Sadni si, rozlož molekuly na atómy,
Zabúdajúc, že zemiaky sa na poliach rozkladajú.
V. Vysockij
Ako opísať gravitačnú interakciu pomocou gravitačného poľa? Ako opísať elektrickú interakciu pomocou elektrického poľa? Prečo možno elektrické a magnetické interakcie považovať za dve zložky jedinej elektromagnetickej interakcie?
Lekcia-prednáška
Gravitačné pole. Na kurze fyziky ste študovali zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého sa všetky telesá navzájom priťahujú silou úmernou súčinu ich hmotností a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
Uvažujme ktorékoľvek teleso Slnečnej sústavy a označme jeho hmotnosť m. V súlade so zákonom univerzálnej gravitácie na toto teleso pôsobia všetky ostatné telesá Slnečnej sústavy a celková gravitačná sila, ktorú označujeme F, sa rovná vektorovému súčtu všetkých týchto síl. Keďže každá zo síl je úmerná hmotnosti m, celkovú silu môžeme znázorniť v tvare Veľkosť vektora závisí od vzdialenosti od ostatných telies slnečnej sústavy, teda od súradníc telesa, ktoré sme si zvolili. Z definície uvedenej v predchádzajúcom odseku vyplýva, že veličina G je pole. Toto pole má názov gravitačné pole.
Kažimír Malevič. Čierny štvorec
Vyjadrite svoj odhad, prečo táto konkrétna reprodukcia Malevichovho obrazu sprevádza text odseku.
V blízkosti povrchu Zeme sila, ktorou Zem pôsobí na teleso, akým ste vy, ďaleko prevyšuje všetky ostatné gravitačné sily. Toto je gravitačná sila, ktorú poznáte. Keďže gravitačná sila súvisí s hmotnosťou telesa vzťahom F g = mg, potom G blízko zemského povrchu je jednoducho gravitačné zrýchlenie.
Keďže hodnota G nezávisí od hmotnosti ani iného parametra telesa, ktoré sme si zvolili, je zrejmé, že ak do toho istého bodu v priestore umiestnime ďalšie teleso, potom sila pôsobiaca naň bude určená rovnakou hodnota a, vynásobená hmotnosťou nového tela. Pôsobenie gravitačných síl všetkých telies Slnečnej sústavy na určité testovacie teleso teda možno opísať ako pôsobenie gravitačného poľa na toto testovacie teleso. Slovo „skúška“ znamená, že toto telo nemusí existovať, pole v danom bode priestoru stále existuje a nezávisí od prítomnosti tohto tela. Skúšobné teleso jednoducho slúži na to, aby bolo možné toto pole merať meraním celkovej gravitačnej sily, ktorá naň pôsobí.
Je celkom zrejmé, že v našich diskusiách sa nemôžeme obmedziť na Slnečnú sústavu a uvažovať o akomkoľvek systéme telies, bez ohľadu na to, aký veľký je.
Gravitačnú silu vytvorenú určitou sústavou telies a pôsobiacu na testovacie teleso možno znázorniť ako pôsobenie gravitačného poľa vytvoreného všetkými telesami (okrem testovacieho telesa) na testovacie teleso.
Elektromagnetické pole. Elektrické sily sú veľmi podobné silám gravitačným, len pôsobia medzi nabitými časticami a pre rovnako nabité častice sú to sily odpudivé a pre častice s rozdielnym nábojom príťažlivé sily. Zákon podobný zákonu univerzálnej gravitácie je Coulombov zákon. Podľa nej je sila pôsobiaca medzi dvoma nabitými telesami úmerná súčinu nábojov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi telesami.
Vzhľadom na analógiu medzi Coulombovým zákonom a zákonom univerzálnej gravitácie možno pre elektrické sily zopakovať to, čo bolo povedané o gravitačných silách a silu pôsobiacu na skúšobný náboj q z určitej sústavy nabitých telies možno znázorniť v tvare F e = qE Množstvo E charakterizuje to, čo je vám známe elektrické pole a nazýva sa intenzita elektrického poľa. Záver týkajúci sa gravitačného poľa možno takmer doslovne zopakovať pre elektrické pole.
