Jednou z najdôležitejších častí modernej fyziky sú elektromagnetické interakcie a všetky s nimi súvisiace definície. Práve táto interakcia vysvetľuje všetky elektrické javy. Teória elektriny pokrýva mnoho ďalších oblastí vrátane optiky, keďže svetlo je elektromagnetické žiarenie. V tomto článku sa pokúsime vysvetliť podstatu elektrického prúdu a magnetickej sily prístupným a zrozumiteľným jazykom.
Magnetizmus je základom základov
Ako deti nám dospelí predvádzali rôzne kúzelnícke triky pomocou magnetov. Tieto úžasné figúrky, ktoré sa navzájom priťahujú a dokážu prilákať malé hračky, vždy potešili detské očká. Čo sú magnety a ako magnetická sila pôsobí na železné časti?
Pri vysvetľovaní vedeckým jazykom sa musíte obrátiť na jeden zo základných fyzikálnych zákonov. Podľa Coulombovho zákona a špeciálnej teórie relativity pôsobí na náboj určitá sila, ktorá je priamo úmerná rýchlosti samotného náboja (v). Táto interakcia sa nazývamagnetická sila.
Fyzické vlastnosti
Vo všeobecnosti by sa malo chápať, že akékoľvek magnetické javy sa vyskytujú iba vtedy, keď sa náboje pohybujú vo vnútri vodiča alebo v prítomnosti prúdov v nich. Pri štúdiu magnetov a samotnej definície magnetizmu je potrebné pochopiť, že úzko súvisia s fenoménom elektrického prúdu. Preto pochopme podstatu elektrického prúdu.
Elektrická sila je sila, ktorá pôsobí medzi elektrónom a protónom. Číselne je oveľa väčšia ako hodnota gravitačnej sily. Vytvára sa elektrickým nábojom, alebo skôr jeho pohybom vo vodiči. Poplatky sú zase dvoch typov: pozitívne a negatívne. Ako viete, kladne nabité častice sú priťahované k záporne nabitým časticiam. Náboje rovnakého znamenia sa však navzájom odpudzujú.
Keď sa teda práve tieto náboje začnú vo vodiči pohybovať, vznikne v ňom elektrický prúd, ktorý sa vysvetľuje ako pomer množstva náboja, ktorý pretečie vodičom za 1 sekundu. Sila pôsobiaca na vodič s prúdom v magnetickom poli sa nazýva ampérová sila a nachádza sa podľa pravidla „ľavej ruky“.
Empirické údaje
S magnetickou interakciou sa môžete stretnúť v každodennom živote pri práci s permanentnými magnetmi, induktormi, relé alebo elektromotormi. Každý z nich má magnetické pole, ktoré je pre oko neviditeľné. Dá sa vysledovať len podľa jeho činnosti, ktorou sa toovplyvňuje pohybujúce sa častice a zmagnetizované telá.
Sila pôsobiaca na vodič s prúdom v magnetickom poli bola študovaná a opísaná francúzskym fyzikom Ampère. Je po ňom pomenovaná nielen táto sila, ale aj veľkosť súčasnej sily. V škole sú Amperove zákony definované ako pravidlá „ľavej“a „pravej“ruky.
Charakteristiky magnetického poľa
Treba si uvedomiť, že magnetické pole sa vždy vyskytuje nielen okolo zdrojov elektrického prúdu, ale aj okolo magnetov. Zvyčajne je zobrazovaný magnetickými siločiarami. Graficky to vyzerá, ako keby sa na magnet položil hárok papiera a na vrch sa nasypali železné piliny. Budú vyzerať presne ako na obrázku nižšie.
V mnohých populárnych knihách o fyzike sa magnetická sila uvádza ako výsledok experimentálnych pozorovaní. Považuje sa za samostatnú základnú silu prírody. Takáto predstava je mylná, v skutočnosti existencia magnetickej sily vyplýva z princípu relativity. Jej neprítomnosť by porušila túto zásadu.
Na magnetickej sile nie je nič zásadné – je to len relativistický dôsledok Coulombovho zákona.
Používanie magnetov
Podľa legendy objavili starí Gréci v prvom storočí nášho letopočtu na ostrove Magnesia nezvyčajné kamene, ktoré mali úžasné vlastnosti. Priťahovali k sebe akúkoľvek vec zo železa alebo ocele. Gréci ich začali vynášať z ostrova a skúmať ich vlastnosti. A keď kamene padli do rúk ulicekúzelníkov, stali sa neodmysliteľnými pomocníkmi pri všetkých ich vystúpeniach. Pomocou síl magnetických kameňov dokázali vytvoriť celú fantastickú šou, ktorá prilákala mnoho divákov.
Keď sa kamene rozšírili do všetkých častí sveta, začali o nich kolovať legendy a rôzne mýty. Raz kamene skončili v Číne, kde dostali meno podľa ostrova, na ktorom sa našli. Magnety sa stali predmetom štúdia všetkých veľkých vedcov tej doby. Všimli sme si, že ak položíte magnetický železný kameň na drevený plavák, zafixujete ho a potom otočíte, pokúsi sa vrátiť do pôvodnej polohy. Jednoducho povedané, magnetická sila, ktorá na ňu pôsobí, otočí železnú rudu určitým spôsobom.
