Jednou z nejdůležitějších částí moderní fyziky jsou elektromagnetické interakce a všechny definice s nimi související. Právě tato interakce vysvětluje všechny elektrické jevy. Teorie elektřiny pokrývá mnoho dalších oblastí, včetně optiky, protože světlo je elektromagnetické záření. V tomto článku se pokusíme vysvětlit podstatu elektrického proudu a magnetické síly přístupným a srozumitelným jazykem.
Magnetismus je základem základů
Jako dětem nám dospělí ukazovali různé kouzelnické triky pomocí magnetů. Tyto úžasné figurky, které se k sobě přitahují a dokážou zaujmout malé hračky, vždy potěšily dětské oči. Co jsou magnety a jak magnetická síla působí na železné části?
Při vysvětlování vědeckým jazykem se musíte obrátit na jeden ze základních fyzikálních zákonů. Podle Coulombova zákona a speciální teorie relativity působí na náboj určitá síla, která je přímo úměrná rychlosti samotného náboje (v). Tato interakce se nazývámagnetická síla.
Fyzické vlastnosti
Obecně je třeba chápat, že k jakýmkoli magnetickým jevům dochází pouze tehdy, když se náboje pohybují uvnitř vodiče nebo v přítomnosti proudů v nich. Při studiu magnetů a samotné definice magnetismu je třeba si uvědomit, že úzce souvisejí s fenoménem elektrického proudu. Pojďme proto pochopit podstatu elektrického proudu.
Elektrická síla je síla, která působí mezi elektronem a protonem. Je číselně mnohem větší než hodnota gravitační síly. Vzniká elektrickým nábojem, respektive jeho pohybem uvnitř vodiče. Poplatky jsou zase dvojího druhu: kladné a záporné. Jak víte, kladně nabité částice jsou přitahovány záporně nabitými. Náboje stejného znamení se však navzájem odpuzují.
Když se tedy začnou ve vodiči pohybovat právě tyto náboje, vznikne v něm elektrický proud, který se vysvětluje jako poměr množství náboje, který proteče vodičem za 1 sekundu. Síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli se nazývá ampérová síla a nachází se podle pravidla „levé ruky“.
Empirická data
S magnetickou interakcí se můžete setkat v každodenním životě při práci s permanentními magnety, induktory, relé nebo elektromotory. Každý z nich má magnetické pole, které je okem neviditelné. Lze ji vysledovat pouze podle jejího působení, které jiovlivňuje pohybující se částice a zmagnetizovaná těla.
Sílu působící na vodič s proudem v magnetickém poli studoval a popsal francouzský fyzik Ampère. Je po něm pojmenována nejen tato síla, ale i velikost síly proudu. Ve škole jsou Amperovy zákony definovány jako pravidla „levé“a „pravé“ruky.
Charakteristiky magnetického pole
Je třeba si uvědomit, že magnetické pole se vždy vyskytuje nejen kolem zdrojů elektrického proudu, ale také kolem magnetů. Obvykle je zobrazován s magnetickými siločárami. Graficky to vypadá, jako by se na magnet položil list papíru a navrch se nasypaly železné piliny. Budou vypadat přesně jako na obrázku níže.
V mnoha populárních knihách o fyzice je magnetická síla zavedena jako výsledek experimentálních pozorování. Je považována za samostatnou základní přírodní sílu. Taková představa je mylná, ve skutečnosti existence magnetické síly vyplývá z principu relativity. Její nepřítomnost by tuto zásadu porušila.
Na magnetické síle není nic zásadního – je to jen relativistický důsledek Coulombova zákona.
Pomocí magnetů
Podle legendy objevili v prvním století našeho letopočtu na ostrově Magnesia staří Řekové neobvyklé kameny, které měly úžasné vlastnosti. Přitahovali k sobě jakoukoli věc vyrobenou ze železa nebo oceli. Řekové je začali vynášet z ostrova a zkoumat jejich vlastnosti. A když kameny padly do rukou ulicekouzelníci, se stali nepostradatelnými pomocníky při všech svých představeních. Pomocí sil magnetických kamenů dokázali vytvořit celou fantastickou show, která přilákala mnoho diváků.
Jak se kameny rozšířily do všech částí světa, začaly o nich kolovat legendy a různé mýty. Jednou kameny skončily v Číně, kde dostaly jméno podle ostrova, na kterém byly nalezeny. Magnety se staly předmětem studia všech velkých vědců té doby. Bylo zjištěno, že pokud položíte magnetický železný kámen na dřevěný plovák, upevníte jej a poté otočíte, pokusí se vrátit do své původní polohy. Jednoduše řečeno, magnetická síla, která na něj působí, otočí železnou rudu určitým způsobem.