Interakcia medzi nabitými telesami (alebo jednoducho nábojmi), ako už bolo spomenuté, je veľmi podobná gravitačnej interakcii medzi akýmikoľvek telesami. Je tu však jeden veľmi podstatný rozdiel. Gravitačné sily nezávisia od toho, či sa telesá pohybujú alebo stoja. Ale sila interakcie medzi nábojmi sa mení, ak sa náboje pohybujú. Napríklad medzi dvoma identickými stacionárnymi nábojmi pôsobia odpudivé sily (obr. 12, a). Ak sa tieto náboje pohybujú, potom sa menia interakčné sily. Okrem elektrických odpudivých síl sa objavujú príťažlivé sily (obr. 12, b).
Ryža. 12. Interakcia dvoch stacionárnych nábojov (a), interakcia dvoch pohybujúcich sa nábojov (b)
Túto silu už poznáte zo svojho kurzu fyziky. Práve táto sila spôsobuje priťahovanie dvoch paralelných vodičov s prúdom. Táto sila sa nazýva magnetická sila. V paralelných vodičoch s identicky smerovanými prúdmi sa náboje pohybujú tak, ako je znázornené na obrázku, čo znamená, že sú priťahované magnetickou silou. Sila pôsobiaca medzi dvoma vodičmi s prúdom je jednoducho súčtom všetkých síl pôsobiacich medzi nábojmi.
Elektrickú silu vytvorenú niektorým systémom nabitých telies a pôsobiacu na skúšobný náboj možno znázorniť ako pôsobenie elektrického poľa vytvoreného všetkými nabitými telesami (okrem skúšobného) na skúšobný náboj.
Prečo v tomto prípade elektrická sila zmizne? Všetko je veľmi jednoduché. Vodiče obsahujú kladné aj záporné náboje a počet kladných nábojov sa presne rovná počtu záporných nábojov. Preto sú vo všeobecnosti elektrické sily kompenzované. Prúdy vznikajú v dôsledku pohybu iba záporných nábojov, kladné náboje vo vodiči sú stacionárne. Preto magnetické sily nie sú kompenzované.
Mechanický pohyb je vždy relatívny, to znamená, že rýchlosť je vždy daná vzhľadom na nejaký referenčný systém a mení sa pri prechode z jedného referenčného systému do druhého.
Teraz sa pozorne pozrite na obrázok 12. Aký je rozdiel medzi obrázkami a a b? Na obrázku 6 sa náboje pohybujú. Ale tento pohyb je len v určitom nami zvolenom referenčnom rámci. Môžeme si vybrať iný referenčný rámec, v ktorom sú oba náboje stacionárne. A potom magnetická sila zmizne. To naznačuje, že elektrické a magnetické sily sú sily rovnakej povahy.
A skutočne je. Skúsenosti ukazujú, že existuje jediný elektromagnetická sila, pôsobiace medzi nábojmi, čo sa v rôznych referenčných sústavách prejavuje rôzne. Podľa toho môžeme hovoriť o singli elektromagnetického poľa, čo je kombinácia dvoch polí – elektrického a magnetického. V rôznych referenčných systémoch sa elektrické a magnetické zložky elektromagnetického poľa môžu prejavovať rôznymi spôsobmi. Najmä sa môže ukázať, že v niektorom referenčnom rámci zmizne elektrická alebo magnetická zložka elektromagnetického poľa.
Z relativity pohybu vyplýva, že elektrická interakcia a magnetická interakcia sú dve zložky jedinej elektromagnetickej interakcie.
Ale ak je to tak, potom sa záver týkajúci sa elektrického poľa môže zopakovať.
Elektromagnetickú silu vytvorenú určitým systémom nábojov a pôsobiacu na skúšobný náboj možno znázorniť ako pôsobenie elektromagnetického poľa vytvoreného všetkými nábojmi (okrem skúšobného náboja) na skúšobný náboj.
Mnohé sily pôsobiace na teleso nachádzajúce sa vo vákuu alebo v spojitom prostredí možno znázorniť ako výsledok pôsobenia zodpovedajúcich polí na teleso. Medzi takéto sily patria najmä gravitačné a elektromagnetické sily.
