Elektrika in magnetizem (elektrodinamika) proučujeta elektromagnetne interakcije. Nosilec teh interakcij je elektromagnetno polje, je kombinacija dveh medsebojno povezanih polj: magnetnega in električnega.
Nauki o elektriki danes temeljijo na Maxwellovih enačbah, določajo polja skozi njihove vrtince in vir.
Električna dejstva v zgodovini
Električni pojavi so bili znani že v starih časih, med njimi je mogoče razlikovati naslednja dejstva:
- Okoli leta 500 pr. e. Tales iz Mileta je odkril, da jantar, nošen z volno, zlahka pritegne lahke puhe. Tudi njegova hči, ko je z volno krtačila jantarno vreteno, je videla ta učinek. Beseda "elektron" je iz grščine prevedena kot "jantar", od tod tudi izraz "elektrika". Ta koncept je bil uveden v Angleški zdravnik Gilbert iz XVI stoletja. Po vrsti poskusov je odkril, da so številne snovi elektrificirane.
- V Babilonu (pred 4000 leti) so našli glinene posode, ki vsebujejo bakrene in železne palice. Na dnu je bil bitumen, ki izolira material. Palice so bile ločene z ocetno ali citronsko kislino, torej ta najdba spominja na galvansko celico. Zlato na babilonski nakit je bilo uporabljeno z galvanizacijo.
elektromagnetno polje
Opredelitev 1
Elektromagnetno polje je vrsta snovi, skozi katero elektromagnetna interakcija med delci, ki imajo električni naboj. To je vrsta snovi, ki prenaša delovanje elektromagnetnih sil.
V elektriki je koncept elektromagnetnega polja. Ne smemo pozabiti, da se izraz "polje" v fiziki uporablja za označevanje številnih konceptov, ki se razlikujejo po vsebini, ki vključujejo naslednje:
- Beseda "polje" v celoti označuje porazdelitev katere koli fizične količine, skalarne ali vektorske. Ko preučujejo na primer toplotno stanje na različnih točkah medija, poročajo o skalarnem temperaturnem polju. Ko obravnavamo proces mehanskih nihanj v elastičnem mediju, govorimo o mehanskem valovnem polju. V teh primerih koncept "polja" opisuje fizično stanje preučevanega materialnega okolja.
- Posebna vrsta snovi se imenuje tudi polje. Izraz polje (kot neke vrste materija) se je pojavil zaradi splošnega problema interakcije. Teorija, kjer se delovanje sil takoj prenese skozi skupno praznino, se imenuje teorija delovanja na dolge razdalje. Teorija, ki pravi, da se delovanje sil prenaša s končno hitrostjo skozi vmesni materialni medij, se imenuje teorija delovanja kratkega dosega.
Električno in magnetno polje se običajno obravnavata ločeno, čeprav v resnici ni "čisto" magnetnih ali "čisto" električnih pojavov. Obstaja samo en sam elektromagnetni proces. Delitev elektromagnetne interakcije na magnetno in električno, kot tudi delitev enotnih elektromagnetnih sil na magnetne in električne, je pogojna in takšno konvencijo je mogoče zlahka dokazati. Enako pogojna je tudi terminologija "magnetne", "električne" sile.
Električni naboj
2. opredelitev
Električni naboj je lastnost, ki je lastna nekaterim "najpreprostejšim" delcem snovi - "elementarnim" delcem. Električni naboj z energijo, maso itd. ustvarja "kompleks" temeljnih lastnosti delcev.
Od znanih elementarnih delcev imajo električni naboj le pozitroni, elektroni, antiprotoni, protoni, nekateri hiperoni in mezoni ter njihovi antidelci. Hkrati nevtrini, nevtroni, nevtralni hiperoni in mezoni ter njihovi antidelci, pa tudi fotoni nimajo električnega naboja.
Poznani sta le dve vrsti električnih nabojev, ki jih običajno imenujemo negativni in pozitivni (koncepta "negativna" in "pozitivna" elektrika je prvi uvedel W. Franklin (ZDA) v 18. stoletju).
Neposredna določitev vrednosti osnovnega naboja je bila izvedena v letih 1909 - 1904. A.F. Ioffe (Rusija), kot tudi R.E. Milliken (ZDA). Po poskusih Ioffeja in Millikana je bila hipoteza o obstoju podelektronov zavrnjena, t.j. naboji, ki so manjši od naboja elektrona.
