Eden najpomembnejših odsekov sodobne fizike so elektromagnetne interakcije in vse definicije, povezane z njimi. Prav ta interakcija pojasnjuje vse električne pojave. Teorija električne energije pokriva številna druga področja, vključno z optiko, saj je svetloba elektromagnetno sevanje. V tem članku bomo poskušali razložiti bistvo električnega toka in magnetne sile v dostopnem, razumljivem jeziku.
Magnetizem je temelj temeljev
Ko otroci so nam odrasli kazali različne čarovniške trike z magneti. Te neverjetne figurice, ki se med seboj privlačijo in znajo pritegniti majhne igrače, so vedno razveseljevale otroške oči. Kaj so magneti in kako magnetna sila deluje na železne dele?
Če razlagate v znanstvenem jeziku, se morate obrniti na enega od osnovnih zakonov fizike. Po Coulombovem zakonu in posebni teoriji relativnosti na naboj deluje določena sila, ki je neposredno sorazmerna s hitrostjo samega naboja (v). Ta interakcija se imenujemagnetna sila.
Fizične lastnosti
Na splošno je treba razumeti, da se morebitni magnetni pojavi pojavijo le, ko se naboji premikajo znotraj prevodnika ali ob prisotnosti tokov v njih. Pri preučevanju magnetov in same definicije magnetizma je treba razumeti, da so tesno povezani s pojavom električnega toka. Zato razumejmo bistvo električnega toka.
Električna sila je sila, ki deluje med elektronom in protonom. Številčno je veliko večja od vrednosti gravitacijske sile. Ustvarja se z električnim nabojem, oziroma z njegovim gibanjem znotraj prevodnika. Naboji pa so dve vrsti: pozitivni in negativni. Kot veste, pozitivno nabite delce privlačijo negativno nabiti. Vendar se naboji istega znaka med seboj odbijajo.
Torej, ko se ti naboji začnejo premikati v prevodniku, se v njem pojavi električni tok, ki je razložen kot razmerje med količino naboja, ki teče skozi prevodnik v 1 sekundi. Sila, ki deluje na prevodnik s tokom v magnetnem polju, se imenuje amperska sila in jo najdemo po pravilu "leve roke".
empirični podatki
V vsakdanjem življenju lahko naletite na magnetno interakcijo, ko imate opravka s trajnimi magneti, induktorji, releji ali elektromotorji. Vsak od njih ima magnetno polje, ki je očesu nevidno. Zaslediti ga je mogoče le po njegovem delovanju, ki gavpliva na premikajoče se delce in magnetizirana telesa.
Silo, ki deluje na prevodnik s tokom v magnetnem polju, je preučeval in opisal francoski fizik Ampère. Po njem ni poimenovana samo ta sila, ampak tudi velikost trenutne moči. V šoli so Ampèrovi zakoni opredeljeni kot pravila "leve" in "desne" roke.
Karakteristike magnetnega polja
Razumeti je treba, da se magnetno polje vedno pojavlja ne le okoli virov električnega toka, ampak tudi okoli magnetov. Običajno je upodobljen z magnetnimi črtami sile. Grafično je videti, kot da bi na magnet položili list papirja, na vrh pa nalili železne opilke. Izgledali bodo točno tako kot na spodnji sliki.
V mnogih priljubljenih knjigah o fiziki je magnetna sila predstavljena kot rezultat eksperimentalnih opazovanj. Šteje se za ločeno temeljno silo narave. Takšna ideja je napačna; v resnici obstoj magnetne sile izhaja iz načela relativnosti. Njena odsotnost bi kršila to načelo.
O magnetni sili ni nič temeljnega - to je le relativistična posledica Coulombovega zakona.
Uporaba magnetov
Po legendi so stari Grki v prvem stoletju našega štetja na otoku Magnezija odkrili nenavadne kamne, ki so imeli neverjetne lastnosti. K sebi so pritegnili vse stvari iz železa ali jekla. Grki so jih začeli odnašati z otoka in preučevati njihove posesti. In ko je kamenje padlo v roke ulicečarovniki, so postali nepogrešljivi pomočniki pri vseh njihovih nastopih. S pomočjo moči magnetnih kamnov so lahko ustvarili celotno fantastično predstavo, ki je pritegnila številne gledalce.
Ko so se kamni razširili po vseh delih sveta, so o njih začele krožiti legende in različni miti. Nekoč so kamni končali na Kitajskem, kjer so dobili ime po otoku, na katerem so jih našli. Magneti so postali predmet preučevanja vseh velikih znanstvenikov tistega časa. Opazili smo, da če magnetni železni kamen položite na lesen plovec, ga pritrdite in nato obrnete, se bo poskušal vrniti v prvotni položaj. Preprosto povedano, magnetna sila, ki deluje nanjo, bo železovo rudo na določen način obrnila.
