Ένα από τα πιο σημαντικά τμήματα της σύγχρονης φυσικής είναι οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις και όλοι οι ορισμοί που σχετίζονται με αυτές. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι που εξηγεί όλα τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Η θεωρία του ηλεκτρισμού καλύπτει πολλούς άλλους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της οπτικής, αφού το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σε αυτό το άρθρο, θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε την ουσία του ηλεκτρικού ρεύματος και της μαγνητικής δύναμης σε μια προσιτή, κατανοητή γλώσσα.
Ο μαγνητισμός είναι το θεμέλιο των θεμελίων
Σαν παιδιά, οι ενήλικες μας έδειχναν διάφορα μαγικά κόλπα χρησιμοποιώντας μαγνήτες. Αυτά τα καταπληκτικά ειδώλια, που έλκονται μεταξύ τους και μπορούν να προσελκύσουν μικρά παιχνίδια, πάντα ευχαριστούσαν τα μάτια των παιδιών. Τι είναι οι μαγνήτες και πώς επιδρά η μαγνητική δύναμη στα σιδερένια μέρη;
Εξηγώντας σε επιστημονική γλώσσα, πρέπει να στραφείτε σε έναν από τους βασικούς νόμους της φυσικής. Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ και την ειδική θεωρία της σχετικότητας, μια ορισμένη δύναμη δρα στο φορτίο, η οποία είναι ευθέως ανάλογη με την ταχύτητα του ίδιου του φορτίου (v). Αυτή η αλληλεπίδραση ονομάζεταιμαγνητική δύναμη.
Φυσικά χαρακτηριστικά
Γενικά, θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι οποιαδήποτε μαγνητικά φαινόμενα συμβαίνουν μόνο όταν τα φορτία κινούνται μέσα στον αγωγό ή παρουσία ρευμάτων σε αυτά. Κατά τη μελέτη των μαγνητών και του ίδιου του ορισμού του μαγνητισμού, θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι σχετίζονται στενά με το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, ας κατανοήσουμε την ουσία του ηλεκτρικού ρεύματος.
Ηλεκτρική δύναμη είναι η δύναμη που δρα μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου. Είναι αριθμητικά πολύ μεγαλύτερη από την τιμή της βαρυτικής δύναμης. Παράγεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο, ή μάλλον, από την κίνησή του μέσα στον αγωγό. Οι χρεώσεις, με τη σειρά τους, είναι δύο ειδών: θετικές και αρνητικές. Όπως γνωρίζετε, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια έλκονται από αρνητικά φορτισμένα. Ωστόσο, τα φορτία του ίδιου ζωδίου τείνουν να απωθούν το ένα το άλλο.
Έτσι, όταν αυτά τα ίδια φορτία αρχίζουν να κινούνται στον αγωγό, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτόν, το οποίο εξηγείται ως η αναλογία της ποσότητας φορτίου που ρέει μέσω του αγωγού σε 1 δευτερόλεπτο. Η δύναμη που ασκείται σε έναν αγωγό με ρεύμα σε μαγνητικό πεδίο ονομάζεται δύναμη Ampere και βρίσκεται σύμφωνα με τον κανόνα "αριστερό χέρι".
Εμπειρικά δεδομένα
Μπορείτε να συναντήσετε μαγνητική αλληλεπίδραση στην καθημερινή ζωή όταν αντιμετωπίζετε μόνιμους μαγνήτες, επαγωγείς, ρελέ ή ηλεκτρικούς κινητήρες. Κάθε ένα από αυτά έχει ένα μαγνητικό πεδίο που είναι αόρατο στο μάτι. Μπορεί να εντοπιστεί μόνο από τη δράση του, την οποίαεπηρεάζει τα κινούμενα σωματίδια και τα μαγνητισμένα σώματα.
Η δύναμη που δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο μελετήθηκε και περιγράφηκε από τον Γάλλο φυσικό Ampère. Όχι μόνο αυτή η δύναμη πήρε το όνομά του, αλλά και το μέγεθος της τρέχουσας ισχύος. Στο σχολείο, οι νόμοι του Ampère ορίζονται ως οι κανόνες του «αριστερού» και του «δεξιού» χεριού.
Χαρακτηριστικά μαγνητικού πεδίου
Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι ένα μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται πάντα όχι μόνο γύρω από πηγές ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά και γύρω από μαγνήτες. Συνήθως απεικονίζεται με μαγνητικές γραμμές δύναμης. Γραφικά, φαίνεται σαν να τοποθετήθηκε ένα φύλλο χαρτιού σε έναν μαγνήτη και από πάνω χύθηκαν ρινίσματα σιδήρου. Θα μοιάζουν ακριβώς όπως στην παρακάτω εικόνα.