Takšnega naboja ni mogoče ločiti od delcev, ki jim pripada. Splošna neuničljivost snovi pomeni neuničljivost električnega naboja. Zakonom o gibalnem volumnu, ohranjanju mase, energije, kotnem momentu, ki je priljubljen v teoretični mehaniki, moramo dodati zakon o ohranitvi električnega naboja: v zaprtem sistemu delcev ali teles je algebraična vsota nabojev velikosti konstantna, ne glede na to, kateri procesi potekajo v tem sistemu. Splošni zakon o ohranjanju naboja sta eksperimentalno vzpostavila M. Faraday (Anglija) in F. Aepinus (Rusija).
Prisotnost elektromagnetnega mikropolja je medsebojno povezana s gibanjem vsakega elementarnega naboja. Omeniti velja, da so električna in magnetna polja, ki jih preučujeta makroskopska in elektrostatična elektrodinamika, postala povprečna: vsi predstavljajo superpozicijo ali superpozicijo mikropolj, kar ustvarja velik nabor gibljivih elementarnih nabojev. Kot kažejo izkušnje, je lahko tudi povprečno električno polje povsem drugačno od nič le, ko je njegov "vir" - makronaboj popolnoma mirujoč, in tudi, ko je v gibanju.
Moč električnega polja
Jakost električnega polja je vektorska značilnost polja, sila, ki deluje na enotni električni naboj v mirovanju v danem referenčnem okviru.
Napetost se določi s formulo:
$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$
kjer je $E↖(→)$ jakost polja; $F↖(→)$ je sila, ki deluje na naboj $q$ na dani točki polja. Smer vektorja $E↖(→)$ sovpada s smerjo sile, ki deluje na pozitivni naboj, in nasprotna smeri sile, ki deluje na negativni naboj.
Enota napetosti SI je volt na meter (V/m).
Moč polja točkovnega naboja. Po Coulombovem zakonu točkovni naboj $q_0$ deluje na drug naboj $q$ s silo, enako
$F=k(|q_0||q|)/(r^2)$
Modul poljske jakosti točkovnega naboja $q_0$ na razdalji $r$ od njega je enak
$E=(F)/(q)=k(|q_0|)/(r^2)$
Vektor intenzivnosti na kateri koli točki električnega polja je usmerjen vzdolž premice, ki povezuje to točko in naboj.
Linije električnega polja
Električno polje v vesolju je običajno predstavljeno s silnimi črtami. Koncept silnih črt je v študij magnetizma uvedel M. Faraday. Nato je ta koncept razvil J. Maxwell v raziskavah elektromagnetizma.
Črta sile ali črta jakosti električnega polja je črta, tangenta na katero na vsaki točki sovpada s smerjo sile, ki deluje na pozitivni točkovni naboj, ki se nahaja na tej točki polja.
Napetostne črte pozitivno nabite kroglice;
Napetostne črte dveh nasprotno nabitih kroglic;
Napetostne linije dveh enako nabitih kroglic
Napetostne črte dveh plošč, nabitih z naboji, ki so različni po predznaku, a enaki po absolutni vrednosti.
Napetostne črte na zadnji sliki so skoraj vzporedne v prostoru med ploščami, njihova gostota pa je enaka. To nakazuje, da je polje v tem območju prostora enotno. Električno polje imenujemo homogeno, katerega jakost je enaka na vseh točkah prostora.
V elektrostatičnem polju silnice niso zaprte, vedno se začnejo pri pozitivnih nabojih in končajo pri negativnih. Nikjer se ne sekajo, presečišče poljskih linij bi kazalo na negotovost smeri jakosti polja na presečišču. Gostota poljskih linij je večja v bližini nabitih teles, kjer je moč polja večja.
Polje nabite žoge. Polje naelektrene prevodne kroglice na razdalji od središča krogle, ki presega njen polmer $r≥R$, je določena z isto formulo kot polje točkovnega naboja. To dokazuje porazdelitev silnih linij, podobna porazdelitvi napetostnih linij točkovnega naboja.
Naboj krogle je enakomerno razporejen po njeni površini. Znotraj prevodne krogle je poljska jakost nič.
Magnetno polje. Interakcija magnetov
Fenomen interakcije trajnih magnetov (vzpostavitev magnetne igle vzdolž magnetnega poldnevnika Zemlje, privlačnost nasprotnih polov, odbijanje istoimenskih polov) je znan že od antičnih časov in sistematično proučeval W. Hilbert (rezultati so bili objavljeni leta 1600 v njegovi razpravi »O magnetu, magnetnih telesih in velikem magnetu - Zemlji).
Naravni (naravni) magneti
Magnetne lastnosti nekaterih naravnih mineralov so bile znane že v antiki. Tako obstajajo pisni dokazi pred več kot 2000 leti o uporabi naravnih trajnih magnetov na Kitajskem kot kompasov. Privlačnost in odbijanje magnetov ter magnetizacija železnih pil z njimi je omenjena v delih starogrških in rimskih znanstvenikov (na primer v pesmi Lucretius Cara "O naravi stvari").
