Elektrina a magnetizmus (elektrodynamika) študujú elektromagnetické interakcie. Nositeľom týchto interakcií je elektromagnetické pole, ide o kombináciu dvoch vzájomne prepojených polí: magnetického a elektrického.
Doktrína elektriny je dnes založená na Maxwellových rovniciach, ktoré určujú polia prostredníctvom svojich vírov a zdroja.
Elektrické fakty v histórii
Elektrické javy boli známe v staroveku, medzi nimi možno rozlíšiť tieto skutočnosti:
- Okolo roku 500 pred Kr NS. Thales of Miletus zistil, že jantár, ktorý sa nosí s vlnou, ľahko priťahuje ľahké chmýří. Dokonca aj jeho dcéra, keď čistila jantárové vreteno vlnou, videla tento efekt. Slovo „elektrón“ je preložené z gréčtiny ako „jantár“, preto vznikol pojem „elektrina“. Tento koncept bol zavedený do. Anglický lekár Gilbert zo 16. storočia. Po sérii experimentov zistil, že množstvo látok je elektrifikovaných.
- V Babylone (pred 4000 rokmi) boli objavené hlinené nádoby obsahujúce medené a železné tyče. Na dne bol bitúmen, ktorý materiál izoluje. Tyčinky boli oddelené kyselinou octovou alebo citrónovou, to znamená, že tento nález pripomína galvanický článok. Zlato na babylonské šperky bolo aplikované galvanickým pokovovaním.
Elektromagnetické pole
Definícia 1
Elektromagnetické pole je druh hmoty, prostredníctvom ktorej vzniká elektromagnetická interakcia medzi časticami s elektrickým nábojom. Ide o druh hmoty, ktorá prenáša pôsobenie elektromagnetických síl.
Elektrina obsahuje pojem elektromagnetického poľa. Je potrebné pripomenúť, že pojem „pole“ sa vo fyzike používa na označenie množstva rôznych pojmov v ich obsahu, medzi ktoré patria:
- Slovo "pole" plne charakterizuje rozloženie akejkoľvek fyzikálnej veličiny, skalárneho alebo vektora. Pri štúdiu napríklad tepelného stavu v rôznych bodoch média sa uvádza skalárne teplotné pole. Pri zvažovaní procesu mechanických vibrácií v elastickom médiu sa to týka mechanického vlnového poľa. V týchto príkladoch pojem „pole“ popisuje fyzikálny stav študovaného materiálneho prostredia.
- Špeciálny druh hmoty sa nazýva aj pole. Pojem pole (ako druh hmoty) sa objavil kvôli všeobecnému problému interakcie. Teória, v ktorej sa pôsobenie síl prenáša cez spoločnú prázdnotu okamžite, sa nazýva teória pôsobenia na diaľku. Teória, ktorá tvrdí, že pôsobenie síl sa prenáša konečnou rýchlosťou cez stredné materiálne médium, sa nazýva teória pôsobenia na krátku vzdialenosť.
Elektrické a magnetické polia sa zvyčajne posudzujú oddelene, hoci v skutočnosti „čisto“ magnetické alebo „čisto“ elektrické javy neexistujú. Existuje iba jeden elektromagnetický proces. Rozdelenie elektromagnetickej interakcie na magnetickú a elektrickú, ako aj rozdelenie zjednotených elektromagnetických síl na magnetické a elektrické sú podmienené a takáto konvencia sa dá ľahko dokázať. Terminológia - "magnetické", "elektrické" sily je rovnako podmienená.
Nabíjačka
Definícia 2
Elektrický náboj je inherentná vlastnosť, ktorá je vlastná niektorým „najjednoduchším“ časticiam hmoty – „elementárnym“ časticiam. Elektrický náboj s energiou, hmotnosťou atď. vytvára „komplex“ základných vlastností častíc.
Zo známych elementárnych častíc majú elektrický náboj iba pozitróny, elektróny, antiprotóny, protóny, niektoré hyperóny a mezóny a ich antičastice. Zároveň neutrína, neutróny, neutrálne hyperóny a mezóny a ich antičastice, ako aj fotóny, nemajú elektrický náboj.
Sú známe len dva druhy elektrických nábojov, nazývané podmienene negatívny a pozitívny (pojmy „negatívnej“ a „pozitívnej“ elektriny prvýkrát zaviedol W. Franklin (USA) v 18. storočí).
Priame určenie hodnoty elementárnej nálože sa uskutočnilo v rokoch 1909 - 1904. A.F. Ioffe (Rusko), ako aj R.E. Millikan (USA). Po experimentoch Ioffeho a Millikena bola hypotéza o existencii podelektrónov zamietnutá, t.j. náboje, ktoré sú menšie ako náboj elektrónu.