Σε πολλά δημοφιλή βιβλία για τη φυσική, η μαγνητική δύναμη εισάγεται ως αποτέλεσμα πειραματικών παρατηρήσεων. Θεωρείται ξεχωριστή θεμελιώδης δύναμη της φύσης. Μια τέτοια ιδέα είναι λανθασμένη· στην πραγματικότητα, η ύπαρξη μιας μαγνητικής δύναμης προκύπτει από την αρχή της σχετικότητας. Η απουσία της θα παραβίαζε αυτήν την αρχή.
Δεν υπάρχει τίποτα θεμελιώδες σχετικά με τη μαγνητική δύναμη - είναι απλώς μια σχετικιστική συνέπεια του νόμου του Κουλόμπ.
Χρήση μαγνητών
Σύμφωνα με το μύθο, τον πρώτο αιώνα μ. Χ. στο νησί της Μαγνησίας, οι αρχαίοι Έλληνες ανακάλυψαν ασυνήθιστες πέτρες που είχαν εκπληκτικές ιδιότητες. Προσέλκυαν προς τον εαυτό τους οτιδήποτε από σίδηρο ή χάλυβα. Οι Έλληνες άρχισαν να τους βγάζουν από το νησί και να μελετούν τις περιουσίες τους. Κι όταν οι πέτρες έπεσαν στα χέρια του δρόμουμάγοι, έχουν γίνει απαραίτητοι βοηθοί σε όλες τις παραστάσεις τους. Χρησιμοποιώντας τις δυνάμεις των μαγνητικών λίθων, μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια ολόκληρη φανταστική παράσταση που προσέλκυσε πολλούς θεατές.
Καθώς οι πέτρες εξαπλώθηκαν σε όλα τα μέρη του κόσμου, θρύλοι και διάφοροι μύθοι άρχισαν να κυκλοφορούν γι' αυτές. Κάποτε οι πέτρες κατέληξαν στην Κίνα, όπου πήραν το όνομά τους από το νησί στο οποίο βρέθηκαν. Οι μαγνήτες έγιναν αντικείμενο μελέτης όλων των μεγάλων επιστημόνων εκείνης της εποχής. Έχει παρατηρηθεί ότι εάν βάλετε έναν μαγνητικό σιδηρόπετρο σε έναν ξύλινο πλωτήρα, τον στερεώσετε και μετά τον γυρίσετε, θα προσπαθήσει να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Με απλά λόγια, η μαγνητική δύναμη που ασκείται σε αυτό θα μετατρέψει το σιδηρομετάλλευμα με έναν συγκεκριμένο τρόπο.
Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδιότητα των μαγνητών, οι επιστήμονες ανακάλυψαν την πυξίδα. Σε ένα στρογγυλό σχήμα από ξύλο ή φελλό, σχεδιάστηκαν δύο βασικοί πόλοι και τοποθετήθηκε μια μικρή μαγνητική βελόνα. Αυτό το σχέδιο κατεβάστηκε σε ένα μικρό μπολ γεμάτο με νερό. Με την πάροδο του χρόνου, τα μοντέλα πυξίδας έχουν βελτιωθεί και έχουν γίνει πιο ακριβή. Χρησιμοποιούνται όχι μόνο από ναυτικούς, αλλά και από απλούς τουρίστες που τους αρέσει να εξερευνούν ερημικές και ορεινές περιοχές.
Ενδιαφέρουσες εμπειρίες
Ο επιστήμονας Hans Oersted αφιέρωσε σχεδόν ολόκληρη τη ζωή του στον ηλεκτρισμό και τους μαγνήτες. Μια μέρα, κατά τη διάρκεια μιας διάλεξης στο πανεπιστήμιο, έδειξε στους μαθητές του την ακόλουθη εμπειρία. Πέρασε ένα ρεύμα μέσω ενός συνηθισμένου χάλκινου αγωγού, μετά από λίγο ο αγωγός θερμάνθηκε και άρχισε να λυγίζει. Ήταν ένα θερμικό φαινόμενοηλεκτρικό ρεύμα. Οι μαθητές συνέχισαν αυτά τα πειράματα και ένας από αυτούς παρατήρησε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα έχει μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα. Όταν έρεε ρεύμα στον αγωγό, το βέλος της πυξίδας που βρίσκεται κοντά άρχισε να αποκλίνει λίγο λίγο. Μελετώντας αυτό το φαινόμενο με περισσότερες λεπτομέρειες, ο επιστήμονας ανακάλυψε τη λεγόμενη δύναμη που ενεργεί σε έναν αγωγό σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Ρεύματα αμπέρ σε μαγνήτες
Επιστήμονες προσπάθησαν να βρουν ένα μαγνητικό φορτίο, αλλά δεν ήταν δυνατός ο απομονωμένος μαγνητικός πόλος. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι, σε αντίθεση με τα ηλεκτρικά, τα μαγνητικά φορτία δεν υπάρχουν. Σε τελική ανάλυση, διαφορετικά θα ήταν δυνατό να διαχωριστεί μια μοναδιαία φόρτιση σπάζοντας απλώς ένα από τα άκρα του μαγνήτη. Ωστόσο, αυτό δημιουργεί έναν νέο αντίθετο πόλο στο άλλο άκρο.