Naravni magneti so kosi magnetne železove rude (magnetit), sestavljeni iz $FeO$ (31%) in $Fe_2O$ (69%). Če takšen kos minerala pripeljemo do majhnih železnih predmetov - žebljev, žagovine, tankega rezila ipd., jih bo pritegnil.
Umetni trajni magneti
Trajni magnet- to je izdelek iz materiala, ki je avtonomen (neodvisen, izoliran) vir konstantnega magnetnega polja.
Umetni trajni magneti so izdelani iz posebnih zlitin, ki vključujejo železo, nikelj, kobalt itd. Te kovine pridobijo magnetne lastnosti (magnetizirajo), če jih pripeljemo do trajnih magnetov. Zato, da bi iz njih naredili trajne magnete, jih posebej hranijo v močnih magnetnih poljih, po katerih sami postanejo viri konstantnega magnetnega polja in so sposobni dolgo časa ohranjati magnetne lastnosti.
Slika prikazuje ločne in trakaste magnete.
Na sl. podane so slike magnetnih polj teh magnetov, pridobljene po metodi, ki jo je v svojih raziskavah prvi uporabil M. Faraday: s pomočjo železnih opilkov, raztresenih po listu papirja, na katerem leži magnet. Vsak magnet ima dva pola - to so mesta največje koncentracije magnetnih silnih linij (imenujejo se tudi črte magnetnega polja, oz črte magnetnega indukcijskega polja). To so kraji, ki najbolj privlačijo železne opilke. Eden od polov se imenuje severni(($N$), drugo - Južni($S$). Če pripeljete dva magneta drug k drugemu z enakima poloma, lahko vidite, da se odbijata, in če sta nasprotna, se privlačita.
Na sl. jasno je razvidno, da so magnetne črte magneta - zaprte linije. Prikazane so silnice magnetnega polja dveh magnetov, ki sta obrnjena drug proti drugemu z enakim in nasprotnim polom. Osrednji del teh slik je podoben sliki električnih polj dveh nabojev (nasprotni in enak). Vendar pa je bistvena razlika med električnim in magnetnim poljem ta, da se linije električnega polja začnejo pri nabojih in končajo pri njih. Magnetni naboji v naravi ne obstajajo. Linije magnetnega polja izhajajo iz severnega pola magneta in vstopajo v južni, nadaljujejo se v telesu magneta, torej, kot je navedeno zgoraj, so zaprte črte. Polja, katerih silnice so zaprte, se imenujejo vrtinec. Magnetno polje je vrtinčno polje (to je njegova razlika od električnega).
Uporaba magnetov
Najstarejša magnetna naprava je znani kompas. V sodobni tehnologiji se magneti uporabljajo zelo široko: v elektromotorjih, v radijski tehniki, v električni merilni opremi itd.
Zemljino magnetno polje
Zemlja je magnet. Kot vsak magnet ima tudi lastno magnetno polje in svoje magnetne poli. Zato je igla kompasa usmerjena v določeno smer. Jasno je, kam točno bi moral kazati severni pol magnetne igle, ker nasprotna pola se privlačita. Zato severni pol magnetne igle kaže na južni magnetni pol Zemlje. Ta pol se nahaja na severu sveta, nekoliko stran od geografskega severnega pola (na otoku Prince of Wales - približno 75°$ severne zemljepisne širine in 99°$ zahodne zemljepisne dolžine, na razdalji približno 2100 $ km od geografskega severa palica).
Ko se približuje severnemu geografskemu polu, se silnice zemeljskega magnetnega polja nagnejo proti obzorju pod velikim kotom, v območju južnega magnetnega pola pa postanejo navpične.
Severni magnetni pol Zemlje se nahaja blizu geografskega južnega pola, in sicer na 66,5°$ južne zemljepisne širine in 140°$ vzhodne dolžine. Tu iz Zemlje izhajajo črte magnetnega polja.
Z drugimi besedami, Zemljini magnetni poli se ne ujemajo z njenimi geografskimi poli. Zato smer magnetne igle ne sovpada s smerjo geografskega poldnevnika, magnetna igla kompasa pa le približno kaže smer proti severu.
Na iglo kompasa lahko vplivajo tudi nekateri naravni pojavi, npr. magnetne nevihte, ki so začasne spremembe zemeljskega magnetnega polja, povezane s sončno aktivnostjo. Sončno aktivnost spremlja izmet tokov nabitih delcev s površine Sonca, zlasti elektronov in protonov. Ti tokovi, ki se gibljejo z veliko hitrostjo, ustvarjajo lastno magnetno polje, ki je v interakciji z zemeljskim magnetnim poljem.