Takýto náboj nemožno oddeliť od častíc, ku ktorým patrí. Všeobecná nezničiteľnosť hmoty znamená nezničiteľnosť elektrického náboja. K zákonom hybnosti, zachovania hmotnosti, energie, momentu hybnosti, populárnym v teoretickej mechanike, treba pridať zákon zachovania elektrického náboja: v uzavretom systéme častíc alebo telies je algebraický súčet nábojov konštantný, nezáleží na tom. aké procesy prebiehajú v tomto systéme. Všeobecný zákon zachovania náboja experimentálne stanovili M. Faraday (Anglicko) a F. Epinus (Rusko).
Prítomnosť elektromagnetického mikropoľa je prepojená s pohybom každého elementárneho náboja. Je potrebné poznamenať, že elektrické a magnetické polia študované makroskopickou a elektrostatickou elektrodynamikou sa spriemerovali: všetky predstavujú superpozíciu alebo superpozíciu mikropolí, ktoré vytvárajú veľký súbor pohyblivých elementárnych nábojov. Ako ukazujú skúsenosti, aj spriemerované elektrické pole môže byť úplne iné ako nula len vtedy, keď je jeho „zdroj“ – makronáboj úplne nehybný, a tiež keď je v pohybe.
Intenzita elektrického poľa
Sila elektrického poľa je vektorová charakteristika poľa, sily pôsobiacej na jednotkový elektrický náboj v pokoji v danej vzťažnej sústave.
Napätie sa určuje podľa vzorca:
$ E↖ (→) = (F↖ (→)) / (q) $
kde $ E↖ (→) $ je intenzita poľa; $ F↖ (→) $ je sila pôsobiaca na náboj $ q $ umiestnený v danom bode poľa. Smer vektora $ E↖ (→) $ sa zhoduje so smerom sily pôsobiacej na kladný náboj a je opačný ako smer sily pôsobiacej na záporný náboj.
Jednotkou SI napätia je volt na meter (V / m).
Sila poľa bodového náboja. Podľa Coulombovho zákona pôsobí bodový náboj $ q_0 $ na iný náboj $ q $ silou rovnajúcou sa
$ F = k (| q_0 || q |) / (r ^ 2) $
Modul intenzity poľa bodového náboja $ q_0 $ vo vzdialenosti $ r $ od neho je
$ E = (F) / (q) = k (| q_0 |) / (r ^ 2) $
Vektor intenzity v ktoromkoľvek bode elektrického poľa smeruje pozdĺž priamky spájajúcej tento bod a náboj.
Elektrické siločiary
Elektrické pole v priestore je zvyčajne reprezentované siločiarami. Pojem siločiar zaviedol M. Faraday pri štúdiu magnetizmu. Potom tento koncept vyvinul J. Maxwell vo výskume elektromagnetizmu.
Čiara sily alebo čiara intenzity elektrického poľa je čiara, ktorej dotyčnica sa v každom bode zhoduje so smerom sily pôsobiacej na kladný bodový náboj nachádzajúci sa v tomto bode poľa.
Napínacie čiary kladne nabitej lopty;
Napínacie čiary dvoch opačne nabitých guľôčok;
Napínacie čiary dvoch podobne nabitých loptičiek
Napínacie čiary dvoch dosiek, nabité rôznymi znakmi, ale rovnaké v absolútnej hodnote nábojov.
Napínacie čiary na poslednom obrázku sú v priestore medzi doskami takmer rovnobežné a ich hustota je rovnaká. To naznačuje, že pole v tejto oblasti vesmíru je jednotné. Elektrické pole sa nazýva homogénne, ktorého sila je vo všetkých bodoch priestoru rovnaká.
V elektrostatickom poli siločiary nie sú uzavreté, vždy začínajú pri kladných nábojoch a končia pri záporných nábojoch. Nikde sa nepretínajú, priesečník siločiar by naznačoval neistotu smeru intenzity poľa v mieste priesečníka. Hustota siločiar je väčšia v blízkosti nabitých telies, kde je väčšia intenzita poľa.
Nabité loptové ihrisko. Intenzita poľa nabitej vodivej gule vo vzdialenosti od stredu gule presahujúcej jej polomer $ r≥R $ je určená rovnakým vzorcom ako pole bodového náboja. Dokazuje to rozloženie siločiar, podobne ako rozloženie siločiar bodového náboja.
Náboj lopty je rozložený rovnomerne po jej povrchu. Intenzita poľa vo vnútri vodivej gule je nulová.
Magnetické pole. Interakcia magnetov
Fenomén interakcie permanentných magnetov (usadenie magnetickej šípky pozdĺž magnetického poludníka Zeme, priťahovanie opačných pólov, odpudzovanie tých istých) je známy už od staroveku a systematicky sa ním zaoberal W. Hilbert (výsledky boli publikované v roku 1600 v jeho pojednaní O magnete, magnetických telesách a veľkom magnete - Zemi).
Prírodné (prírodné) magnety
Magnetické vlastnosti niektorých prírodných minerálov boli známe už v staroveku. Napríklad existujú písomné dôkazy spred viac ako 2000 rokov o používaní prírodných permanentných magnetov ako kompasov v Číne. Príťažlivosť a odpudzovanie magnetov a ich magnetizácia železných pilín sa spomína v prácach starovekých gréckych a rímskych vedcov (napríklad v básni „O povahe vecí“ od Lucretia Kara).
