Magnetická síla. Síla působící na vodič v magnetickém poli. Jak určit sílu magnetického pole

Jedna z nejdůležitějších částí moderní fyziky je elektromagnetické interakce

Magnetismus je základem základů

V dětství dospělí ukázali různé triky s použitím magnetů. Tyto úžasné postavy, které jsou navzájem přitahovány a mohou přitahovat malé hračky k sobě, vždycky potěšily oči dětí. Co jsou magnety a jak působí magnetická síla na železné části?

Vysvětlením vědeckého jazyka je třeba se obrátit na jedno ze základních fyzikálních zákonů. Podle Coulombova zákona a zvláštní teorie relativity určitá síla působí na náboj, který přímo závisí na rychlosti samotného náboje (v). Tato interakce se nazývá magnetická síla.

Fyzické vlastnosti

Obecně by se mělo rozumět, že vůbec magnetické jevy vznikají pouze tehdy, když se náboje pohybují uvnitř vodiče nebo jsou v nich přítomny proudy. Při studiu magnetů a definice samotného magnetismu je třeba mít na paměti, že jsou úzce spjati s fenoménem elektrického proudu. Takže pojďme zjistit podstatu elektrického proudu.

Elektrická síla je síla, která působí mezi elektronem a protonem. Je číselně mnohem větší než hodnota gravitační síly. Je generován elektrickým nábojem, nebo přesněji jeho pohybem uvnitř vodiče. Poplatky jsou zase dva druhy: pozitivní a negativní. Jak je známo, kladně nabité částice jsou přitahovány k záporně nabitým částicím. Poplatky se stejným označením však mají schopnost odpuzovat.

Takže, když se tyto náboje začnou pohybovat ve vodiči, objeví se v nich elektrický proud, který se vysvětluje jako poměr množství náboje protékajícího vodičem za 1 sekundu. Síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli se nazývá síla Ampére a řídí se pravidlem "levou rukou".

Empirické důkazy

Kolize s magnetickou interakcí je možná v každodenním životě, pokud jde o permanentní magnety, induktory, relé nebo elektromotory. Každá z nich má magnetické pole, které je pro oči neviditelné. To lze vysledovat pouze jeho působením, které působí na pohybující se částice a magnetizované těla.

Síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli byla studována a popsána francouzským fyzikem Ampere. Na počest jeho jména se jmenuje nejen tato síla, ale i velikost proudu. Ve škole jsou Ampèrovy zákony definovány jako pravidla "levých" a "pravých" rukou.

Charakteristika magnetického pole

Mělo by být zřejmé, že magnetické pole se vždy vyskytuje nejen kolem zdrojů elektrického proudu, ale také kolem magnetů. Obvykle se zobrazuje pomocí magnetických sil. Graficky vypadá to, jako by byl na magnet vložen list papíru a piliny byly naplněny železem. Budou mít přesně stejný tvar jako na obrázku níže.

V mnoha populárních knihách o fyzice se magnetické síly zavádějí jako výsledek experimentálních pozorování. To je považováno za samostatnou základní sílu přírody. Takové zastoupení je nesprávné, ve skutečnosti existence magnetické síly vychází ze zásady relativity. Jeho nepřítomnost by vedla k porušení tohoto principu.

V magnetické síle není nic zásadního - je to prostě relativistický důsledek Coulombova zákona.

Aplikace magnetů

Pokud věříte legendě, v prvním století nl na ostrově Magnesia, starověcí Řekové objevili neobvyklé kameny, které měly úžasné vlastnosti. Přitáhli si k sobě veškeré věci ze železa nebo oceli. Řekové je začali odnést z ostrova a studovat jeho vlastnosti. A když se kameny dostaly do rukou uličních kouzelníků, staly se nepostradatelnými pomocníky ve všech projevech. S využitím sil magnetických kamenů se podařilo vytvořit celou fantastickou show, která přitahovala spoustu diváků.

Jak se kameny rozšířily do všech částí světa, začaly se kolem nich chodit legendy a mýty. Jakmile byly kameny v Číně, kde byly pojmenovány po ostrově, na kterém byly nalezeny. Magnety se staly předmětem studií všech velkých vědců té doby. Bylo zjištěno, že když dáme magnetovec na dřevěné plováku na opravu, a pak ho vypnout, pak se bude snažit vrátit do své původní polohy. Jednoduše řečeno, magnetická síla působící na ni bude určitým způsobem obrátit železný kámen.

