Een van de belangrijkste onderdelen van de moderne natuurkunde zijn elektromagnetische interacties en alle definities die daarmee verband houden. Het is deze interactie die alle elektrische verschijnselen verklaart. De theorie van elektriciteit omvat vele andere gebieden, waaronder optica, aangezien licht elektromagnetische straling is. In dit artikel zullen we proberen de essentie van elektrische stroom en magnetische kracht uit te leggen in een toegankelijke, begrijpelijke taal.
Magnetisme is het fundament van de fundamenten
Als kinderen lieten volwassenen ons verschillende goocheltrucs zien met magneten. Deze verbazingwekkende beeldjes, die tot elkaar worden aangetrokken en klein speelgoed kunnen aantrekken, zijn altijd een lust voor het oog van de kinderen geweest. Wat zijn magneten en hoe werkt de magnetische kracht op ijzeren onderdelen?
Uitleggen in wetenschappelijke taal, je moet je wenden tot een van de basiswetten van de natuurkunde. Volgens de wet van Coulomb en de speciale relativiteitstheorie werkt een bepaalde kracht op de lading, die recht evenredig is met de snelheid van de lading zelf (v). Deze interactie heetmagnetische kracht.
Fysieke kenmerken
In het algemeen moet worden begrepen dat magnetische verschijnselen alleen optreden wanneer ladingen in de geleider bewegen of in de aanwezigheid van stromen erin. Bij het bestuderen van magneten en de definitie van magnetisme, moet worden begrepen dat ze nauw verwant zijn aan het fenomeen elektrische stroom. Laten we daarom de essentie van de elektrische stroom begrijpen.
Elektrische kracht is de kracht die werkt tussen een elektron en een proton. Het is numeriek veel groter dan de waarde van de zwaartekracht. Het wordt gegenereerd door een elektrische lading, of liever, door zijn beweging in de geleider. Er zijn op hun beurt twee soorten ladingen: positief en negatief. Zoals je weet, worden positief geladen deeltjes aangetrokken door negatief geladen deeltjes. Echter, ladingen van hetzelfde teken hebben de neiging elkaar af te stoten.
Dus, wanneer juist deze ladingen in de geleider beginnen te bewegen, ontstaat er een elektrische stroom, die wordt uitgelegd als de verhouding van de hoeveelheid lading die in 1 seconde door de geleider stroomt. De kracht die inwerkt op een geleider met stroom in een magnetisch veld wordt de ampèrekracht genoemd en wordt gevonden volgens de "linkerhand" -regel.
Empirische gegevens
Je kunt magnetische interactie in het dagelijks leven tegenkomen als je te maken hebt met permanente magneten, inductoren, relais of elektromotoren. Elk van hen heeft een magnetisch veld dat onzichtbaar is voor het oog. Het kan alleen worden getraceerd door zijn actie, die hetbeïnvloedt bewegende deeltjes en gemagnetiseerde lichamen.
De kracht die inwerkt op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld werd bestudeerd en beschreven door de Franse natuurkundige Ampère. Niet alleen deze kracht is naar hem vernoemd, maar ook de grootte van de stroomsterkte. Op school worden de wetten van Ampère gedefinieerd als de regels van de "linkse" en "rechter" hand.
Magnetische veldkarakteristieken
Het moet duidelijk zijn dat een magnetisch veld altijd optreedt, niet alleen rond bronnen van elektrische stroom, maar ook rond magneten. Hij wordt meestal afgebeeld met magnetische krachtlijnen. Grafisch lijkt het alsof er een vel papier op een magneet is gelegd en er ijzervijlsel overheen is gegoten. Ze zien er precies zo uit als op de onderstaande afbeelding.
In veel populaire boeken over natuurkunde wordt de magnetische kracht geïntroduceerd als resultaat van experimentele waarnemingen. Het wordt beschouwd als een afzonderlijke fundamentele natuurkracht. Een dergelijk idee is onjuist; in feite volgt het bestaan van een magnetische kracht uit het relativiteitsprincipe. Haar afwezigheid zou in strijd zijn met dit principe.
Er is niets fundamenteels aan de magnetische kracht - het is gewoon een relativistische consequentie van de wet van Coulomb.
Magneten gebruiken
Volgens de legende ontdekten de oude Grieken in de eerste eeuw na Christus op het eiland Magnesia ongewone stenen met verbazingwekkende eigenschappen. Ze trokken alles naar zich toe dat van ijzer of staal was gemaakt. De Grieken begonnen ze van het eiland te halen en hun eigendommen te bestuderen. En toen de stenen in de handen van de straat vielengoochelaars, ze zijn onmisbare assistenten geworden bij al hun optredens. Met behulp van de krachten van de magnetische stenen waren ze in staat om een hele fantastische show te creëren die veel kijkers trok.
Terwijl de stenen zich naar alle delen van de wereld verspreidden, begonnen er legendes en verschillende mythen over hen te circuleren. Ooit zijn de stenen in China terechtgekomen, waar ze zijn vernoemd naar het eiland waarop ze zijn gevonden. Magneten werden het onderwerp van studie van alle grote wetenschappers van die tijd. Het is opgevallen dat als je een magnetische ijzersteen op een houten drijver plaatst, deze vastzet en vervolgens draait, hij zal proberen terug te keren naar zijn oorspronkelijke positie. Simpel gezegd, de magnetische kracht die erop werkt, zal het ijzererts op een bepaalde manier doen draaien.