Pomocou tejto vlastnosti magnetov vedci vynašli kompas. Na okrúhly tvar z dreva alebo korku boli nakreslené dva hlavné póly a inštalovaná malá magnetická ihla. Tento dizajn bol spustený do malej misky naplnenej vodou. Postupom času sa modely kompasov zdokonaľovali a stali sa presnejšie. Využívajú ich nielen námorníci, ale aj bežní turisti, ktorí radi spoznávajú púšťové a horské oblasti.
Zaujímavé zážitky
Vedec Hans Oersted zasvätil takmer celý svoj život elektrine a magnetom. Jedného dňa počas prednášky na univerzite ukázal svojim študentom nasledujúci zážitok. Cez obyčajný medený vodič prešiel prúd, po chvíli sa vodič zahrial a začal sa ohýbať. Bol to tepelný javelektrický prúd. Študenti v týchto pokusoch pokračovali a jeden z nich si všimol, že elektrický prúd má ešte jednu zaujímavú vlastnosť. Keď vo vodiči prúdil prúd, šípka kompasu umiestnená v blízkosti sa začala postupne odchyľovať. Pri podrobnejšom štúdiu tohto javu objavil vedec takzvanú silu pôsobiacu na vodič v magnetickom poli.
Ampérové prúdy v magnetoch
Vedci sa pokúsili nájsť magnetický náboj, ale izolovaný magnetický pól sa nepodarilo nájsť. Vysvetľuje to skutočnosť, že na rozdiel od elektrických neexistujú magnetické náboje. Koniec koncov, inak by bolo možné oddeliť jednotkový náboj jednoduchým odlomením jedného z koncov magnetu. To však vytvára nový opačný pól na druhom konci.
V skutočnosti je každý magnet solenoid, na povrchu ktorého cirkulujú vnútroatómové prúdy, nazývané ampérové prúdy. Ukazuje sa, že magnet možno považovať za kovovú tyč, cez ktorú cirkuluje jednosmerný prúd. Z tohto dôvodu zavedenie železného jadra do solenoidu výrazne zvyšuje magnetické pole.
Magnetová energia alebo EMF
Ako každý fyzikálny jav má aj magnetické pole energiu, ktorú potrebuje na pohyb náboja. Existuje pojem EMF (elektromotorická sila), ktorý je definovaný ako práca na presun jednotkového náboja z bodu A0 do bodu A1.
EMP je popísané Faradayovými zákonmi, ktoré sa uplatňujú v troch rôznych fyzikálnychsituácie:
- Vedený obvod sa pohybuje vo vytvorenom rovnomernom magnetickom poli. V tomto prípade hovoria o magnetickom emf.
- Kontúra je v pokoji, ale samotný zdroj magnetického poľa sa pohybuje. Toto je už fenomén elektrického emf.
- Konečne, obvod a zdroj magnetického poľa sú stacionárne, ale prúd, ktorý vytvára magnetické pole, sa mení.
Číselne je EMF podľa Faradayovho vzorca: EMF=W/q.
Elektromotorická sila teda nie je silou v doslovnom zmysle, keďže sa meria v jouloch na Coulomb alebo vo voltoch. Ukazuje sa, že predstavuje energiu, ktorá je odovzdaná vodivému elektrónu pri obchádzaní obvodu. Zakaždým, keď sa uskutoční ďalšie kolo rotujúceho rámu generátora, elektrón získa energiu, ktorá sa číselne rovná EMF. Táto dodatočná energia môže byť nielen prenesená pri zrážkach atómov vo vonkajšom reťazci, ale aj uvoľnená vo forme Jouleovho tepla.
Lorentzova sila a magnety
Sila pôsobiaca na prúd v magnetickom poli je určená nasledujúcim vzorcom: q|v||B|sin a (súčin náboja magnetického poľa, modulov rýchlosti tej istej častice vektor indukcie poľa a sínus uhla medzi ich smermi). Sila, ktorá pôsobí na pohybujúci sa jednotkový náboj v magnetickom poli, sa nazýva Lorentzova sila. Zaujímavým faktom je, že 3. Newtonov zákon je pre túto silu neplatný. Riadi sa iba zákonom zachovania hybnosti, a preto by sa všetky problémy pri hľadaní Lorentzovej sily mali riešiť na jeho základe. Poďme zistiť akomôžete určiť silu magnetického poľa.
Problémy a príklady riešení
Na nájdenie sily, ktorá vzniká okolo vodiča s prúdom, potrebujete poznať niekoľko veličín: náboj, jeho rýchlosť a hodnotu indukcie vznikajúceho magnetického poľa. Nasledujúci problém vám pomôže pochopiť, ako vypočítať Lorentzovu silu.
Určte silu pôsobiacu na protón, ktorý sa pohybuje rýchlosťou 10 mm/s v magnetickom poli s indukciou 0,2 C (uhol medzi nimi je 90o, pretože nabitá častica sa pohybuje kolmo na indukčné čiary). Riešenie spočíva v nájdení poplatku. Pri pohľade na tabuľku nábojov zistíme, že protón má náboj 1,610-19 Cl. Ďalej vypočítame silu pomocou vzorca: 1, 610-19100, 21 (sínus pravého uhla je 1)=3, 2 10 – 19 Newtonov.