Na globusu (razen kratkotrajnih sprememb magnetnega polja) so področja, v katerih je konstantno odstopanje smeri magnetne igle od smeri zemeljske magnetne črte. To so območja magnetna anomalija(iz grščine. anomalia - odstopanje, nenormalnost). Eno največjih takšnih območij je Kurska magnetna anomalija. Razlog za anomalije so ogromna nahajališča železove rude na relativno majhni globini.
Zemljino magnetno polje zanesljivo ščiti zemeljsko površino pred kozmičnim sevanjem, katerega učinek na žive organizme je uničujoč.
Preleti medplanetarnih vesoljskih postaj in ladij so omogočili ugotovitev, da Luna in planet Venera nimata magnetnega polja, medtem ko ima planet Mars zelo šibko.
Eksperimenti Erstedai Ampère. Indukcija magnetnega polja
Leta 1820 je danski znanstvenik G. X. Oersted odkril, da se magnetna igla, nameščena blizu prevodnika, skozi katerega teče tok, vrti in poskuša biti pravokotna na prevodnik.
Shema G. X. Oerstedove izkušnje je prikazana na sliki. Prevodnik, vključen v vezje vira toka, se nahaja nad magnetno iglo vzporedno z njeno osjo. Ko je vezje zaprto, magnetna igla odstopa od prvotnega položaja. Ko se vezje odpre, se magnetna igla vrne v prvotni položaj. Iz tega sledi, da prevodnik s tokom in magnetna igla medsebojno delujeta. Na podlagi te izkušnje je mogoče sklepati, da obstaja magnetno polje, povezano s tokom toka v prevodniku in vrtinčno naravo tega polja. Opisani poskus in njegovi rezultati so bili najpomembnejša znanstvena zasluga Oersteda.
Istega leta je francoski fizik Ampère, ki so ga zanimali Oerstedovi poskusi, odkril interakcijo dveh pravokotnih prevodnikov s tokom. Izkazalo se je, da če tokovi v vodnikih tečejo v eni smeri, torej vzporedno, se vodniki privlačijo, če v nasprotnih smereh (tj. antiparalelno), se odbijajo.
Interakcije med prevodniki s tokom, torej interakcije med gibljivimi električnimi naboji, imenujemo magnetne, sile, s katerimi vodniki s tokom delujejo drug na drugega, pa magnetne sile.
Po teoriji delovanja kratkega dosega, ki ji je sledil M. Faraday, tok v enem od prevodnikov ne more neposredno vplivati na tok v drugem prevodniku. Podobno kot v primeru fiksnih električnih nabojev, okoli katerih je električno polje, je bilo sklenjeno, da v prostoru, ki obdaja tokove, je magnetno polje, ki deluje z neko silo na drug vodnik s tokom, postavljen v to polje, ali na trajni magnet. Po drugi strani pa magnetno polje, ki ga ustvari drugi prevodnik s tokom, deluje na tok v prvem prevodniku.
Tako kot je električno polje zaznano z njegovim učinkom na preskusni naboj, ki se vnese v to polje, lahko magnetno polje zaznamo z orientacijskim učinkom magnetnega polja na zanki z majhnim tokom (v primerjavi z razdaljami, na katerih je magnetno polje opazno spremeni) dimenzije.
Žice, ki dovajajo tok v okvir, je treba tkati (ali postaviti blizu drug drugemu), potem bo nastala sila, ki deluje iz magnetnega polja na te žice, enaka nič. Sile, ki delujejo na tak okvir s tokom, ga bodo zavrtele, tako da bo njegova ravnina pravokotna na črte indukcije magnetnega polja. V primeru se bo okvir vrtel tako, da je vodnik s tokom v ravnini okvirja. Ko se smer toka v prevodniku spremeni, se okvir zavrti za 180°$. V polju med poloma trajnega magneta se bo okvir obrnil v ravnini, pravokotni na magnetne silne črte magneta.
Magnetna indukcija
Magnetna indukcija ($В↖(→)$) je vektorska fizična količina, ki označuje magnetno polje.
Vzame se smer vektorja magnetne indukcije $В↖(→)$:
1) smer od južnega pola $S$ do severnega pola $N$ magnetne igle, ki je prosto vstavljena v magnetno polje, ali
2) smer pozitivne normale na zaprto zanko s tokom na prožnem vzmetišču, prosto nameščenem v magnetnem polju. Normalno se šteje za pozitivno, usmerjeno proti gibanju konice gimleta (z desnim rezanjem), katerega ročaj se vrti v smeri toka v okvirju.