Pomocí této vlastnosti magnetů vynalezli vědci kompas. Na kulatý tvar ze dřeva nebo korku byly nakresleny dva hlavní kůly a instalována malá magnetická jehla. Tento design byl spuštěn do malé misky naplněné vodou. Postupem času se modely kompasů zdokonalovaly a staly se přesnějšími. Používají je nejen námořníci, ale i běžní turisté, kteří rádi prozkoumávají pouštní a horské oblasti.
Zajímavé zážitky
Vědec Hans Oersted zasvětil téměř celý svůj život elektřině a magnetům. Jednoho dne při přednášce na univerzitě ukázal svým studentům následující zkušenost. Procházel obyčejným měděným vodičem proud, po chvíli se vodič zahřál a začal se ohýbat. Byl to tepelný jevelektrický proud. Studenti v těchto pokusech pokračovali a jeden z nich si všiml, že elektrický proud má ještě jednu zajímavou vlastnost. Když vodičem protékal proud, šipka kompasu umístěného poblíž se začala postupně odchylovat. Při podrobnějším studiu tohoto jevu objevil vědec takzvanou sílu působící na vodič v magnetickém poli.
Ampérové proudy v magnetech
Vědci se pokusili najít magnetický náboj, ale izolovaný magnetický pól se nepodařilo najít. To se vysvětluje skutečností, že na rozdíl od elektrických neexistují magnetické náboje. Ostatně, jinak by bylo možné oddělit jednotkový náboj pouhým odlomením jednoho z konců magnetu. To však vytváří nový opačný pól na druhém konci.
Ve skutečnosti je každý magnet solenoid, na jehož povrchu cirkulují vnitroatomové proudy, které se nazývají ampérové proudy. Ukazuje se, že magnet lze považovat za kovovou tyč, kterou cirkuluje stejnosměrný proud. Z tohoto důvodu zavedení železného jádra do solenoidu značně zvyšuje magnetické pole.
Magnetová energie nebo EMF
Stejně jako každý fyzikální jev má magnetické pole energii, kterou potřebuje k pohybu náboje. Existuje koncept EMF (elektromotorické síly), je definován jako práce na přesunutí jednotkového náboje z bodu A0 do bodu A1.
EMP je popsáno Faradayovými zákony, které jsou aplikovány ve třech různých fyzikálníchsituace:
- Vedený obvod se pohybuje v generovaném rovnoměrném magnetickém poli. V tomto případě se mluví o magnetickém emf.
- Kontura je v klidu, ale samotný zdroj magnetického pole se pohybuje. Toto je již elektrický jev emf.
- Konečně, obvod a zdroj magnetického pole jsou stacionární, ale proud, který vytváří magnetické pole, se mění.
Číselně je EMF podle Faradayova vzorce: EMF=W/q.
V důsledku toho elektromotorická síla není silou v doslovném smyslu, protože se měří v joulech na Coulomb nebo ve voltech. Ukazuje se, že představuje energii, která je předána vodivému elektronu při obcházení obvodu. Při každém dalším kole rotačního rámu generátoru získá elektron energii, která se číselně rovná EMF. Tato dodatečná energie může být nejen přenášena při srážkách atomů ve vnějším řetězci, ale může být také uvolněna ve formě Jouleova tepla.
Lorentzova síla a magnety
Síla působící na proud v magnetickém poli je určena následujícím vzorcem: q|v||B|sin a (součin náboje magnetického pole, moduly rychlosti stejné částice vektor indukce pole a sinus úhlu mezi jejich směry). Síla, která působí na pohybující se jednotkový náboj v magnetickém poli, se nazývá Lorentzova síla. Zajímavostí je, že 3. Newtonův zákon je pro tuto sílu neplatný. Dodržuje pouze zákon zachování hybnosti, a proto by všechny problémy při hledání Lorentzovy síly měly být řešeny na jeho základě. Pojďme zjistit jakmůžete určit sílu magnetického pole.
Problémy a příklady řešení
Abyste našli sílu, která vzniká kolem vodiče s proudem, potřebujete znát několik veličin: náboj, jeho rychlost a hodnotu indukce vznikajícího magnetického pole. Následující problém vám pomůže pochopit, jak vypočítat Lorentzovu sílu.
Určete sílu působící na proton, který se pohybuje rychlostí 10 mm/s v magnetickém poli s indukcí 0,2 C (úhel mezi nimi je 90o, protože nabitá částice se pohybuje kolmo na indukční čáry). Řešením je najít náboj. Při pohledu na tabulku nábojů zjistíme, že proton má náboj 1,610-19 Cl. Dále vypočítáme sílu pomocí vzorce: 1, 610-19100, 21 (sinus pravého úhlu je 1)=3, 2 10- 19 Newtonů.