Prírodné magnety sú hrudky magnetickej železnej rudy (magnetitu) zložené z $ FeO $ (31%) a $ Fe_2O $ (69%). Ak takýto kúsok nerastu prinesieme k malým železným predmetom – klincom, pilinám, tenkej čepeli a pod., budú k nemu priťahované.
Umelé permanentné magnety
Permanentný magnet Je produkt vyrobený z materiálu, ktorý je autonómnym (nezávislým, izolovaným) zdrojom konštantného magnetického poľa.
Umelé permanentné magnety sa vyrábajú zo špeciálnych zliatin, medzi ktoré patrí železo, nikel, kobalt atď. Tieto kovy získavajú magnetické vlastnosti (magnetizujú sa), ak sú privedené k permanentným magnetom. Preto, aby sa z nich vyrobili permanentné magnety, sú špeciálne udržiavané v silných magnetických poliach, po ktorých sa samy stávajú zdrojmi konštantného magnetického poľa a sú schopné udržiavať magnetické vlastnosti po dlhú dobu.
Obrázok znázorňuje oblúkový a pásový magnet.
Na obr. sú uvedené obrázky magnetických polí týchto magnetov, získané metódou, ktorú ako prvý použil pri svojom výskume M. Faraday: pomocou železných pilín rozsypaných na hárku papiera, na ktorom magnet leží. Každý magnet má dva póly - to sú miesta najväčšej koncentrácie magnetických siločiar (nazývajú sa aj magnetické siločiary, alebo čiary magnetickej indukcie poľa). To sú miesta, kam najviac lákajú železné piliny. Jeden z pólov je zvyčajne tzv severný(($ N $), druhý je južná($ S $). Ak k sebe privediete dva magnety s rovnakými pólmi, môžete vidieť, že sa odpudzujú, a ak sú opačné, priťahujú sa.
Na obr. je jasne vidieť, že magnetické čiary magnetu - uzavreté linky... Znázornené sú siločiary magnetického poľa dvoch magnetov oproti sebe s rovnakými a opačnými pólmi. Stredná časť týchto obrázkov pripomína obrázky elektrických polí dvoch nábojov (opačný a rovnaký). Podstatný rozdiel medzi elektrickým a magnetickým poľom je však v tom, že čiary elektrického poľa začínajú pri nábojoch a končia pri nich. Magnetické náboje v prírode neexistujú. Čiary magnetického poľa opúšťajú severný pól magnetu a vstupujú na južný, pokračujú v tele magnetu, to znamená, ako je uvedené vyššie, sú to uzavreté čiary. Polia, ktorých siločiary sú uzavreté, sa nazývajú vír... Magnetické pole je vírové pole (to je jeho rozdiel od elektrického).
Aplikácia magnetov
Najstarším magnetickým zariadením je známy kompas. V modernej technológii sa magnety používajú veľmi široko: v elektromotoroch, v rádiotechnike, v elektrických meracích zariadeniach atď.
Magnetické pole Zeme
Zemeguľa je magnet. Ako každý magnet má svoje magnetické pole a svoje magnetické póly. Preto je strelka kompasu orientovaná určitým smerom. Je presne jasné, kam by mal smerovať severný pól magnetickej strelky, pretože opačné póly sa priťahujú... Preto severný pól magnetickej ihly ukazuje na južný magnetický pól zeme. Tento pól sa nachádza na severe zemegule, trochu ďalej od geografického severného pólu (na ostrove Prince of Wales – asi 75 ° $ severnej zemepisnej šírky a 99 ° $ západnej dĺžky, vo vzdialenosti asi 2 100 $ $ km od geografický severný pól).
Pri priblížení k severnému geografickému pólu sa siločiary zemského magnetického poľa naklonia k horizontu pod väčším uhlom a v oblasti južného magnetického pólu sa stanú vertikálnymi.
Severný magnetický pól Zeme sa nachádza v blízkosti geografického južného pólu, konkrétne na 66,5 ° $ južnej zemepisnej šírky a 140 ° $ východnej zemepisnej dĺžky. Tu vychádzajú zo Zeme siločiary magnetického poľa.
Inými slovami, magnetické póly zeme sa nezhodujú s jej geografickými pólmi. Smer magnetickej strelky sa preto nezhoduje so smerom geografického poludníka a magnetická strelka kompasu len zhruba ukazuje smer na sever.
Určité prírodné javy môžu ovplyvniť napríklad aj strelku kompasu magnetické búrky,čo sú dočasné zmeny v magnetickom poli Zeme spojené so slnečnou aktivitou. Slnečnú aktivitu sprevádza vyvrhovanie prúdov nabitých častíc, najmä elektrónov a protónov, z povrchu Slnka. Tieto prúdy, pohybujúce sa vysokou rýchlosťou, vytvárajú svoje vlastné magnetické pole, ktoré interaguje s magnetickým poľom Zeme.