Jasno je, da smeri 1) in 2) sovpadata, kar je bilo ugotovljeno že z Amperjevimi poskusi.
Kar zadeva velikost magnetne indukcije (tj. njen modul) $В$, ki bi lahko označila jakost polja, je bilo s poskusi ugotovljeno, da je največja sila $F$, s katero polje deluje na prevodnik s tokom ( postavljena pravokotno na črte indukcijskega magnetnega polja), je odvisna od toka $I$ v prevodniku in od njegove dolžine $∆l$ (sorazmerna z njimi). Vendar pa je sila, ki deluje na tokovni element (enotne dolžine in jakosti toka), odvisna samo od polja samega, to pomeni, da je razmerje $(F)/(I∆l)$ za dano polje konstantna vrednost (podobno kot razmerje sile in naboja za električno polje). Ta vrednost je opredeljena kot magnetna indukcija.
Indukcija magnetnega polja v določeni točki je enaka razmerju največje sile, ki deluje na prevodnik s tokom, do dolžine prevodnika in jakosti toka v prevodniku, ki je nameščen na tej točki.
Večja kot je magnetna indukcija na določeni točki polja, večja sila bo delovala na magnetno iglo ali gibajoči se električni naboj.
Enota SI magnetne indukcije je tesla(Tl), poimenovano po srbskem inženirju elektrotehnike Nikoli Tesli. Kot je razvidno iz formule, $1$ Тl $=l(H)/(A m)$
Če obstaja več različnih virov magnetnega polja, katerih indukcijski vektorji na dani točki prostora so enaki $(В_1)↖(→), (В_2)↖(→), (В_3)↖(→), ...$, torej glede na načelo superpozicije polj, je indukcija magnetnega polja na tej točki enaka vsoti vektorjev indukcije magnetnega polja, ki jih ustvari vsak vir.
$B↖(→)=(B_1)↖(→)+(B_2)↖(→)+(B_3)↖(→)+...$
Črte magnetne indukcije
Za vizualno predstavo magnetnega polja je M. Faraday predstavil koncept črte magnetnega polja, kar je večkrat pokazal v svojih poskusih. Sliko silnih linij je mogoče zlahka dobiti s pomočjo železnih ostružkov, posutih na karton. Slika prikazuje: črte magnetne indukcije enosmernega toka, solenoid, krožni tok, enosmerni magnet.
Črte magnetne indukcije, oz črte magnetnega polja, ali preprosto magnetne črte imenujemo premice, katerih tangente na kateri koli točki sovpadajo s smerjo vektorja magnetne indukcije $В↖(→)$ na tej točki polja.
Če namesto železnih opilkov postavite majhne magnetne puščice okoli dolgega ravnega prevodnika s tokom, potem lahko vidite ne le konfiguracijo silnih linij (koncentrični krogi), temveč tudi smer silnih linij (sever pol magnetne puščice označuje smer indukcijskega vektorja v dani točki).
Smer enosmernega magnetnega polja je mogoče določiti iz pravilo desnega gimleta.
Če zasukate ročaj vrtljivega vrtača tako, da translacijsko gibanje konice vrtača kaže smer toka, bo smer vrtenja ročaja vrteča kazala smer trenutnih magnetnih silnic.
Smer enosmernega magnetnega polja lahko določimo tudi z uporabo prvo pravilo desne roke.
Če pokrijete prevodnik z desno roko in usmerite upognjen palec v smeri toka, bodo konice preostalih prstov na vsaki točki kazale smer indukcijskega vektorja na tej točki.
Vortex polje
Črte magnetne indukcije so zaprte, kar pomeni, da v naravi ni magnetnih nabojev. Polja, katerih silnice so zaprte, se imenujejo vrtinčna polja.. To pomeni, da je magnetno polje vrtinčno polje. V tem se razlikuje od električnega polja, ki ga ustvarjajo naboji.
Solenoid
Solenoid je tuljava žice, ki teče tok.
Za solenoid je značilno število zavojev na enoto dolžine $n$, dolžine $l$ in premera $d$. Debelina žice v solenoidu in korak vijačnice (vijačnice) sta majhna v primerjavi z njenim premerom $d$ in dolžino $l$. Izraz "solenoid" se uporablja tudi v širšem pomenu - to je ime tuljav s poljubnim presekom (kvadratni solenoid, pravokotni solenoid) in ne nujno cilindrični (toroidni solenoid). Razlikujemo med dolgim solenoidom ($l>>d$) in kratkim solenoidom ($l
Solenoid je leta 1820 izumil A. Ampère, da bi okrepil magnetno delovanje toka, ki ga je odkril X. Oersted, uporabljal pa ga je D. Arago pri poskusih magnetizacije jeklenih palic. Magnetne lastnosti solenoida je eksperimentalno preučil Ampère leta 1822 (hkrati je uvedel izraz "solenoid"). Ugotovljena je bila enakovrednost solenoida trajnim naravnim magnetom, kar je bila potrditev Amperove elektrodinamične teorije, ki je magnetizem razlagala z interakcijo obročnih molekularnih tokov, skritih v telesih.
