Магнитната сила. Силата действа върху проводник в магнитно поле. Как да определите силата на магнитното поле

Една от най-важните части на съвременната физика е електромагнитни взаимодействия

Магнетизмът е основата на фундаментите

В детството възрастни ни показаха различни трикове с помощта на магнити. Тези удивителни фигури, които са привлечени един към друг и могат да привлекат малки играчки за себе си, винаги задоволяват очите на децата. Какви са магнитите и как действа магнитната сила върху железните части?

Обяснявайки с научен език, човек трябва да се обърне към едно от основните закони на физиката. Според закона на Кулумб и специалната теория на относителността определена сила действа върху заряда, който пряко зависи от скоростта на самия заряд (v). Това взаимодействие се нарича магнитна сила.

Физически характеристики

Като цяло трябва да се разбира, че има такива магнитни явления възникват само когато зарядите се движат вътре в проводника или когато тече в тях. При изучаването на магнитите и определянето на самия магнетизъм трябва да се разбере, че те са тясно свързани с явлението електрически ток. Така че нека разберем същността на електрическия ток.

Електрическата сила е силата, която действа между електрона и протона. Той е числено много по-голям от стойността на гравитационната сила. Той се генерира от електрически заряд, или по-точно от движението му в проводника. Таксите, от своя страна, са от два вида: положителни и отрицателни. Както е известно, положително заредените частици са привлечени от отрицателно заредените частици. Обаче таксите със същия знак имат свойството да отблъскват.

Така че, когато тези заряди започнат да се движат в проводника, в него се появява електрически ток, който се обяснява като съотношението на количеството заряд, преминаващ през проводника за 1 секунда. Силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле, се нарича амперна сила и се управлява от правилото "лявата ръка".

Емпирични доказателства

Сблъсък с магнитно взаимодействие е възможно в ежедневието при работа с постоянни магнити, индуктори, релета или електрически двигатели. Всеки от тях има магнитно поле, което е невидимо за очите. Тя може да бъде проследена само от нейното действие, което упражнява върху движещите се частици и върху магнетизираните тела.

Силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле, е изследвана и описана от френския физик Ампер. В чест на него не само тази сила, но и големината на тока се назовават. В училището законите на Ампър се определят като правилата на "левите" и "правилните" ръце.

Характеристики на магнитното поле

Трябва да се разбере, че магнитно поле винаги се среща не само около източниците на електрически ток, но и около магнитите. Обикновено се изобразява с помощта на магнитни линии на сила. Графично изглежда, че лист хартия е бил поставен върху магнит и дървени стърготини са напълнени върху желязото. Те ще имат точно същата форма като на снимката по-долу.

В много популярни книги по физика магнитната сила се въвежда в резултат на експериментални наблюдения. Тя се смята за отделна фундаментална сила на природата. Такова представяне е погрешно, всъщност съществуването на магнитна сила произтича от принципа на относителността. Неговото отсъствие би довело до нарушаване на този принцип.

В магнитната сила няма нищо фундаментално - това е просто релативистично следствие от закона на Кулумб.

Приложение на магнити

Ако вярвате в легендата, в първия век от н.е. на остров Магнезия, древните гърци са открили необичайни камъни, притежаващи невероятни свойства. Те привличали всякакви неща от желязо или стомана. Гърците започнали да ги отнемат от острова и да изучават своите свойства. И когато камъните попаднаха в ръцете на улични магьосници, те станаха незаменими помощници във всичките си речи. Използвайки силите на магнитните камъни, успяха да създадат цял ​​фантастичен спектакъл, който привлече много зрители.

Тъй като камъните се разпространиха във всички части на света, легенди и митове започнаха да вървят около тях. Щом камъните бяха в Китай, където те бяха кръстени на острова, на който бяха намерени. Магнитите станаха обект на изследване на всички велики учени от онова време. Беше забелязано, че ако поставите магнитен железен камък върху дървен поплавък, оправете го и след това го завъртете, тогава той ще се опита да се върне в първоначалното си положение. Просто казано, магнитната сила, действаща върху нея, ще превърне железния камък по определен начин.

Използвайки това собственост на магнити, учените са измислили компас. На кръглата форма, изработена от дърво или корк, са изтеглени два основни полюса и е монтирана малка магнитна игла. Този дизайн бе спуснат в малка купа, пълна с вода. С течение на времето, компас модели са усъвършенствани и стават по-точни. Те се използват не само от морските лица, но и от обикновените туристи, които обичат да изследват пустинята и планинския терен.