Na zemeguli (okrem krátkodobých zmien magnetického poľa) sú oblasti, v ktorých je konštantná odchýlka smeru magnetickej šípky od smeru zemskej magnetickej čiary. Toto sú oblasti magnetická anomália(z gréckeho anomália – odchýlka, abnormalita). Jednou z najväčších takýchto oblastí je Kurská magnetická anomália. Príčinou anomálií sú obrovské ložiská železnej rudy v pomerne malej hĺbke.
Zemské magnetické pole spoľahlivo chráni zemský povrch pred kozmickým žiarením, ktorého pôsobenie na živé organizmy je deštruktívne.
Lety medziplanetárnych vesmírnych staníc a kozmických lodí umožnili zistiť, že Mesiac a planéta Venuša nemajú magnetické pole, kým planéta Mars je veľmi slabé.
Experimenty Oerstedai Ampere. Indukcia magnetického poľa
V roku 1820 dánsky vedec G. X. Oersted zistil, že magnetická ihla umiestnená v blízkosti vodiča, ktorým preteká prúd, sa otáča a má tendenciu umiestniť sa kolmo na vodič.
Schéma experimentu G. X. Oersteda je znázornená na obrázku. Vodič zahrnutý v obvode zdroja prúdu je umiestnený nad magnetickou ihlou rovnobežne s jej osou. Keď je obvod uzavretý, magnetická strelka sa odchyľuje od svojej pôvodnej polohy. Po otvorení okruhu sa magnetická ihla vráti do pôvodnej polohy. Z toho vyplýva, že vodič s prúdom a magnetická ihla sa navzájom ovplyvňujú. Na základe tejto skúsenosti možno usúdiť, že existuje magnetické pole spojené s tokom prúdu vo vodiči a vírivým charakterom tohto poľa. Opísaný experiment a jeho výsledky boli najdôležitejšou vedeckou zásluhou Oersteda.
V tom istom roku objavil francúzsky fyzik Ampere, ktorý sa zaujímal o Oerstedove experimenty, interakciu dvoch priamych vodičov s prúdom. Ukázalo sa, že ak prúdy vo vodičoch tečú jedným smerom, to znamená, že sú paralelné, potom sa vodiče priťahujú, ak v opačných smeroch (čiže sú antiparalelné), potom sa odpudzujú.
Interakcie medzi vodičmi s prúdom, teda interakcie medzi pohybujúcimi sa elektrickými nábojmi, sa nazývajú magnetické a sily, ktorými na seba vodiče s prúdom pôsobia, sa nazývajú magnetické sily.
Podľa teórie pôsobenia krátkeho dosahu, ktorej sa držal M. Faraday, prúd v jednom z vodičov nemôže priamo ovplyvňovať prúd v druhom vodiči. Podobne ako v prípade stacionárnych elektrických nábojov, okolo ktorých je elektrické pole, sa dospelo k záveru, že v priestore obklopujúcom prúdy je magnetické pole, ktorý pôsobí nejakou silou na iný vodič s prúdom umiestnený v tomto poli, alebo na permanentný magnet. Na druhej strane magnetické pole generované druhým vodičom s prúdom pôsobí na prúd v prvom vodiči.
Tak ako je elektrické pole detegované jeho účinkom na skúšobný náboj zavedený do tohto poľa, magnetické pole je možné detegovať pomocou orientačného účinku magnetického poľa na rám s prúdom malým (v porovnaní so vzdialenosťami, na ktoré magnetické pole). pole sa výrazne mení) rozmery.
Drôty dodávajúce prúd do rámu by mali byť opletené (alebo umiestnené blízko seba), potom bude výsledná sila pôsobiaca zo strany magnetického poľa na tieto vodiče nulová. Sily pôsobiace na takýto rám s prúdom ho budú otáčať tak, že jeho rovina bude nastavená kolmo na čiary indukcie magnetického poľa. V tomto príklade sa rám bude otáčať tak, že vodič nesúci prúd je v rovine rámu. Keď sa zmení smer prúdu vo vodiči, rám sa otočí o $ 180 ° $. V poli medzi pólmi permanentného magnetu sa bude rám otáčať v rovine kolmej na magnetické siločiary magnetu.
Magnetická indukcia
Magnetická indukcia ($ В↖ (→) $) je vektorová fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje magnetické pole.
Smer vektora magnetickej indukcie $ В↖ (→) $ sa vezme:
1) smer od južného pólu $ S $ k severnému pólu $ N $ magnetickej strelky, ktorá je voľne inštalovaná v magnetickom poli, príp.
2) smer kladnej normály k uzavretému okruhu s prúdom na pružnom závese, voľne inštalovanom v magnetickom poli. Normál sa považuje za pozitívny, smerujúci k pohybu hrotu kardanu (s pravým rezom), ktorého rukoväť je otočená v smere prúdu v ráme.
Je zrejmé, že smery 1) a 2) sa zhodujú, čo bolo preukázané Amperovými experimentmi.