Na sliki so prikazane silnice magnetnega polja solenoida. Smer teh črt se določi z uporabo drugo pravilo desne roke.
Če z dlanjo desne roke stisnete solenoid in štiri prste usmerite vzdolž toka v zavojih, bo palec, ki je odložen, kazal smer magnetnih črt znotraj solenoida.
Če primerjamo magnetno polje solenoida s poljem trajnega magneta, lahko vidimo, da sta si zelo podobni. Kot magnet ima solenoid dva pola - severni ($N$) in južni ($S$). Severni pol je tisti, s katerega izstopajo magnetne črte; južni pol je tisti, v katerega vstopajo. Severni pol solenoida se vedno nahaja na strani, ki jo označuje palec dlani, kadar se nahaja v skladu z drugim pravilom desne roke.
Kot magnet se uporablja solenoid v obliki tuljave z velikim številom zavojev.
Študije magnetnega polja solenoida kažejo, da se magnetni učinek solenoida povečuje s povečanjem jakosti toka in števila zavojev v solenoidu. Poleg tega se magnetni učinek solenoida ali tuljave s tokom poveča z uvedbo železne palice vanj, ki se imenuje jedro.
Elektromagneti
Imenuje se solenoid z železnim jedrom v notranjosti elektromagnet.
Elektromagneti lahko vsebujejo ne eno, temveč več tuljav (navitij) in imajo hkrati jedra različnih oblik.
Tak elektromagnet je prvi konstruiral angleški izumitelj W. Sturgeon leta 1825. Z maso 0,2 $ kg je W. Sturgeonov elektromagnet držal obremenitev 36 $ N. Istega leta je J. Joule povečal dvižno silo elektromagneta na 200 $ N, šest let pozneje pa je ameriški znanstvenik J. Henry zgradil elektromagnet z maso 300 $ kg, ki je sposoben zadržati obremenitev 1 $ t!
Sodobni elektromagneti lahko dvigujejo breme, ki tehtajo več deset ton. Uporabljajo se v tovarnah pri premikanju težkih izdelkov iz železa in jekla. Elektromagneti se uporabljajo tudi v kmetijstvu za čiščenje zrn številnih rastlin pred plevelom in v drugih panogah.
Moč ojačevalnika
Na ravni odsek prevodnika $∆l$, skozi katerega teče tok $I$, v magnetnem polju z indukcijo $B$ vpliva sila $F$.
Za izračun te sile uporabite izraz:
$F=B|I|∆lsinα$
kjer je $α$ kot med vektorjem $B↖(→)$ in smerjo odseka prevodnika s tokom (tokovni element); smer tokovnega elementa se vzame kot smer, v kateri tok teče skozi prevodnik. Imenuje se sila $F$ z močjo Ampera v čast francoskemu fiziku A. M. Amperu, ki je prvi odkril učinek magnetnega polja na prevodnik s tokom. (Pravzaprav je Ampère vzpostavil zakon za silo interakcije med dvema elementoma prevodnikov s tokom. Bil je zagovornik teorije delovanja na dolge razdalje in ni uporabljal koncepta polja.
Vendar se po tradiciji in v spomin na zasluge znanstvenika izraz za silo, ki deluje na prevodnik s tokom iz magnetnega polja, imenuje tudi Amperov zakon.)
Smer Amperove sile določimo s pravilom leve roke.
Če položite dlan leve roke tako, da vanj vstopijo črte magnetnega polja pravokotno, štirje iztegnjeni prsti pa kažejo smer toka v prevodniku, bo palec, odložen v stran, kazal smer sile, ki deluje na prevodnik z tok. Tako je Amperova sila vedno pravokotna tako na vektor indukcije magnetnega polja kot na smer toka v prevodniku, torej pravokotna na ravnino, v kateri ležita ta dva vektorja.
Posledica delovanja Amperove sile je vrtenje okvirja s tokom v konstantnem magnetnem polju. To najde praktično uporabo v številnih napravah, na primer v električni merilni instrumenti- galvanometri, ampermetri, kjer se premični okvir s tokom vrti v polju trajnega magneta, po kotu upogiba puščice, ki je fiksno priključena na okvir, pa je mogoče soditi o velikosti toka, ki teče v vezju.