- Koľkokrát je gravitačná sila pôsobiaca na vás zo Zeme väčšia ako gravitačná sila pôsobiaca od Slnka? (Hmotnosť Slnka je 330 000-krát väčšia ako hmotnosť Zeme a vzdialenosť od Zeme k Slnku je 150 miliónov km.)
- Magnetická sila pôsobiaca medzi dvoma nábojmi, podobne ako elektrická sila, je úmerná súčinu nábojov. Kam budú smerovať magnetické sily, ak sa na obrázku 12 b jeden z nábojov nahradí nábojom opačného znamienka?
- Kam budú smerovať magnetické sily na obrázku 12, b, ak sa rýchlosť oboch nábojov zmení na opačnú?
Otvorte dlaň ľavej ruky a narovnajte všetky prsty. Ohnite palec pod uhlom 90 stupňov vzhľadom na všetky ostatné prsty, v rovnakej rovine ako vaša dlaň.
Predstavte si, že štyri prsty dlane, ktoré držíte pri sebe, ukazujú smer rýchlosti náboja, ak je kladný, alebo opačný smer rýchlosti, ak je náboj záporný.
Do dlane sa tak dostane vektor magnetickej indukcie, ktorý smeruje vždy kolmo na rýchlosť. Teraz sa pozrite, kam smeruje váš palec – toto je smer Lorentzovej sily.
Lorentzova sila môže byť nulová a nemá žiadnu vektorovú zložku. K tomu dochádza, keď je trajektória nabitej častice rovnobežná s magnetickými siločiarami. V tomto prípade má častica priamu dráhu a konštantnú rýchlosť. Lorentzova sila žiadnym spôsobom neovplyvňuje pohyb častice, pretože v tomto prípade úplne chýba.
V najjednoduchšom prípade má nabitá častica trajektóriu pohybu kolmú na siločiary magnetického poľa. Potom Lorentzova sila vytvorí dostredivé zrýchlenie, ktoré núti nabitú časticu pohybovať sa po kruhu.
Poznámka
Lorentzovu silu objavil v roku 1892 Hendrik Lorentz, fyzik z Holandska. Dnes sa pomerne často používa v rôznych elektrických spotrebičoch, ktorých pôsobenie závisí od trajektórie pohybujúcich sa elektrónov. Ide napríklad o katódové trubice v televízoroch a monitoroch. Všetky druhy urýchľovačov, ktoré urýchľujú nabité častice na obrovské rýchlosti pomocou Lorentzovej sily, nastavujú dráhy ich pohybu.
Užitočné rady
Špeciálnym prípadom Lorentzovej sily je sila Ampéra. Jeho smer sa vypočíta pomocou pravidla ľavej ruky.
Zdroje:
- Lorentzova sila
- Lorentzove sila pravidlo ľavej ruky
Vplyv magnetického poľa na vodič s prúdom znamená, že magnetické pole ovplyvňuje pohybujúce sa elektrické náboje. Sila pôsobiaca na pohybujúcu sa nabitú časticu z magnetického poľa sa nazýva Lorentzova sila na počesť holandského fyzika H. Lorentza
Inštrukcie
Sila - znamená, že môžete určiť jej číselnú hodnotu (modul) a smer (vektor).
Modul Lorentzovej sily (Fl) sa rovná pomeru modulu sily F pôsobiaceho na úsek vodiča s prúdom dĺžky ∆l k počtu N nabitých častíc pohybujúcich sa usporiadaným spôsobom na tomto úseku vodiča. vodič: Fl = F/N ( 1). Vďaka jednoduchým fyzikálnym transformáciám možno silu F znázorniť v tvare: F= q*n*v*S*l*B*sina (vzorec 2), kde q je náboj pohybujúcej sa jednotky, n je na úsek vodiča, v je rýchlosť častice, S je plocha prierezu úseku vodiča, l je dĺžka úseku vodiča, B je magnetická indukcia, sina je sínus uhla medzi rýchlosťou a indukčné vektory. A preveďte počet pohybujúcich sa častíc do tvaru: N=n*S*l (vzorec 3). Nahraďte vzorce 2 a 3 do vzorca 1, znížte hodnoty n, S, l, pre Lorentzovu silu sa ukáže: Fл = q*v*B*sin a. To znamená, že na vyriešenie jednoduchých problémov hľadania Lorentzovej sily definujte v podmienke úlohy nasledujúce fyzikálne veličiny: náboj pohybujúcej sa častice, jej rýchlosť, indukciu magnetického poľa, v ktorom sa častica pohybuje, a uhol medzi rýchlosť a indukciu.