Čo sa týka veľkosti magnetickej indukcie (teda jej modulu) $ B $, ktorá by mohla charakterizovať silu pôsobenia poľa, experimentálne sa zistilo, že maximálna sila $ F $, ktorou pole pôsobí na vodič s prúd (umiestnený kolmo na čiary indukčného magnetického poľa), závisí od prúdu $ I $ vo vodiči a od jeho dĺžky $ ∆l $ (im úmernej). Sila pôsobiaca na prúdový prvok (jednotková dĺžka a sila prúdu) však závisí len od samotného poľa, tj pomer $ (F) / (I∆l) $ pre dané pole je konštantná hodnota (podobná ako napr. pomer sily k náboju pre elektrické pole). Táto hodnota je definovaná ako magnetická indukcia.
Indukcia magnetického poľa v danom bode sa rovná pomeru maximálnej sily pôsobiacej na vodič s prúdom k dĺžke vodiča a sile prúdu vo vodiči umiestnenom v tomto bode.
Čím väčšia je magnetická indukcia v danom bode poľa, tým väčšia sila bude pole v tomto bode pôsobiť na magnetickú ihlu alebo pohybujúci sa elektrický náboj.
Jednotkou magnetickej indukcie v SI je tesla(Tl), pomenovaná po srbskom elektrotechnikovi Nikolovi Teslu. Ako je možné vidieť zo vzorca, $ 1 $ T $ = l (H) / (A m) $
Ak existuje niekoľko rôznych zdrojov magnetického poľa, ktorých indukčné vektory sú v danom bode priestoru rovné $ (B_1) ↖ (→), (B_2) ↖ (→), (B_3) ↖ (→), ... $, potom podľa princíp superpozície polí, indukcia magnetického poľa v tomto bode sa rovná súčtu vektorov indukcie magnetických polí vytvorených každý zdroj.
$ В↖ (→) = (В_1) ↖ (→) + (В_2) ↖ (→) + (В_3) ↖ (→) + ... $
Magnetické indukčné čiary
Pre vizuálnu reprezentáciu magnetického poľa predstavil koncept M. Faraday čiary magnetického poľa,čo opakovane preukázal vo svojich pokusoch. Vzor siločiar možno ľahko získať pomocou železných hoblín nasypaných na lepenku. Na obrázku sú: čiary magnetickej indukcie jednosmerného prúdu, solenoid, kruhový prúd, jednosmerný magnet.
Čiary magnetickej indukcie, alebo magnetické siločiary, alebo jednoducho magnetické čiary sa nazývajú priamky, dotyčnice, ktoré sa v ktoromkoľvek bode zhodujú so smerom vektora magnetickej indukcie $ В↖ (→) $ v tomto bode poľa.
Ak sa namiesto železných pilín umiestnia okolo dlhého priamočiareho vodiča s prúdom malé magnetické šípky, potom môžete vidieť nielen konfiguráciu siločiar (sústredné kruhy), ale aj smer siločiar (sever). pól magnetickej šípky udáva smer vektora indukcie v danom bode).
Smer magnetického poľa dopredného prúdu možno určiť pomocou pravé kardanové pravidlo.
Ak otáčate rukoväťou kardanu tak, aby translačný pohyb hrotu kardanu udával smer prúdu, potom smer otáčania rukoväte kardanu udáva smer siločiar aktuálneho magnetického poľa.
Smer jednosmerného magnetického poľa možno určiť aj pomocou prvé pravidlo pravej ruky.
Ak uchopíte vodič pravou rukou a nasmerujete svoj ohnutý palec v smere prúdu, potom konce zvyšných prstov v každom bode ukážu smer indukčného vektora v tomto bode.
Vírivé pole
Čiary magnetickej indukcie sú uzavreté, čo naznačuje, že v prírode neexistujú žiadne magnetické náboje. Polia, ktorých siločiary sú uzavreté, sa nazývajú vírové polia.... To znamená, že magnetické pole je vírivé pole. Tým sa líši od elektrického poľa vytvoreného nábojmi.
Solenoid
Solenoid je drôtová cievka s prúdom.
Solenoid je charakterizovaný počtom závitov na jednotku dĺžky $ n $, dĺžkou $ l $ a priemerom $ d $. Hrúbka drôtu v elektromagnete a stúpanie špirály (skrutkovitá čiara) sú malé v porovnaní s jej priemerom $ d $ a dĺžkou $ l $. Pojem "solenoid" sa používa aj v širšom zmysle - ide o názov pre cievky s ľubovoľným prierezom (štvorcový solenoid, obdĺžnikový solenoid) a nie nevyhnutne valcový (toroidný solenoid). Rozlišujte medzi dlhým solenoidom ($ l >> d $) a krátkym ($ l
Solenoid vynašiel v roku 1820 A. Ampere na zvýšenie magnetického pôsobenia prúdu objaveného H. Oerstedom a použitého D. Arago pri pokusoch magnetizácie oceľových tyčí. Magnetické vlastnosti solenoidu experimentálne skúmal Ampere v roku 1822 (v tom istom čase zaviedol pojem „solenoid“). Bola stanovená ekvivalencia solenoidu s permanentnými prírodnými magnetmi, čo bolo potvrdením Ampérovej elektrodynamickej teórie, ktorá vysvetľovala magnetizmus interakciou prstencových molekulárnych prúdov skrytých v telesách.