Zahvaljujoč rotacijskemu delovanju magnetnega polja na tokovno zanko je postalo mogoče tudi ustvarjati in uporabljati elektromotorji stroji, ki pretvarjajo električno energijo v mehansko energijo.
Lorentzova sila
Lorentzova sila je sila, ki deluje na električni naboj gibljive točke v zunanjem magnetnem polju.
Nizozemski fizik X. A. Lorentz ob koncu 19. stoletja. ugotovili, da je sila, ki deluje iz magnetnega polja na gibajoči se nabiti delec, vedno pravokotna na smer gibanja delcev in na silne črte magnetnega polja, v katerem se ta delec premika.
Smer Lorentzove sile lahko določimo s pravilom leve roke.
Če položite dlan leve roke tako, da štirje iztegnjeni prsti označujejo smer gibanja naboja, vektor magnetne indukcije polja pa vstopi v dlan, potem bo palec, odložen na stran, kazal smer Lorentzove sile, ki deluje na pozitivno. napolniti.
Če je naboj delca negativen, bo Lorentzova sila usmerjena v nasprotno smer.
Modul Lorentzove sile je enostavno določiti iz Amperovega zakona in je:
kjer je $q$ naboj delca, $υ$ je hitrost njegovega gibanja, $α$ je kot med vektorjema hitrosti in indukcije magnetnega polja.
Če poleg magnetnega polja obstaja še električno polje, ki deluje na naboj s silo $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$, potem skupna sila, ki deluje na naboj je enako:
$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$
Ta skupna sila se pogosto imenuje Lorentzova sila, sila, izražena s formulo $F=|q|υBsinα$, pa se imenuje magnetni del Lorentzove sile.
Ker je Lorentzova sila pravokotna na smer gibanja delca, ne more spremeniti svoje hitrosti (ne opravlja dela), ampak lahko spremeni le smer svojega gibanja, torej ukrivi trajektorijo.
Takšno ukrivljenost poti elektronov v TV kineskopu je enostavno opaziti, če na njegov zaslon prinesete trajni magnet: slika bo popačena.
Gibanje nabitega delca v enotnem magnetnem polju. Naj nabiti delec leti s hitrostjo $υ$ v enotno magnetno polje, pravokotno na črte jakosti. Sila, ki deluje na delec s strani magnetnega polja, bo povzročila, da se bo enakomerno vrtel v krogu polmera r, kar je enostavno najti z uporabo Newtonovega drugega zakona, izraza za centripetalni pospešek in formule $F=|q| υBsinα$:
$(mυ^2)/(r)=|q|υB$
Od tu dobimo
$r=(mυ)/(|q|B)$
kjer je $m$ masa delca.
Uporaba Lorentzove sile. Delovanje magnetnega polja na gibljive naboje se uporablja na primer v masni spektrografi, ki omogočajo ločevanje nabitih delcev glede na njihove specifične naboje, torej glede na razmerje med nabojem delca in njegovo maso, in na podlagi dobljenih rezultatov natančno določiti mase delcev.
Vakuumska komora naprave je postavljena v polje (indukcijski vektor $B↖(→)$ je pravokoten na sliko). Nabiti delci (elektroni ali ioni), pospešeni z električnim poljem, ko opišejo lok, padejo na fotografsko ploščo, kjer pustijo sled, ki omogoča merjenje polmera trajektorije $r$ z veliko natančnostjo. Specifični naboj iona se določi iz tega polmera. Če poznamo naboj iona, je enostavno izračunati njegovo maso.
Magnetne lastnosti snovi
Da bi pojasnil obstoj magnetnega polja trajnih magnetov, je Ampere predlagal, da v snovi z magnetnimi lastnostmi obstajajo mikroskopski krožni tokovi (imenovani so bili molekularno). Kasneje, po odkritju elektrona in strukture atoma, je bila ta ideja sijajno potrjena: ti tokovi nastanejo s gibanjem elektronov okoli jedra in, če so usmerjeni na enak način, skupaj ustvarijo polje okoli in znotraj magnet.
Na sl. ravnine, v katerih se nahajajo elementarni električni tokovi, so zaradi kaotičnega toplotnega gibanja atomov naključno usmerjene in snov ne kaže magnetnih lastnosti. V magnetiziranem stanju (pod vplivom npr. zunanjega magnetnega polja) so te ravnine usmerjene na enak način in njihova dejanja se seštevajo.
Magnetna prepustnost. Reakcija medija na delovanje zunanjega magnetnega polja z indukcijo $B_0$ (polje v vakuumu) je določena z magnetno občutljivostjo $μ$:
kjer je $B$ indukcija magnetnega polja v snovi. Magnetna prepustnost je podobna prepustnosti $ε$.