Pred vyriešením úlohy sa uistite, že všetky veličiny sú merané v jednotkách, ktoré si navzájom zodpovedajú alebo zodpovedajú medzinárodnému systému. Ak chcete získať odpoveď v newtonoch (N - jednotka sily), náboj sa musí merať v coulombách (K), rýchlosť - v metroch za sekundu (m/s), indukcia - v tesle (T), sínus alfa - nie je merateľný číslo.
Príklad 1. V magnetickom poli, ktorého indukcia je 49 mT, sa nabitá častica s veľkosťou 1 nC pohybuje rýchlosťou 1 m/s. Vektory rýchlosti a magnetickej indukcie sú navzájom kolmé.
Riešenie. B = 49 mT = 0,049 T, q = 1 nC = 10^ (-9) C, v = 1 m/s, sin a = 1, Fl = ?
Fl = q*v*B*sin a = 0,049 T* 10^ (-9) C* 1 m/s* 1 = 49* 10^(12).
Smer Lorentzovej sily je určený pravidlom ľavej ruky. Na jeho aplikáciu si predstavte nasledujúci vzťah troch na seba kolmých vektorov. Umiestnite ľavú ruku tak, aby vektor magnetickej indukcie vstúpil do dlane, štyri prsty smerujú k pohybu pozitívnej (proti pohybu negatívnej) častice, potom palec ohnutý o 90 stupňov bude ukazovať smer Lorentzovej sily (pozri obrázok).
Lorentzova sila je aplikovaná v televíznych trubiciach monitorov a televízorov.
Zdroje:
- G. Ya Myakishev, B.B. Bukhovcev. Učebnica fyziky. 11. ročník Moskva. "Vzdelávanie". 2003
- riešenie problémov na Lorentzovej sile
Skutočný smer prúdu je smer, v ktorom sa pohybujú nabité častice. To zase závisí od znamenia ich náboja. Okrem toho technici používajú podmienený smer pohybu náboja, ktorý nezávisí od vlastností vodiča.
Inštrukcie
Ak chcete určiť skutočný smer pohybu nabitých častíc, postupujte podľa nasledujúceho pravidla. Vo vnútri zdroja vyletujú z elektródy, ktorá je nabitá opačným znamienkom, a pohybujú sa smerom k elektróde, ktorá z tohto dôvodu získava náboj podobný znamienku ako častice. Vo vonkajšom obvode sú vyťahované elektrickým poľom z elektródy, ktorej náboj sa zhoduje s nábojom častíc, a sú priťahované k opačne nabitému.
V kove sú nosičmi prúdu voľné elektróny pohybujúce sa medzi kryštalickými uzlami. Keďže tieto častice sú negatívne nabité, zvážte ich pohyb z kladnej na zápornú elektródu vo vnútri zdroja a z zápornej na kladnú vo vonkajšom obvode.
V nekovových vodičoch nesú náboj aj elektróny, ale mechanizmus ich pohybu je odlišný. Elektrón, ktorý opúšťa atóm a tým ho mení na kladný ión, spôsobí, že zachytí elektrón z predchádzajúceho atómu. Ten istý elektrón, ktorý opustí atóm, negatívne ionizuje nasledujúci. Proces sa neustále opakuje, pokiaľ je v obvode prúd. Smer pohybu nabitých častíc sa v tomto prípade považuje za rovnaký ako v predchádzajúcom prípade.
Existujú dva typy polovodičov: s elektrónovou a dierovou vodivosťou. V prvom sú nosičmi elektróny, a preto možno smer pohybu častíc v nich považovať za rovnaký ako v kovoch a nekovových vodičoch. V druhom nesú náboj virtuálne častice – diery. Zjednodušene môžeme povedať, že ide o akési prázdne priestory, v ktorých nie sú žiadne elektróny. V dôsledku striedavého posunu elektrónov sa otvory pohybujú v opačnom smere. Ak skombinujete dva polovodiče, z ktorých jeden má elektronickú a druhý dierovú vodivosť, takéto zariadenie, nazývané dióda, bude mať usmerňovacie vlastnosti.