Pomocí tohoto vlastnost magnetů, vědci vynalezli kompas. Na kulaté formě, vyrobené ze dřeva nebo korku, byly vytaženy dva hlavní póly a byla instalována malá magnetická jehla. Tento design byl spuštěn do malé mísy naplněné vodou. V průběhu času byly modely kompasů vylepšeny a přesnější. Používají je nejen námořníci, ale i obyčejní turisté, kteří rádi prozkoumají poušť a hornatý terén.

Zajímavé experimenty

Vědec Hans Oersted věnoval téměř celý svůj život elektřině a magnetům. Jednou během přednášky na univerzitě ukázal svým studentům následující zkušenosti. Prostřednictvím obyčejného měděného vodiče procházel proudem, po chvíli se vodič zahřál a začal se ohýbat. To byl fenomén tepelné vlastnosti elektrického proudu. Studenti pokračovali v těchto experimentech a jeden z nich si všiml, že elektrický proud má další zajímavou vlastnost. Když proud proudil ve vodiči, začala se postupně odchýlit šipka kompasu vedle něj. Při dalším studiu tohoto jevu vědec objevil tzv. Sílu působící na vodič v magnetickém poli.

Amperové proudy v magnetu

Vědci se pokusili najít magnetický náboj, ale izolovaný magnetický pól nemohl být detekován. To se vysvětluje skutečností, že na rozdíl od elektrických magnetických nábojů neexistuje. V opačném případě by bylo možné oddělit jediný náboj jednoduchým přerušením jednoho z konců magnetu. Na druhém konci se však vytváří nový opačný pól.

Ve skutečnosti je každý magnet solenoidem, na jehož povrchu cirkulují intra-atomové proudy, nazývají se Ampere proudy. Ukazuje se, že magnet může být považován za kovovou tyč, kterou cirkuluje konstantní proud. To je důvod, proč zavedení železného jádra do solenoidu značně zvyšuje magnetické pole.

Energie magnetů nebo EMF

Jako každý fyzický jev má magnetické pole energii, kterou potřebuje k přesunutí náboje. Existuje koncepce EMF (elektromotorická síla), je definována jako práce na přemísťování jednotkového náboje z bodu A₀ do bodu A₁.

EMF je popsán Faradayovými zákony, které se používají ve třech různých fyzických situacích:

1. Provedený obrys se pohybuje ve vytvořeném stejnoměrném magnetickém poli. V tomto případě mluvíme o magnetickém emf.
2. Okruh je v klidu, ale zdroj samotného magnetického pole se pohybuje. To je již fenomén elektrického EMF.
3. A konečně, obrys a zdroj magnetického pole jsou stacionární, ale proud, který vytváří magnetické pole, se mění.

Numericky se EMF podle vzorce Faraday rovná: EMF = W / q.

Elektromotorická síla tedy není síla v doslovném smyslu, protože je měřena v Joulech Coulombem nebo ve Voltech. Ukazuje se, že je to energie, která se přenáší na vodivý elektron při průchodu obvodu. Pokaždé, když pravidelně rotuje rotující rám generátoru, získá elektron energie číselně rovnou EMF. Tato dodatečná energie může být přenášena nejen kolizemi atomů vnějšího řetězce, ale také může být uvolňována jako teplo v Joule.

Lorentzova síla a magnety

Síla působící na proud v magnetickém poli se stanoví podle následujícího vzorce: Q * L | * | B | * sin a (produkt náboje magnetického pole, rychlostní moduly stejných částic, indukce pole vektor a sinus úhlu mezi jejich směry). Síla působící na nabitou jednotku v magnetickém poli se obecně nazývá Lorentzova síla. Je zajímavé, že třetí zákon Newtonu je pro tuto sílu neplatný. To se vztahuje pouze k zákonu zachování hybnosti, což je důvod, proč všechny úkoly pro hledání Lorentzova síla by měla být vyřešena na základě toho. Zjistíme, jak zjistit sílu magnetického pole.

Úkoly a příklady řešení

Abychom zjistili sílu, která vzniká kolem vodiče s proudem, je třeba znát několik veličin: náboj, jeho rychlost a hodnotu indukce vznikajícího magnetického pole. Další úkol pomůže pochopit, jak vypočítat sílu Lorentz.

Určete sílu působící na proton, který se pohybuje rychlostí 10 mm / s v magnetickém poli pomocí indukce 0,2 Cl (úhel mezi nimi je 90^o, protože nabitá částice se pohybuje kolmo na indukční linie). Řešení se snižuje na nalezení poplatku. Při pohledu na tabulku aplikací zjistíme, že proton má náboj 1,6 x 10^-19 Cl. Dále vypočítáme sílu podle vzorce: 1,6 * 10^-19 * 10 * 0,2 * 1 (sinus pravého úhlu se rovná 1) = 3,2 * 10^-19 Newtons.