Met behulp van deze eigenschap van magneten hebben wetenschappers het kompas uitgevonden. Op een ronde vorm van hout of kurk werden twee hoofdpalen getrokken en een kleine magnetische naald geïnstalleerd. Dit ontwerp werd neergelaten in een kleine kom gevuld met water. In de loop van de tijd zijn kompasmodellen verbeterd en nauwkeuriger geworden. Ze worden niet alleen gebruikt door zeilers, maar ook door gewone toeristen die woestijn- en berggebieden willen verkennen.
Interessante ervaringen
Wetenschapper Hans Oersted wijdde bijna zijn hele leven aan elektriciteit en magneten. Op een dag, tijdens een lezing aan de universiteit, liet hij zijn studenten de volgende ervaring zien. Hij liet een stroom door een gewone koperen geleider lopen, na een tijdje warmde de geleider op en begon te buigen. Het was een thermisch fenomeenelektrische stroom. De studenten zetten deze experimenten voort en een van hen merkte op dat de elektrische stroom nog een andere interessante eigenschap heeft. Toen er stroom in de geleider vloeide, begon de pijl van het nabijgelegen kompas beetje bij beetje af te wijken. Door dit fenomeen in meer detail te bestuderen, ontdekte de wetenschapper de zogenaamde kracht die inwerkt op een geleider in een magnetisch veld.
Ampère stromen in magneten
Wetenschappers hebben geprobeerd een magnetische lading te vinden, maar een geïsoleerde magnetische pool kon niet worden gevonden. Dit wordt verklaard door het feit dat, in tegenstelling tot elektrische, magnetische ladingen niet bestaan. Immers, anders zou een eenheidslading kunnen worden gescheiden door simpelweg een van de uiteinden van de magneet af te breken. Dit creëert echter een nieuwe tegenpool aan de andere kant.
In feite is elke magneet een solenoïde, op het oppervlak waarvan intra-atomaire stromen circuleren, ze worden Ampère-stromen genoemd. Het blijkt dat de magneet kan worden beschouwd als een metalen staaf waardoor een gelijkstroom circuleert. Het is om deze reden dat de introductie van een ijzeren kern in de solenoïde het magnetische veld aanzienlijk verhoogt.
Magneetenergie of EMF
Zoals elk fysiek fenomeen heeft een magnetisch veld de energie die nodig is om een lading te verplaatsen. Er is het concept van EMF (elektromotorische kracht), het wordt gedefinieerd als het werk om een eenheidslading te verplaatsen van punt A0 naar punt A1.
De EMF wordt beschreven door de wetten van Faraday, die worden toegepast in drie verschillende fysischesituaties:
- Het geleide circuit beweegt in het gegenereerde uniforme magnetische veld. In dit geval spreken ze van magnetische emf.
- De contour is in rust, maar de bron van het magnetische veld zelf beweegt. Dit is al een elektrisch emf-fenomeen.
- Ten slotte zijn het circuit en de bron van het magnetische veld stationair, maar de stroom die het magnetische veld creëert, verandert.
Numeriek gezien is de EMV volgens de formule van Faraday: EMF=W/q.
Daarom is de elektromotorische kracht geen kracht in de letterlijke zin, zoals deze wordt gemeten in Joules per Coulomb of in Volt. Het blijkt dat het de energie vertegenwoordigt die aan het geleidingselektron wordt gegeven bij het omzeilen van het circuit. Elke keer dat het de volgende ronde van het roterende frame van de generator maakt, verkrijgt het elektron een energie die numeriek gelijk is aan de EMF. Deze extra energie kan niet alleen worden overgedragen bij botsingen van atomen in de buitenste keten, maar ook vrijkomen in de vorm van Joule-warmte.
Lorentz kracht en magneten
De kracht die inwerkt op de stroom in een magnetisch veld wordt bepaald door de volgende formule: q|v||B|sin a (het product van de magnetische veldlading, de snelheidsmodules van hetzelfde deeltje, de veldinductievector en de sinus van de hoek tussen hun richtingen). De kracht die inwerkt op een bewegende eenheidslading in een magnetisch veld wordt de Lorentzkracht genoemd. Een interessant feit is dat de 3e wet van Newton ongeldig is voor deze kracht. Het gehoorzaamt alleen aan de wet van behoud van impuls, en daarom moeten alle problemen bij het vinden van de Lorentzkracht op basis daarvan worden opgelost. Laten we uitzoeken hoeu kunt de sterkte van het magnetische veld bepalen.
Problemen en voorbeelden van oplossingen
Om de kracht te vinden die ontstaat rond een geleider met stroom, moet je verschillende grootheden kennen: de lading, de snelheid en de waarde van de inductie van het opkomende magnetische veld. Het volgende probleem helpt je te begrijpen hoe je de Lorentzkracht kunt berekenen.
Bepaal de kracht die inwerkt op een proton dat beweegt met een snelheid van 10 mm/s in een magnetisch veld met een inductie van 0,2 C (de hoek ertussen is 90o, aangezien een geladen deeltje loodrecht op de inductielijnen beweegt). De oplossing komt neer op het vinden van de lading. Als we naar de ladingstabel kijken, zien we dat het proton een lading heeft van 1,610-19 Cl. Vervolgens berekenen we de kracht met de formule: 1, 610-19100, 21 (de sinus van de rechte hoek is 1)=3, 2 10- 19 Newton.