Vo vákuu je náboj prenášaný elektrónmi pohybujúcimi sa z vyhrievanej elektródy (katódy) na studenú (anódu). Všimnite si, že keď sa dióda usmerní, katóda je záporná vzhľadom na anódu, ale vzhľadom na spoločný vodič, ku ktorému je pripojená koncovka sekundárneho vinutia transformátora oproti anóde, je katóda kladne nabitá. Nie je tu žiadny rozpor vzhľadom na prítomnosť poklesu napätia na akejkoľvek dióde (vákuovej aj polovodičovej).
V plynoch nesú náboj kladné ióny. Smer pohybu nábojov v nich považujte za opačný ako smer ich pohybu v kovoch, nekovových pevných vodičoch, vo vákuu, ako aj v polovodičoch s elektronickou vodivosťou a podobný smeru ich pohybu v polovodičoch s dierovou vodivosťou . Ióny sú oveľa ťažšie ako elektróny, a preto majú plynové výbojky vysokú zotrvačnosť. Iónové zariadenia so symetrickými elektródami nemajú jednosmernú vodivosť, ale tie s asymetrickými elektródami ju majú v určitom rozsahu rozdielov potenciálov.
V kvapalinách je náboj vždy prenášaný ťažkými iónmi. V závislosti od zloženia elektrolytu môžu byť negatívne alebo pozitívne. V prvom prípade uvažujte, že sa správajú podobne ako elektróny a v druhom, podobne ako kladné ióny v plynoch alebo diery v polovodičoch.
Pri špecifikovaní smeru prúdu v elektrickom obvode, bez ohľadu na to, kde sa nabité častice skutočne pohybujú, zvážte ich pohyb v zdroji z negatívneho na pozitívny a vo vonkajšom okruhu z pozitívneho na negatívny. Uvedený smer sa považuje za podmienený a bol prijatý pred objavením štruktúry atómu.
Zdroje:
- smer prúdu
Už v 6. stor. BC. V Číne bolo známe, že niektoré rudy majú schopnosť sa navzájom priťahovať a priťahovať železné predmety. Kúsky takýchto rúd sa našli neďaleko mesta Magnesia v Malej Ázii, preto dostali meno magnety.
Ako sa vzájomne ovplyvňujú magnety a železné predmety? Pripomeňme si, prečo priťahujú elektrifikovaný telá? Pretože v blízkosti elektrického náboja vzniká zvláštna forma hmoty - elektrické pole. V okolí magnetu je podobná forma hmoty, ktorá má však inú povahu pôvodu (predsa len, ruda je elektricky neutrálna), tzv. magnetické pole.
Na štúdium magnetického poľa sa používajú priame alebo podkovovité magnety. Určité miesta na magnete majú najväčší príťažlivý účinok, nazývajú sa palice(sever a juh). Opačné magnetické póly sa priťahujú a podobne ako magnetické póly sa odpudzujú.
Pre pevnostné charakteristiky magnetického poľa použite vektor indukcie magnetického poľa B. Magnetické pole je graficky znázornené pomocou siločiar ( magnetické indukčné čiary). Riadky sú uzavreté, nemajú začiatok ani koniec. Miesto, z ktorého vychádzajú magnetické čiary, je severný pól, magnetické čiary vstupujú na južný pól.
Magnetické pole možno „zviditeľniť“ pomocou železných pilín.
Magnetické pole vodiča s prúdom
A teraz o tom, čo sme našli Hans Christian Oersted A Andre Marie Ampere v roku 1820. Ukazuje sa, že magnetické pole neexistuje len okolo magnetu, ale aj okolo akéhokoľvek vodiča s prúdom. Akýkoľvek drôt, napríklad kábel lampy, ktorý vedie vodu elektriny, je magnet! Drôt s prúdom interaguje s magnetom (skúste držať v jeho blízkosti kompas), dva vodiče s prúdom interagujú navzájom.