Siločiary magnetického poľa solenoidu sú znázornené na obrázku. Smer týchto čiar je určený pomocou druhé pravidlo pravej ruky.
Ak uchopíte solenoid dlaňou pravej ruky a nasmerujete štyri prsty cez prúd v zákrutách, palce nabok označia smer magnetických čiar vo vnútri solenoidu.
Pri porovnaní magnetického poľa solenoidu s poľom permanentného magnetu môžete vidieť, že sú veľmi podobné. Solenoid má podobne ako magnet dva póly – severný ($ N $) a južný ($ S $). Severný pól je ten, z ktorého vychádzajú magnetické čiary; južný pól je ten, do ktorého vstupujú. Severný pól solenoidu je vždy umiestnený na strane, na ktorú ukazuje palec, keď je umiestnený v súlade s druhým pravidlom pravej ruky.
Ako magnet sa používa solenoid vo forme cievky s veľkým počtom závitov.
Štúdie magnetického poľa solenoidu ukazujú, že magnetické pôsobenie solenoidu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa intenzitou prúdu a počtom závitov solenoidu. Okrem toho sa magnetické pôsobenie solenoidu alebo cievky s prúdom zvyšuje zavedením železnej tyče do nej, tzv. jadro.
Elektromagnety
Solenoid so železným jadrom vo vnútri sa nazýva elektromagnet.
Elektromagnety môžu obsahovať nie jednu, ale niekoľko cievok (vinutí) a zároveň mať jadrá rôznych tvarov.
Podobný elektromagnet prvýkrát skonštruoval anglický vynálezca W. Sturgeon v roku 1825. Elektromagnet W. Sturgeona s hmotnosťou 0,2 $ kg udržal záťaž s hmotnosťou 36 $ N. V tom istom roku J. Joule zvýšil zdvíhaciu silu elektromagnet na 200 $ N a o šesť rokov neskôr zostrojil americký vedec J. Henry elektromagnet s hmotnosťou 300 $ kg, schopný udržať záťaž s hmotnosťou 1 $ t!
Moderné elektromagnety dokážu zdvihnúť bremená s hmotnosťou niekoľko desiatok ton. Používajú sa v továrňach pri manipulácii s ťažkými výrobkami zo železa a ocele. Elektromagnety sa používajú aj v poľnohospodárstve na odstraňovanie buriny zo zŕn mnohých rastlín a v iných priemyselných odvetviach.
Ampérová sila
Sila $ F $ pôsobí na priamy úsek vodiča $ ∆l $, ktorým preteká prúd $ I $, v magnetickom poli s indukciou $ B $.
Na výpočet tejto sily použite výraz:
$ F = B | I | ∆lsinα $
kde $ α $ je uhol medzi vektorom $ B↖ (→) $ a smerom segmentu vodiča s prúdom (prúdový prvok); smer prúdového prvku sa berie ako smer, ktorým prúd preteká vodičom. Volá sa sila $ F $ od Ampere na počesť francúzskeho fyzika A. M. Ampereho, ktorý ako prvý objavil vplyv magnetického poľa na vodič s prúdom. (Ampér v skutočnosti zaviedol zákon o sile interakcie dvoch prvkov vodičov s prúdom. Bol zástancom teórie pôsobenia na veľké vzdialenosti a nepoužíval pojem poľa.
Avšak podľa tradície a na pamiatku zásluh vedca sa výraz pre silu pôsobiacu na vodič s prúdom zo strany magnetického poľa nazýva aj Amperov zákon.)
Smer ampérovej sily sa určuje pomocou pravidla ľavej ruky.
Ak položíte dlaň ľavej ruky tak, aby do nej kolmo vstupovali siločiary magnetického poľa a štyri vystreté prsty udávajú smer prúdu vo vodiči, potom nastavený palec udáva smer sily pôsobiacej na vodič s prúdom. Ampérová sila je teda vždy kolmá na vektor magnetickej indukcie aj smer prúdu vo vodiči, t.j. kolmá na rovinu, v ktorej tieto dva vektory ležia.
Dôsledkom pôsobenia ampérovej sily je rotácia rámu prúdom v konštantnom magnetickom poli. Toto nachádza praktické uplatnenie v mnohých zariadeniach, napr elektrické meracie prístroje- galvanometre, ampérmetre, kde sa pohyblivý rám s prúdom otáča v poli permanentného magnetu a podľa uhla vychýlenia šípky, nehybne spojenej s rámom, možno posúdiť veľkosť prúdu tečúceho v obvode.
Vďaka rotačnému pôsobeniu magnetického poľa na rám s prúdom sa tiež stalo možné vytvárať a používať elektromotory- stroje, v ktorých sa elektrická energia premieňa na mechanickú energiu.