Интересни експерименти

Учен Ханс Оерстед посвети почти цял живот на електричество и магнити. Веднъж по време на лекция в университета, той показа на студентите си следния опит. Чрез обикновен меден проводник пропусна тока, след известно време диригентът се затопли и започна да се огъва. Това е феноменът на топлинното свойство на електрически ток. Студентите продължиха тези експерименти и един от тях забеляза, че електрическият ток има друго интересно свойство. Когато токът потече в проводника, стрелката на компаса до него започна постепенно да се отклонява. Изучавайки по-подробно този феномен, учените откриха така наречената сила, действаща върху проводника в магнитно поле.

Амперни токове в магнити

Учените са се опитали да намерят магнитен заряд, но изолиран магнитен полюс не може да бъде открит. Това се обяснява с факта, че за разлика от електрическото, магнитните заряди не съществуват. В противен случай би било възможно да се отдели едно зареждане, като просто се прекъсне един от краищата на магнита. В другия край обаче се образува нов противоположен полюс.

В действителност, всеки магнит е соленоид, на чиято повърхност циркулират вътреатомните токове, те се наричат ​​амперни токове. Оказва се, че магнит може да се разглежда като метален прът, през който циркулира постоянен ток. Поради тази причина въвеждането на желязна сърцевина в соленоида значително увеличава магнитното поле.

Магнитна енергия или ЕМП

Подобно на всеки физически феномен, магнитното поле има енергията, която е необходима за придвижване на заряда. Има концепцията за ЕМП (електромоторна сила), тя се дефинира като работа за преместване на единица заряд от точка А.₀ до точка А₁.

ЕМП е описан от законите на Фарадей, които се прилагат в три различни физически ситуации:

1. Извършеният контур се движи в създаденото унифицирано магнитно поле. В този случай говорим за магнитна емф.
2. Веригата е в покой, но източникът на самата магнитно поле се движи. Това вече е явлението електрически ЕМП.
3. И накрая, контурът и източникът на магнитното поле са неподвижни, но токът, който създава магнитното поле варира.

Числено, ЕМФ по формулата на Фарадей е равна на: EMF = W / q.

Следователно, електромоторната сила не е сила в буквалния смисъл, тъй като се измерва в джаули от Кулон или във волта. Оказва се, че това е енергия, която се предава на електронния проводник, когато веригата преминава. Всеки път, като правите редовен кръг от въртящата се рамка на генератора, електронът придобива енергия, числено равна на ЕМП. Тази допълнителна енергия може не само да бъде предадена чрез сблъсъци на атомите на външната верига, но и да бъде освободена като топлина от джаул.

Силата на Лоренц и магнитите

Силата действа по ток в магнитно поле, се определя по следната формула: Q * | V | * | B | * грях а (продукт на заряда на магнитното поле, модули скоростта на същите частици, вектор поле индукция и синуса на ъгъла между техните посоки). Силата, която действа на задвижващо устройство в магнитно поле, обикновено се нарича Lorentz force. Интересно е, че третият закон на Нютон е невалиден за тази сила. Тя се подчинява единствено на закона за запазване на инерцията, поради което всички задачи за намиране на силата на Лоренц трябва да се реши въз основа на нея. Нека да разберем как да определим силата на магнитното поле.

Задачи и примери за решения

За да се намери силата, която възниква около един проводник с ток, е необходимо да се знае няколко количества: заряд, неговата скорост и стойността на индукцията на възникващото магнитно поле. Следващата задача ще помогне да се разбере как да се изчисли силата на Лоренц.

Определете силата, действаща върху протона, който се движи със скорост 10 mm / s в магнитно поле чрез индукция 0,2 Cl (ъгълът между тях е 90^за, тъй като заредените частици се движат перпендикулярно на линиите на индукция). Решението намалява до намирането на такса. Разглеждайки таблицата с приложенията, откриваме, че протонът има такса от 1,6 * 10^-19 Cl. Освен това изчисляваме силата по формулата: 1.6 * 10^-19 * 10 * 0.2 * 1 (синусоида на прав ъгъл е равна на 1) = 3.2 * 10^-19 Нютона.