Magnetické siločiary jednosmerného prúdu sú kruhy okolo vodiča.
Vektorový smer magnetickej indukcie
Smer magnetického poľa v danom bode možno definovať ako smer označený severným pólom strelky kompasu umiestnenej v tomto bode.
Smer magnetických indukčných čiar závisí od smeru prúdu vo vodiči.
Smer vektora indukcie sa určuje podľa pravidla gimlet alebo vládnuť pravá ruka.
Vektor magnetickej indukcie
Toto vektorové množstvo, charakterizujúce silové pôsobenie poľa.
Indukcia magnetického poľa nekonečného priameho vodiča s prúdom vo vzdialenosti r od neho:
Indukcia magnetického poľa v strede tenkej kruhovej cievky s polomerom r:
Indukcia magnetického poľa solenoid(cievka, ktorej závitmi postupne prechádza prúd v jednom smere):
Princíp superpozície
Ak je magnetické pole v danom bode v priestore vytvorené niekoľkými zdrojmi poľa, potom magnetická indukcia je vektorový súčet indukcií každého poľa samostatne
Zem nie je len veľká záporný náboj a zdrojom elektrického poľa, no zároveň je magnetické pole našej planéty podobné poľu priameho magnetu gigantických rozmerov.
Geografický juh je blízko magnetickému severu a geografický sever je blízko magnetickému juhu. Ak je v magnetickom poli Zeme umiestnený kompas, jeho severná šípka je orientovaná pozdĺž čiar magnetickej indukcie v smere južného magnetického pólu, to znamená, že nám ukáže, kde sa nachádza geografický sever.
Charakteristické prvky zemského magnetizmu sa v priebehu času menia veľmi pomaly - svetské zmeny. Z času na čas sa však vyskytnú magnetické búrky, kedy sa magnetické pole Zeme na niekoľko hodín značne skreslí a potom sa postupne vráti na predchádzajúce hodnoty. Takáto drastická zmena ovplyvňuje blaho ľudí.
Magnetické pole Zeme je „štít“, ktorý chráni našu planétu pred časticami prenikajúcimi z vesmíru („slnečný vietor“). V blízkosti magnetických pólov sa toky častíc približujú oveľa bližšie k povrchu Zeme. Počas silných slnečných erupcií sa magnetosféra deformuje a tieto častice sa môžu presunúť do horných vrstiev atmosféry, kde sa zrážajú s molekulami plynu a vytvárajú polárne žiary.
Častice oxidu železitého na magnetickom filme sú počas procesu záznamu vysoko magnetizované.
Magnetické levitačné vlaky kĺžu po povrchoch absolútne bez trenia. Vlak je schopný dosiahnuť rýchlosť až 650 km/h.
Práca mozgu, pulzácia srdca je sprevádzaná elektrickými impulzmi. V tomto prípade sa v orgánoch objaví slabé magnetické pole.
Už dlho je známe, že kúsky magnetickej železnej rudy sú schopné priťahovať kovové predmety: klince, orechy, kovové piliny, ihly atď. Príroda ich obdarila touto schopnosťou. Toto prírodné magnety .
Vystavme železnú tyč prírodnému magnetu. Po určitom čase sa zmagnetizuje a začne priťahovať iné kovové predmety. Blok sa stal umelý magnet . Odstránime magnet. Ak magnetizácia zmizne, potom hovoríme o dočasná magnetizácia . Ak to zostane, potom pred nami permanentný magnet.
Konce magnetu, ktoré najsilnejšie priťahujú kovové predmety, sa nazývajú póly magnetu. Atrakcia je najslabšia v jej strednom pásme. Volajú ju neutrálna zóna .
Ak na strednú časť magnetu pripevníte závit a necháte ho voľne sa otáčať, keď ho zavesíte na statív, otočí sa tak, že jeden z jeho pólov bude orientovaný striktne na sever a druhý striktne na juh. Koniec magnetu smerujúci na sever sa nazýva severný pól(N) a naopak – južná(S).
Magnetická interakcia
Magnet priťahuje iné magnety bez toho, aby sa ich dotkol. Ako póly rôznych magnetov sa odpudzujú a opačné póly sa priťahujú. Nie je pravda, že to pripomína interakciu elektrických nábojov?