Lorentzova sila
Lorentzova sila je sila pôsobiaca na pohybujúci sa bodový elektrický náboj vo vonkajšom magnetickom poli.
Holandský fyzik H. A. Lorentz koncom 19. storočia. zistili, že sila pôsobiaca z magnetického poľa na pohybujúcu sa nabitú časticu je vždy kolmá na smer pohybu častice a siločiary magnetického poľa, v ktorom sa táto častica pohybuje.
Smer Lorentzovej sily možno určiť pomocou pravidla ľavej ruky.
Ak položíte dlaň ľavej ruky tak, že štyri vystreté prsty ukazujú smer pohybu náboja a vektor magnetickej indukcie poľa vstupuje do dlane, nastavený palec bude udávať smer pôsobenia Lorentzovej sily. na kladnom náboji.
Ak je náboj častice záporný, Lorentzova sila bude smerovať opačným smerom.
Lorentzov silový modul sa dá ľahko určiť z Amperovho zákona a je:
kde $ q $ je náboj častice, $ υ $ je rýchlosť jej pohybu, $ α $ je uhol medzi vektormi rýchlosti a indukcie magnetického poľa.
Ak existuje okrem magnetického poľa aj elektrické pole, ktoré pôsobí na náboj silou $ (F_ (el)) ↖ (→) = qE↖ (→) $, potom celková sila pôsobiaca na náboj je:
$ F↖ (→) = (F_ (e)) ↖ (→) + (F_l) ↖ (→) $
Táto celková sila sa často nazýva Lorentzova sila a sila vyjadrená vzorcom $ F = | q | υBsinα $ sa nazýva magnetická časť Lorentzovej sily.
Keďže Lorentzova sila je kolmá na smer pohybu častice, nemôže meniť jej rýchlosť (nevykonáva prácu), ale môže iba meniť smer svojho pohybu, teda zakrivenie trajektórie.
Takéto zakrivenie trajektórie elektrónov v televíznej obrazovke je ľahké pozorovať, ak na jej obrazovku privediete permanentný magnet: obraz bude skreslený.
Pohyb nabitej častice v rovnomernom magnetickom poli. Nech nabitá častica letí rýchlosťou $ υ $ do rovnomerného magnetického poľa kolmého na čiary intenzity. Sila pôsobiaca na časticu zo strany magnetického poľa spôsobí, že sa bude rovnomerne otáčať okolo kruhu s polomerom r, čo sa dá ľahko nájsť pomocou druhého Newtonovho zákona, výrazu pre dostredivé zrýchlenie a vzorca $ F = | q | υBsinα $:
$ (mυ ^ 2) / (r) = | q | υB $
Odtiaľto sa dostaneme
$ r = (mυ) / (| q | B) $
kde $ m $ je hmotnosť častice.
Aplikácia Lorentzovej sily. Pôsobenie magnetického poľa na pohybujúce sa náboje sa využíva napr hmotnostné spektrografy, ktoré umožňujú oddeliť nabité častice podľa ich špecifických nábojov, t.j. pomeru náboja častice k jej hmotnosti a zo získaných výsledkov presne určiť hmotnosti častíc.
Vákuová komora zariadenia je umiestnená v poli (indukčný vektor $ B↖ (→) $ je kolmý na obrázok). Nabité častice (elektróny alebo ióny) urýchlené elektrickým poľom po opísaní oblúka dopadajú na fotografickú platňu, kde zanechávajú stopu, čo umožňuje s veľkou presnosťou zmerať polomer trajektórie $ r $. Tento polomer sa používa na určenie špecifického náboja iónu. Keď poznáme náboj iónu, je ľahké vypočítať jeho hmotnosť.
Magnetické vlastnosti látok
Aby sa vysvetlila existencia magnetického poľa permanentných magnetov, Ampere navrhol, že v látke s magnetickými vlastnosťami existujú mikroskopické kruhové prúdy (tzv. molekulárne). Táto myšlienka bola následne po objavení elektrónu a štruktúry atómu brilantne potvrdená: tieto prúdy vznikajú pohybom elektrónov okolo jadra a pri rovnakej orientácii celkovo vytvárajú pole okolo a vo vnútri. magnet.
Na obr. roviny, v ktorých sa nachádzajú elementárne elektrické prúdy, sú v dôsledku chaotického tepelného pohybu atómov orientované náhodne a látka nevykazuje magnetické vlastnosti. V zmagnetizovanom stave (pôsobením napr. vonkajšieho magnetického poľa) sú tieto roviny orientované rovnako a ich pôsobenie sa sčítava.
Magnetická priepustnosť. Reakcia média na pôsobenie vonkajšieho magnetického poľa s indukciou $ B_0 $ (pole vo vákuu) je určená magnetickou susceptibilitou $ μ $:
kde $ B $ je indukcia magnetického poľa v látke. Magnetická permeabilita je podobná dielektrickej konštante $ ε $.
