Salah satu bahagian fizik moden yang paling penting ialah interaksi elektromagnet dan semua definisi yang berkaitan dengannya. Interaksi inilah yang menerangkan semua fenomena elektrik. Teori elektrik merangkumi banyak bidang lain, termasuk optik, kerana cahaya adalah sinaran elektromagnet. Dalam artikel ini, kami akan cuba menerangkan intipati arus elektrik dan daya magnet dalam bahasa yang boleh diakses dan difahami.
Magnetisme ialah asas asas
Semasa kanak-kanak, orang dewasa menunjukkan pelbagai helah silap mata menggunakan magnet. Patung-patung yang menakjubkan ini, yang tertarik antara satu sama lain dan boleh menarik mainan kecil, sentiasa menggembirakan mata kanak-kanak. Apakah magnet dan bagaimanakah daya magnet bertindak pada bahagian besi?
Menjelaskan dalam bahasa saintifik, anda perlu beralih kepada salah satu undang-undang asas fizik. Menurut undang-undang Coulomb dan teori relativiti khas, daya tertentu bertindak pada cas, yang berkadar terus dengan kelajuan cas itu sendiri (v). Interaksi ini dipanggildaya magnet.
Ciri Fizikal
Secara umumnya, perlu difahami bahawa sebarang fenomena magnetik berlaku hanya apabila cas bergerak di dalam konduktor atau dengan kehadiran arus di dalamnya. Apabila mengkaji magnet dan definisi kemagnetan, perlu difahami bahawa ia berkait rapat dengan fenomena arus elektrik. Oleh itu, mari kita fahami intipati arus elektrik.
Daya elektrik ialah daya yang bertindak antara elektron dan proton. Ia secara berangka jauh lebih besar daripada nilai daya graviti. Ia dijana oleh cas elektrik, atau sebaliknya, oleh pergerakannya di dalam konduktor. Caj pula terdiri daripada dua jenis: positif dan negatif. Seperti yang anda ketahui, zarah bercas positif tertarik kepada zarah bercas negatif. Walau bagaimanapun, caj dengan tanda yang sama cenderung untuk menolak satu sama lain.
Jadi, apabila cas-cas ini mula bergerak dalam konduktor, arus elektrik timbul di dalamnya, yang dijelaskan sebagai nisbah jumlah cas yang mengalir melalui konduktor dalam 1 saat. Daya yang bertindak pada konduktor dengan arus dalam medan magnet dipanggil daya Ampere dan didapati mengikut peraturan "tangan kiri".
Data empirikal
Anda boleh menghadapi interaksi magnet dalam kehidupan seharian apabila berurusan dengan magnet kekal, induktor, geganti atau motor elektrik. Setiap daripada mereka mempunyai medan magnet yang tidak dapat dilihat oleh mata. Ia boleh dikesan hanya dengan tindakannya, yang mana iamenjejaskan zarah yang bergerak dan jasad bermagnet.
Daya yang bertindak pada konduktor pembawa arus dalam medan magnet telah dikaji dan diterangkan oleh ahli fizik Perancis Ampère. Bukan sahaja kuasa ini dinamakan sempena namanya, tetapi juga magnitud kekuatan semasa. Di sekolah, undang-undang Ampère ditakrifkan sebagai peraturan tangan "kiri" dan "kanan".
Ciri medan magnet
Perlu difahami bahawa medan magnet sentiasa berlaku bukan sahaja di sekitar sumber arus elektrik, tetapi juga di sekitar magnet. Dia biasanya digambarkan dengan garis-garis daya magnet. Secara grafik, ia kelihatan seolah-olah sehelai kertas diletakkan pada magnet, dan pemfailan besi dituangkan di atasnya. Ia akan kelihatan seperti gambar di bawah.
Dalam banyak buku popular tentang fizik, daya magnet diperkenalkan hasil daripada pemerhatian eksperimen. Ia dianggap sebagai kuasa asas semula jadi yang berasingan. Idea sedemikian adalah salah; sebenarnya, kewujudan daya magnet mengikuti prinsip relativiti. Ketiadaannya akan melanggar prinsip ini.
Tiada apa-apa yang asas tentang daya magnet - ia hanyalah akibat relativistik hukum Coulomb.
Menggunakan magnet
Menurut lagenda, pada abad pertama Masihi di pulau Magnesia, orang Yunani purba menemui batu-batu luar biasa yang mempunyai ciri-ciri menakjubkan. Mereka menarik kepada diri mereka apa-apa benda yang diperbuat daripada besi atau keluli. Orang Yunani mula membawa mereka keluar dari pulau itu dan mengkaji harta benda mereka. Dan apabila batu-batu itu jatuh ke tangan jalanahli silap mata, mereka telah menjadi pembantu yang amat diperlukan dalam semua persembahan mereka. Menggunakan kuasa batu magnet, mereka dapat mencipta persembahan hebat yang menarik ramai penonton.
Apabila batu itu merebak ke seluruh dunia, legenda dan pelbagai mitos mula beredar mengenainya. Sekali batu itu berakhir di China, di mana ia dinamakan sempena pulau tempat mereka ditemui. Magnet menjadi subjek kajian semua saintis hebat pada masa itu. Telah diperhatikan bahawa jika anda meletakkan batu besi magnet pada pelampung kayu, betulkan, dan kemudian pusingkannya, ia akan cuba kembali ke kedudukan asalnya. Ringkasnya, daya magnet yang bertindak ke atasnya akan mengubah bijih besi dengan cara tertentu.