Elektrické náboje sa navzájom ovplyvňujú elektrické pole , ktoré sa okolo nich vytvorili. Permanentné magnety interagujú na diaľku, pretože existuje a magnetické pole .
Fyzici 19. storočia sa pokúšali prezentovať magnetické pole ako analóg elektrostatického poľa. Póly magnetu považovali za kladné a záporné magnetické náboje (severný a južný pól). Čoskoro si však uvedomili, že izolované magnetické náboje neexistujú.
Nazývajú sa dva elektrické náboje rovnakej veľkosti, ale rôzneho znamienka elektrický dipól . Magnet má dva póly a je magnetický dipól .
Náboje v elektrickom dipóle možno ľahko od seba oddeliť prerezaním vodiča na dve časti, v ktorých sa nachádzajú v rôznych častiach. Ale s magnetom to nebude fungovať. Rovnakým rozdelením permanentného magnetu získame dva nové magnety, z ktorých každý bude mať tiež dva magnetické póly.
Telesá, ktoré majú vlastné magnetické pole, sa nazývajú magnety . Rôzne materiály k nim priťahujú rôzne. Závisí to od štruktúry materiálu. Vlastnosť materiálov vytvárať magnetické pole vplyvom vonkajšieho magnetického poľa je tzv magnetizmus .
Najviac priťahujú magnety feromagnetiká. Navyše, ich vlastné magnetické pole, vytvorené molekulami, atómami alebo iónmi, je stokrát väčšie ako vonkajšie magnetické pole, ktoré ho spôsobilo. Feromagnetické prvky sú také chemické prvky ako železo, kobalt, nikel, ako aj niektoré zliatiny.
Paramagnety – látky, ktoré sú magnetizované vo vonkajšom poli v jeho smere. Sú slabo priťahované magnetmi. Chemické prvky hliník, sodík, horčík, soli železa, kobaltu, niklu atď. sú príklady paramagnetov.
Existujú však materiály, ktoré magnety nepriťahujú, ale odpudzujú. Nazývajú sa diamagnetické materiály. Sú magnetizované proti smeru vonkajšieho magnetického poľa, ale od magnetov sa odpudzujú dosť slabo. Ide o meď, striebro, zinok, zlato, ortuť atď.
Oerstedova skúsenosť
Nie sú to však len permanentné magnety, ktoré vytvárajú magnetické pole.
V roku 1820 dánsky fyzik Hans Christian Ørsted na jednej zo svojich prednášok na univerzite predviedol študentom experiment ohrievania drôtu z „voltaického stĺpa“. Jeden z drôtov elektrického obvodu skončil na sklenenom kryte námorného kompasu ležiaceho na stole. Keď vedec uzavrel elektrický obvod a drôtom tiekol prúd, strelka magnetického kompasu sa náhle vychýlila nabok. Samozrejme, Oersted si spočiatku myslel, že to bola len nehoda. Ale opakovaním experimentu za rovnakých podmienok dostal rovnaký výsledok. Potom začal meniť vzdialenosť od drôtu k šípke. Čím bola väčšia, tým slabšie sa ihla odchyľovala. Ale to nie je všetko. Prechodom prúdu cez drôty vyrobené z rôznych kovov zistil, že aj tie, ktoré neboli magnetické, sa zrazu stali magnetmi, keď nimi prešiel elektrický prúd. Šípka sa vychýlila aj vtedy, keď ju od vodiča s prúdom oddeľovali sitá z materiálov, ktoré neviedli prúd: drevo, sklo, kamene. Dokonca aj keď bola umiestnená v nádrži s vodou, stále sa odchyľovala. Po prerušení elektrického obvodu sa strelka magnetického kompasu vrátila do pôvodného stavu. Toto znamenalo vodič, ktorým preteká elektrický prúd, vytvára magnetické pole, čo spôsobí, že šípka ukazuje určitým smerom.
Hans Christian Oersted
Magnetická indukcia
Silová charakteristika magnetického poľa je magnetická indukcia . Ide o vektorovú veličinu, ktorá určuje jej vplyv na pohyb nábojov v danom bode poľa.