Podľa magnetických vlastností sa látky delia na diamagnety, paramagnety a feromagnety... Pre diamagnety je koeficient $ μ $, ktorý charakterizuje magnetické vlastnosti média, menší ako $ 1 $ (napríklad pre bizmut $ μ = 0,999824 $); pre paramagnety $ μ> 1 $ (pre platinu $ μ = 1,00036 $); pre feromagnety $ μ >> 1 $ (železo, nikel, kobalt).
Diamagnety sa od magnetu odpudzujú, paramagnety priťahujú. Z týchto dôvodov ich možno od seba odlíšiť. Pre väčšinu látok sa magnetická permeabilita prakticky nelíši od jednoty, iba u feromagnetík ju výrazne prevyšuje a dosahuje niekoľko desiatok tisíc jednotiek.
Feromagnety. Feromagnety vykazujú najsilnejšie magnetické vlastnosti. Magnetické polia generované feromagnetmi sú oveľa silnejšie ako vonkajšie magnetizačné pole. Je pravda, že magnetické polia feromagnetov sa nevytvárajú v dôsledku cirkulácie elektrónov okolo jadier - orbitálny magnetický moment, a v dôsledku správnej rotácie elektrónu - vlastný magnetický moment, tzv točiť.
Curieova teplota ($ T_c $) je teplota, nad ktorou feromagnetické materiály strácajú svoje magnetické vlastnosti. Pre každé feromagnetikum má svoje. Napríklad pre železo $ T_c = 753 ° $ C, pre nikel $ T_c = 365 ° $ C, pre kobalt $ T_c = 1 000 ° $ C. Existujú feromagnetické zliatiny, v ktorých $ T_c
Prvé podrobné štúdie magnetických vlastností feromagnetík vykonal vynikajúci ruský fyzik A.G. Stoletov (1839-1896).
Feromagnety sa používajú veľmi široko: ako permanentné magnety (v elektrických meracích prístrojoch, reproduktoroch, telefónoch atď.), oceľové jadrá v transformátoroch, generátoroch, elektromotoroch (na zvýšenie magnetického poľa a úsporu energie). Na magnetických páskach vyrobených z feromagnetík sa nahráva zvuk a obraz pre magnetofóny a videorekordéry. Informácie sa zaznamenávajú na tenké magnetické filmy pre pamäťové zariadenia v elektronických počítačoch.
Lenzove pravidlo
Lenzove pravidlo (Lenzov zákon) zaviedol E. H. Lenz v roku 1834. Objasňuje zákon elektromagnetickej indukcie, ktorý objavil v roku 1831 M. Faraday. Lenzovo pravidlo určuje smer indukčného prúdu v uzavretej slučke, keď sa pohybuje vo vonkajšom magnetickom poli.
Smer indukčného prúdu je vždy taký, že sily, ktoré zažíva zo strany magnetického poľa, bránia pohybu obvodu a magnetický tok $ Ф_1 $ vytvorený týmto prúdom má tendenciu kompenzovať zmeny vonkajšieho magnetického toku. $ Ф_e $.
Lenzov zákon je vyjadrením zákona zachovania energie pre elektromagnetické javy. V skutočnosti, keď sa uzavretá slučka pohybuje v magnetickom poli v dôsledku vonkajších síl, je potrebné vykonať určitú prácu proti silám vznikajúcim interakciou indukovaného prúdu s magnetickým poľom a smerujúcich v smere opačnom k pohybu.
Lenzove pravidlo je znázornené na obrázku. Ak je permanentný magnet vložený do cievky uzavretej na galvanometer, indukčný prúd v cievke bude mať smer, ktorý vytvorí magnetické pole s vektorom $ B "$ nasmerovaným opačne k indukčnému vektoru magnetického poľa $ B $ , tj vytlačí magnet z cievky alebo bude brániť jeho pohybu. Pri vyťahovaní magnetu z cievky naopak pole vytvorené indukčným prúdom pritiahne cievku, čiže opäť zabráni jej pohybu.
Ak chcete použiť Lenzovo pravidlo na určenie smeru indukčného prúdu $ I_e $ v obvode, musíte dodržiavať tieto odporúčania.
- Určte smer čiar magnetickej indukcie $ В↖ (→) $ vonkajšieho magnetického poľa.
- Zistite, či sa tok magnetickej indukcie tohto poľa povrchom ohraničeným obrysom zvyšuje ($ ∆Ф> 0 $), alebo klesá ($ ∆Ф
- Nastavte smer magnetických indukčných čiar $ В "↖ (→) $ magnetického poľa indukčného prúdu $ I_i $. Tieto čiary by mali smerovať podľa Lenzovho pravidla opačne ako čiary $ В↖ (→) $ , ak $ ∆Ф> 0 $, a majú rovnaký smer ako oni, ak $ ∆Ф
- Keď poznáte smer čiar magnetickej indukcie $ В "↖ (→) $, určte smer indukčného prúdu $ I_i $ pomocou kardanové pravidlo.