Menggunakan sifat magnet ini, saintis mencipta kompas. Pada bentuk bulat yang diperbuat daripada kayu atau gabus, dua tiang utama dilukis dan jarum magnet kecil dipasang. Reka bentuk ini diturunkan ke dalam mangkuk kecil berisi air. Dari masa ke masa, model kompas telah bertambah baik dan menjadi lebih tepat. Ia digunakan bukan sahaja oleh pelayar, tetapi juga oleh pelancong biasa yang suka meneroka padang pasir dan kawasan pergunungan.
Pengalaman menarik
Saintis Hans Oersted menumpukan hampir seluruh hidupnya kepada elektrik dan magnet. Pada suatu hari, semasa kuliah di universiti, dia menunjukkan kepada pelajarnya pengalaman berikut. Dia mengalirkan arus melalui konduktor tembaga biasa, selepas beberapa ketika konduktor itu panas dan mula bengkok. Ia adalah fenomena habaarus elektrik. Para pelajar meneruskan eksperimen ini, dan salah seorang daripada mereka menyedari bahawa arus elektrik mempunyai ciri lain yang menarik. Apabila arus mengalir dalam konduktor, anak panah kompas yang terletak berhampiran mula menyimpang sedikit demi sedikit. Mengkaji fenomena ini dengan lebih terperinci, saintis menemui apa yang dipanggil daya yang bertindak pada konduktor dalam medan magnet.
Arus ampere dalam magnet
Para saintis telah cuba mencari cas magnet, tetapi kutub magnet terpencil tidak ditemui. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa, tidak seperti elektrik, cas magnet tidak wujud. Lagipun, jika tidak, adalah mungkin untuk memisahkan cas unit dengan hanya memutuskan salah satu hujung magnet. Walau bagaimanapun, ini mewujudkan kutub bertentangan baharu di hujung yang satu lagi.
Sebenarnya, mana-mana magnet ialah solenoid, pada permukaan yang mana arus intra-atom beredar, ia dipanggil arus Ampere. Ternyata magnet itu boleh dianggap sebagai rod logam di mana arus terus beredar. Atas sebab inilah pengenalan teras besi ke dalam solenoid meningkatkan medan magnet dengan ketara.
Tenaga magnet atau EMF
Seperti mana-mana fenomena fizikal, medan magnet mempunyai tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan cas. Terdapat konsep EMF (daya gerak elektrik), ia ditakrifkan sebagai kerja untuk memindahkan cas unit dari titik A0 ke titik A1.
EMF diterangkan oleh undang-undang Faraday, yang digunakan dalam tiga fizikal berbezasituasi:
- Litar yang dijalankan bergerak dalam medan magnet seragam yang dihasilkan. Dalam kes ini, mereka bercakap tentang emf magnetik.
- Kontur dalam keadaan tenang, tetapi sumber medan magnet itu sendiri bergerak. Ini sudah menjadi fenomena emf elektrik.
- Akhir sekali, litar dan punca medan magnet adalah pegun, tetapi arus yang mencipta medan magnet berubah.
Secara numerik, EMF mengikut formula Faraday ialah: EMF=W/q.
Oleh itu, daya gerak elektrik bukanlah daya dalam erti kata literal, kerana ia diukur dalam Joule per Coulomb atau dalam Volt. Ternyata ia mewakili tenaga yang diberikan kepada elektron pengaliran apabila memintas litar. Setiap kali, membuat pusingan seterusnya bagi bingkai berputar penjana, elektron memperoleh tenaga secara berangka sama dengan EMF. Tenaga tambahan ini bukan sahaja boleh dipindahkan semasa perlanggaran atom dalam rantai luar, tetapi juga dibebaskan dalam bentuk haba Joule.
Daya dan magnet Lorentz
Daya yang bertindak ke atas arus dalam medan magnet ditentukan oleh formula berikut: q|v||B|sin a (hasil cas medan magnet, modul halaju zarah yang sama, vektor aruhan medan dan sinus sudut antara arahnya). Daya yang bertindak ke atas cas unit yang bergerak dalam medan magnet dipanggil daya Lorentz. Fakta menarik ialah undang-undang ke-3 Newton adalah tidak sah untuk daya ini. Ia hanya mematuhi undang-undang pemuliharaan momentum, itulah sebabnya semua masalah dalam mencari daya Lorentz harus diselesaikan berdasarkannya. Mari kita fikirkan bagaimanaanda boleh menentukan kekuatan medan magnet.
Masalah dan contoh penyelesaian
Untuk mencari daya yang timbul di sekeliling konduktor dengan arus, anda perlu mengetahui beberapa kuantiti: cas, kelajuannya dan nilai aruhan medan magnet yang muncul. Masalah berikut akan membantu anda memahami cara mengira daya Lorentz.
Tentukan daya yang bertindak ke atas proton yang bergerak pada kelajuan 10 mm/s dalam medan magnet dengan aruhan 0.2 C (sudut antara mereka ialah 90o, kerana zarah bercas bergerak berserenjang dengan garis aruhan). Penyelesaiannya datang kepada mencari caj. Melihat jadual cas, kita dapati bahawa proton mempunyai cas sebanyak 1.610-19 Cl. Seterusnya, kita mengira daya menggunakan formula: 1, 610-19100, 21 (sinus sudut tepat ialah 1)=3, 2 10- 19 Newton.
