezetőre ható erőt Ampère francia fizikus tanulmányozta és írta le. Nemcsak ezt az erőt nevezték el róla, hanem az áramerősség nagyságát is. Az iskolában az Ampère-törvényeket a „bal” és a „jobb” kéz szabályaiként határozzák meg.
Mágneses tér jellemzői
Meg kell érteni, hogy mágneses tér mindig nemcsak az elektromos áramforrások, hanem a mágnesek körül is fellép. Általában mágneses erővonalakkal ábrázolják. Grafikailag úgy néz ki, mintha egy papírlapot helyeztek volna egy mágnesre, és a tetejére vasreszeléket öntöttek volna. Pontosan úgy fognak kinézni, mint az alábbi képen.
Sok népszerű fizikai könyvben a mágneses erőt kísérleti megfigyelések eredményeként vezetik be. Külön alapvető természeti erőnek tekintik. Egy ilyen elképzelés téves, valójában a mágneses erő léte a relativitás elvéből következik. A hiánya sértené ezt az elvet.
Nincs semmi alapvető a mágneses erőben – ez csak a Coulomb-törvény relativisztikus következménye.
Mágnesek használata
A legenda szerint az i.sz. első században Magnézia szigetén az ókori görögök szokatlan köveket fedeztek fel, amelyek csodálatos tulajdonságokkal rendelkeznek. Bármilyen vasból vagy acélból készült holmit vonzottak magukhoz. A görögök elkezdték kivinni őket a szigetről, és tanulmányozni kezdték tulajdonságaikat. És amikor a kövek az utca kezébe estekbűvészek, nélkülözhetetlen asszisztensekké váltak minden fellépésükben. A mágneses kövek erejét felhasználva egy egész fantasztikus műsort tudtak létrehozni, amely sok nézőt vonzott.
Ahogy a kövek elterjedtek a világ minden részére, legendák és különféle mítoszok kezdtek keringeni róluk. Egyszer a kövek Kínába kerültek, ahol a szigetről nevezték el őket, ahol találták őket. A mágnesek az akkori összes nagy tudós tanulmányi tárgyává váltak. Észrevették, hogy ha egy mágneses vaskövet rakunk egy fa úszóra, rögzítjük, majd elfordítjuk, akkor megpróbál visszatérni eredeti helyzetébe. Egyszerűen fogalmazva, a rá ható mágneses erő bizonyos módon megfordítja a vasércet.
A mágnesek ezen tulajdonságának felhasználásával a tudósok feltalálták az iránytűt. Egy fából vagy parafából készült kerek formára két főoszlopot húztak, és egy kis mágnestűt helyeztek el. Ezt a kialakítást egy vízzel töltött kis tálba süllyesztették. Az idő múlásával az iránytű modellek javultak és pontosabbak lettek. Nemcsak a tengerészek használják, hanem a hétköznapi turisták is, akik szeretnek sivatagi és hegyvidéki területeket felfedezni.
Érdekes élmények
A tudós Hans Oersted szinte egész életét az elektromosságnak és a mágneseknek szentelte. Egyik nap egy egyetemi előadáson a következő élményt mutatta be hallgatóinak. Átvezetett egy áramot egy közönséges rézvezetőn, egy idő után a vezető felforrósodott és hajladozni kezdett. Termikus jelenség voltelektromos áram. A diákok folytatták ezeket a kísérleteket, és egyikük észrevette, hogy az elektromos áramnak van egy másik érdekes tulajdonsága is. Amikor áram folyt a vezetőben, a közelben található iránytű nyila apránként kezdett eltérni. A jelenséget részletesebben tanulmányozva a tudós felfedezte a mágneses térben lévő vezetőre ható úgynevezett erőt.
Amperáramok a mágnesekben
A tudósok megpróbáltak mágneses töltést találni, de elszigetelt mágneses pólust nem találtak. Ez azzal magyarázható, hogy az elektromossággal ellentétben mágneses töltések nem léteznek. Hiszen különben lehetséges lenne az egységnyi töltés szétválasztása úgy, hogy egyszerűen letörik a mágnes egyik végét. Ez azonban egy új ellenpólust hoz létre a másik végén.
Valójában minden mágnes mágnesszelep, amelynek felületén atomon belüli áramok keringenek, ezeket Amperáramoknak nevezzük. Kiderült, hogy a mágnes fémrúdnak tekinthető, amelyen keresztül egyenáram kering. Ez az oka annak, hogy egy vasmag bevezetése a mágnesszelepbe nagymértékben megnöveli a mágneses teret.
Mágneses energia vagy EMF
Mint minden fizikai jelenségnek, a mágneses mezőnek is van energiája, amely a töltés mozgatásához szükséges. Létezik az EMF (elektromotoros erő) fogalma, amely az egységnyi töltés A0 pontból A1 pontba történő mozgatásának munkája.
Az EMF-et Faraday törvényei írják le, amelyeket három különböző fizikai területen alkalmaznak.helyzetek:
- A vezetett áramkör a generált egyenletes mágneses térben mozog. Ebben az esetben mágneses emf-ről beszélnek.
- A kontúr nyugalomban van, de maga a mágneses tér forrása mozog. Ez már elektromos emf jelenség.
- Végül az áramkör és a mágneses tér forrása álló helyzetben van, de a mágneses teret létrehozó áram változik.
Számszerűen az EMF a Faraday-képlet szerint: EMF=W/q.
Következésképpen az elektromotoros erő nem szó szerinti értelemben vett erő, mivel Joule per Coulomb-ban vagy Voltban mérik. Kiderült, hogy azt az energiát képviseli, amelyet a vezetési elektron átad az áramkör megkerülésekor. Minden alkalommal, amikor a generátor forgó keretének következő körét megteszi, az elektron az EMF-nek megfelelő energiát kap. Ez a többletenergia nemcsak a külső lánc atomjainak ütközésekor továbbítható, hanem Joule-hő formájában is felszabadul.
Lorentz-erő és mágnesek
A mágneses térben az áramra ható erőt a következő képlet határozza meg: q|v||B|sin a (a mágneses tér töltésének, ugyanazon részecske sebességmoduljainak szorzata), a térindukciós vektor és az irányaik közötti szög szinusza). A mágneses térben mozgó egységtöltésre ható erőt Lorentz-erőnek nevezzük. Érdekes tény, hogy Newton 3. törvénye érvénytelen erre az erőre. Csak az impulzusmegmaradás törvényének engedelmeskedik, ezért a Lorentz-erő megtalálásának minden problémáját ez alapján kell megoldani. Találjuk ki, hogyanmeghatározhatja a mágneses tér erősségét.
Problémák és megoldási példák
Az árammal rendelkező vezető körül fellépő erő meghatározásához több mennyiséget is ismernie kell: a töltést, a sebességét és a kialakuló mágneses tér indukciójának értékét. A következő feladat segít megérteni, hogyan kell kiszámítani a Lorentz-erőt.
Határozza meg a protonra ható erőt, amely 0,2 C-os indukciójú mágneses térben 10 mm/s sebességgel mozog (a köztük lévő szög 90o, mivel a töltött részecske merőlegesen mozog az indukciós vonalakra). A megoldás a töltés megtalálásában rejlik. A töltéstáblázatot nézve azt találjuk, hogy a proton töltése 1,610-19 Cl. Ezután kiszámítjuk az erőt a következő képlettel: 1, 610-19100, 21 (a derékszög szinusza 1)=3, 2 10- 19 Newton.