Glede na magnetne lastnosti se snovi delijo na diamagneti, paramagneti in feromagneti. Za diamagnete je koeficient $μ$, ki označuje magnetne lastnosti medija, manjši od $1$ (na primer za bizmut $μ = 0,999824$); za paramagnete $μ > 1$ (za platino $μ = 1,00036$); za feromagnete $μ >> 1$ (železo, nikelj, kobalt).
Diamagneti odbijajo magnete, paramagneti privlačijo. Po teh lastnostih jih je mogoče razlikovati med seboj. Za večino snovi se magnetna prepustnost praktično ne razlikuje od enote, le za feromagnete jo močno presega in doseže nekaj deset tisoč enot.
feromagneti. Feromagneti kažejo najmočnejše magnetne lastnosti. Magnetna polja, ki jih ustvarjajo feromagneti, so veliko močnejša od zunanjega magnetnega polja. Res je, da se magnetna polja feromagnetov ne ustvarjajo zaradi kroženja elektronov okoli jeder - orbitalni magnetni moment, in zaradi lastne rotacije elektrona - lastnega magnetnega momenta, imenovanega vrtenje.
Curiejeva temperatura ($T_c$) je temperatura, nad katero feromagnetni materiali izgubijo svoje magnetne lastnosti. Za vsak feromagnet ima svojega. Na primer, za železo $T_c = 753°$C, za nikelj $T_c = 365°$C, za kobalt $T_c = 1000°$ C. Obstajajo feromagnetne zlitine, v katerih $T_c
Prve podrobne študije magnetnih lastnosti feromagnetov je izvedel izjemni ruski fizik A. G. Stoletov (1839-1896).
Feromagneti se uporabljajo zelo široko: kot trajni magneti (v električnih merilnih instrumentih, zvočnikih, telefonih ipd.), jeklena jedra v transformatorjih, generatorjih, elektromotorjih (za povečanje magnetnega polja in varčevanje z električno energijo). Na magnetne trakove iz feromagnetov se izvaja snemanje zvoka in slike za magnetofonske in videorekorderje. Informacije so zapisane na tankih magnetnih filmih za naprave za shranjevanje v elektronskih računalnikih.
Lenzovo pravilo
Lenzovo pravilo (Lenzov zakon) je ustanovil E. X. Lenz leta 1834. Opredeljuje zakon elektromagnetne indukcije, ki ga je leta 1831 odkril M. Faraday. Lenzovo pravilo določa smer indukcijskega toka v zaprtem krogu, ko se giblje v zunanjem magnetnem polju.
Smer indukcijskega toka je vedno taka, da sile, ki jih doživlja zaradi magnetnega polja, nasprotujejo gibanju vezja, magnetni tok $Ф_1$, ki ga ustvari ta tok, pa teži k kompenziranju sprememb zunanjega magnetnega toka $Ф_e$.
Lenzov zakon je izraz zakona o ohranjanju energije za elektromagnetne pojave. Dejansko, ko se zaprto vezje giblje v magnetnem polju zaradi zunanjih sil, je treba opraviti nekaj dela proti silam, ki izhajajo iz interakcije induciranega toka z magnetnim poljem in so usmerjene v nasprotni smeri od gibanja.
Lenzovo pravilo je prikazano na sliki. Če trajni magnet potisnemo v tuljavo, zaprto z galvanometrom, bo imel indukcijski tok v tuljavi smer, ki bo ustvarila magnetno polje z vektorjem $B"$, usmerjenim nasprotno indukcijskemu vektorju magnetnega polja $B$, t.j. magnet bo potisnil iz tuljave ali preprečil njegovo gibanje. Ko magnet izvlečete iz tuljave, nasprotno, bo polje, ki ga ustvari indukcijski tok, pritegnilo tuljavo, torej ponovno preprečilo njeno premikanje.
Za uporabo Lenzovega pravila za določitev smeri induktivnega toka $I_e$ v vezju je potrebno upoštevati ta priporočila.
- Nastavite smer linij magnetne indukcije $В↖(→)$ zunanjega magnetnega polja.
- Ugotovite, ali se tok magnetne indukcije tega polja skozi površino, omejeno s konturo ($∆Ф > 0$), zmanjša ($∆Ф)
- Nastavite smer črt magnetne indukcije $В"↖(→)$ magnetnega polja indukcijskega toka $I_i$. Te črte naj bodo usmerjene po Lenzovem pravilu nasprotno črtam $В↖(→ )$, če je $∆Ф > 0$, in imajo isto smer z njimi, če $∆Ф
- Ob poznavanju smeri linij magnetne indukcije $В"↖(→)$ določite smer induktivnega toka $I_i$ z uporabo pravilo gimleta.