Z uporabo te lastnosti magnetov so znanstveniki izumili kompas. Na okrogli obliki iz lesa ali plute sta bila narisana dva glavna pola in nameščena majhna magnetna igla. Ta zasnova je bila spuščena v majhno posodo, napolnjeno z vodo. Sčasoma so se modeli kompasa izboljšali in postali natančnejši. Uporabljajo jih ne samo mornarji, ampak tudi navadni turisti, ki radi raziskujejo puščavska in gorska območja.
Zanimive izkušnje
Znanstvenik Hans Oersted je skoraj vse svoje življenje posvetil elektriki in magnetom. Nekega dne je med predavanjem na univerzi svojim študentom pokazal naslednjo izkušnjo. Prepustil je tok skozi navaden bakreni prevodnik, čez nekaj časa se je prevodnik segrel in se začel upogibati. To je bil toplotni pojavelektrični tok. Učenci so te poskuse nadaljevali in eden od njih je opazil, da ima električni tok še eno zanimivo lastnost. Ko je v prevodniku tekel tok, je puščica kompasa, ki se nahaja v bližini, začela postopoma odstopati. Ko je ta pojav podrobneje preučil, je znanstvenik odkril tako imenovano silo, ki deluje na prevodnik v magnetnem polju.
Amperski tokovi v magnetih
Znanstveniki so poskušali najti magnetni naboj, vendar izoliranega magnetnega pola ni bilo mogoče najti. To je razloženo z dejstvom, da magnetni naboji za razliko od električnih ne obstajajo. Navsezadnje bi bilo sicer mogoče ločiti enotni naboj tako, da preprosto odtrgate enega od koncev magneta. Vendar to ustvari nov nasprotni pol na drugem koncu.
Pravzaprav je vsak magnet solenoid, po površini katerega krožijo znotrajatomski tokovi, imenujemo jih Amperovi tokovi. Izkazalo se je, da je magnet mogoče obravnavati kot kovinsko palico, skozi katero kroži enosmerni tok. Prav zaradi tega vnos železnega jedra v solenoid močno poveča magnetno polje.
Magnetna energija ali EMF
Kot vsak fizični pojav ima magnetno polje energijo, ki jo potrebuje za premikanje naboja. Obstaja koncept EMF (elektromotorne sile), ki je opredeljen kot delo za premikanje enotnega naboja iz točke A0 do točke A1.
EMP opisujejo Faradayevi zakoni, ki se uporabljajo v treh različnih fizičnihsituacije:
- Prevedeno vezje se giblje v ustvarjenem enotnem magnetnem polju. V tem primeru govorijo o magnetni emf.
- Obris miruje, vendar se sam vir magnetnega polja premika. To je že fenomen električne emf.
- Končno sta vezje in vir magnetnega polja stacionarna, vendar se tok, ki ustvarja magnetno polje, spreminja.
Numerično je EMF po Faradayevi formuli: EMF=W/q.
Posledično elektromotorna sila ni sila v dobesednem pomenu, saj se meri v Joulih na Coulomb ali v voltih. Izkazalo se je, da predstavlja energijo, ki se prenese prevodnemu elektronu, ko zaobide vezje. Vsakič, ko naredi naslednji krog vrtečega se okvirja generatorja, elektron pridobi energijo, številčno enako EMF. Ta dodatna energija se ne more samo prenesti med trki atomov v zunanji verigi, ampak se sprosti tudi v obliki Joulove toplote.
Lorentzova sila in magneti
Sila, ki deluje na tok v magnetnem polju, je določena z naslednjo formulo: q|v||B|sin a (zmnožek naboja magnetnega polja, moduli hitrosti istega delca, vektor indukcije polja in sinus kota med njunima smerema). Sila, ki deluje na gibajoč se enotni naboj v magnetnem polju, se imenuje Lorentzova sila. Zanimivo dejstvo je, da Newtonov 3. zakon za to silo ne velja. Upošteva le zakon o ohranitvi gibalne količine, zato je treba na njem reševati vse probleme pri iskanju Lorentzove sile. Ugotovimo, kakolahko določite jakost magnetnega polja.
Problemi in primeri rešitev
Če želite najti silo, ki nastane okoli prevodnika s tokom, morate poznati več količin: naboj, njegovo hitrost in vrednost indukcije nastajajočega magnetnega polja. Naslednja težava vam bo pomagala razumeti, kako izračunati Lorentzovo silo.
Določite silo, ki deluje na proton, ki se giblje s hitrostjo 10 mm/s v magnetnem polju z indukcijo 0,2 C (kot med njima je 90o, saj se nabiti delec giblje pravokotno na indukcijske črte). Rešitev je v iskanju naboja. Če pogledamo tabelo nabojev, ugotovimo, da ima proton naboj 1,610-19 Cl. Nato izračunamo silo s formulo: 1, 610-19100, 21 (sinus pravega kota je 1)=3, 2 10- 19 njutonov.