Στην πραγματικότητα, κάθε μαγνήτης είναι ένα σωληνοειδές, στην επιφάνεια του οποίου κυκλοφορούν ενδοατομικά ρεύματα, ονομάζονται ρεύματα Ampère. Αποδεικνύεται ότι ο μαγνήτης μπορεί να θεωρηθεί ως μια μεταλλική ράβδος μέσω της οποίας κυκλοφορεί ένα συνεχές ρεύμα. Αυτός είναι ο λόγος που η εισαγωγή ενός πυρήνα σιδήρου στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα αυξάνει σημαντικά το μαγνητικό πεδίο.
Μαγνητική ενέργεια ή EMF
Όπως κάθε φυσικό φαινόμενο, ένα μαγνητικό πεδίο έχει ενέργεια που χρειάζεται για να μετακινήσει ένα φορτίο. Υπάρχει η έννοια του EMF (ηλεκτροκινητική δύναμη), ορίζεται ως η εργασία για τη μετακίνηση ενός φορτίου μονάδας από το σημείο A0 στο σημείο A1.
Το EMF περιγράφεται από τους νόμους του Faraday, οι οποίοι εφαρμόζονται σε τρεις διαφορετικές φυσικέςκαταστάσεις:
- Το αγώγιμο κύκλωμα κινείται στο παραγόμενο ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, μιλούν για μαγνητική εμφ.
- Το περίγραμμα βρίσκεται σε ηρεμία, αλλά η ίδια η πηγή του μαγνητικού πεδίου κινείται. Αυτό είναι ήδη ένα ηλεκτρικό φαινόμενο emf.
- Τέλος, το κύκλωμα και η πηγή του μαγνητικού πεδίου είναι ακίνητα, αλλά το ρεύμα που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο αλλάζει.
Αριθμητικά, το EMF σύμφωνα με τον τύπο Faraday είναι: EMF=W/q.
Συνεπώς, η ηλεκτροκινητική δύναμη δεν είναι δύναμη με την κυριολεκτική έννοια, καθώς μετριέται σε Joules ανά Coulomb ή σε Volt. Αποδεικνύεται ότι αντιπροσωπεύει την ενέργεια που προσδίδεται στο ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας όταν παρακάμπτεται το κύκλωμα. Κάθε φορά, κάνοντας τον επόμενο γύρο του περιστρεφόμενου πλαισίου της γεννήτριας, το ηλεκτρόνιο αποκτά ενέργεια αριθμητικά ίση με το EMF. Αυτή η πρόσθετη ενέργεια όχι μόνο μπορεί να μεταφερθεί κατά τη διάρκεια συγκρούσεων ατόμων στην εξωτερική αλυσίδα, αλλά και να απελευθερωθεί με τη μορφή θερμότητας Joule.
Δύναμη και μαγνήτες Lorentz
Η δύναμη που επενεργεί στο ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο: q|v||B|sin a (το γινόμενο του φορτίου του μαγνητικού πεδίου, οι μονάδες ταχύτητας του ίδιου σωματιδίου, το διάνυσμα επαγωγής πεδίου και το ημίτονο της γωνίας μεταξύ των κατευθύνσεων τους). Η δύναμη που επιδρά σε ένα κινούμενο φορτίο μονάδας σε ένα μαγνητικό πεδίο ονομάζεται δύναμη Lorentz. Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι ο 3ος νόμος του Νεύτωνα είναι άκυρος για αυτή τη δύναμη. Υπακούει μόνο στο νόμο της διατήρησης της ορμής, γι' αυτό και όλα τα προβλήματα στην εύρεση της δύναμης Lorentz θα πρέπει να λυθούν βάσει αυτού. Ας καταλάβουμε πώςμπορείτε να προσδιορίσετε την ισχύ του μαγνητικού πεδίου.
Προβλήματα και παραδείγματα λύσεων
Για να βρείτε τη δύναμη που δημιουργείται γύρω από έναν αγωγό με ρεύμα, πρέπει να γνωρίζετε πολλά μεγέθη: το φορτίο, την ταχύτητά του και την τιμή της επαγωγής του αναδυόμενου μαγνητικού πεδίου. Το παρακάτω πρόβλημα θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε πώς να υπολογίσετε τη δύναμη Lorentz.
Προσδιορίστε τη δύναμη που ασκεί ένα πρωτόνιο που κινείται με ταχύτητα 10 mm/s σε μαγνητικό πεδίο με επαγωγή 0,2 C (η γωνία μεταξύ τους είναι 90o, αφού ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται κάθετα στις γραμμές επαγωγής). Η λύση έγκειται στην εύρεση της χρέωσης. Εξετάζοντας τον πίνακα των φορτίων, διαπιστώνουμε ότι το πρωτόνιο έχει φορτίο 1,610-19 Cl. Στη συνέχεια, υπολογίζουμε τη δύναμη χρησιμοποιώντας τον τύπο: 1, 610-19100, 21 (το ημίτονο της ορθής γωνίας είναι 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