Smer vektora magnetickej indukcie sa zhoduje so smerom severného pólu magnetickej ihly umiestnenej v magnetickom poli. Jednotkou merania magnetickej indukcie v sústave SI je tesla ( Tl) . Magnetická indukcia sa meria prístrojmi tzv Teslametre.
Ak sú vektory magnetickej indukcie poľa vo všetkých bodoch poľa rovnakej veľkosti a smeru, potom sa takéto pole nazýva rovnomerné.
Koncept sa nesmie zamieňať indukcia magnetického poľa A fenomén elektromagnetickej indukcie .
Graficky je magnetické pole znázornené pomocou siločiar.
Elektrické vedenie , alebo čiary magnetickej indukcie , sa nazývajú priamky, ktorých dotyčnice sa v danom bode zhodujú so smerom vektora magnetickej indukcie. Hustota týchto čiar odráža veľkosť vektora magnetickej indukcie.
Obrázok umiestnenia týchto čiar je možné získať jednoduchým experimentom. Rozsypaním železných pilín na kus hladkej lepenky alebo skla a umiestnením na magnet môžete vidieť, ako sú piliny usporiadané pozdĺž určitých línií. Tieto čiary sú vo forme magnetických siločiar.
Magnetické indukčné čiary sú vždy uzavreté. Nemajú začiatok ani koniec. Keď vychádzajú zo severného pólu, vstupujú do južného pólu a sú uzamknuté vo vnútri magnetu.
Polia s uzavretými vektorovými čiarami sa nazývajú vír. Preto je magnetické pole vírové. V každom bode má vektor magnetickej indukcie svoj vlastný smer. Je určená smerom magnetickej šípky v tomto bode alebo podľa gimletové pravidlo (pre magnetické pole okolo vodiča s prúdom).
Pravidlo gimlet (skrutka) a pravidlo pravej ruky
Tieto pravidlá umožňujú jednoducho a pomerne presne určiť smer magnetických indukčných čiar bez použitia akýchkoľvek fyzikálnych nástrojov.
Aby ste pochopili, ako to funguje gimletové pravidlo , predstavte si, že pravou rukou zaskrutkujeme vŕtačku alebo vývrtku.
Ak sa smer translačného pohybu závesu zhoduje so smerom pohybu prúdu vo vodiči, potom sa smer otáčania rukoväte zhoduje so smerom magnetických indukčných čiar.
Variáciou tohto pravidla je pravidlo pravej ruky .
Ak v duchu zovriete pravou rukou vodič s prúdom tak, že palec ohnutý o 90° ukazuje smer prúdu, potom zostávajúce prsty ukážu smer čiar magnetickej indukcie poľa vytvoreného týmto prúd a smer vektora magnetickej indukcie smerujúci tangenciálne k týmto čiaram.
Magnetický tok
Umiestnime plochý uzavretý obvod do rovnomerného magnetického poľa. Nazýva sa hodnota rovnajúca sa počtu siločiar prechádzajúcich povrchom obrysu magnetický tok .
Ф = В· S cosα ,
Kde F – veľkosť magnetického toku;
IN – modul indukčného vektora;
S – oblasť obrysu;
α – uhol medzi smerom vektora magnetickej indukcie a normálou (kolmou) na rovinu obrysu.
So zmenou uhla sklonu sa mení aj veľkosť magnetického toku.
Ak je rovina obrysu kolmá na magnetické pole ( α = 0), potom magnetický tok prechádzajúci cez ňu bude maximálny.
F max = V S
Ak je obvod umiestnený rovnobežne s magnetickým poľom ( α =90 0), potom sa prietok v tomto prípade bude rovnať nule.
Lorentzova sila
Vieme, že elektrické pole pôsobí na akékoľvek náboje bez ohľadu na to, či sú v pokoji alebo v pohybe. Magnetické pole môže ovplyvniť iba pohybujúce sa náboje.
Výraz pre silu pôsobiacu z magnetického poľa na jednotkový elektrický náboj, ktorý sa v ňom pohybuje, vytvoril holandský teoretický fyzik Hendrik Anton Lorenz Táto sila bola tzv Lorentzova sila .
Hendrik Anton Lorenz
Lorentzov silový modul je určený vzorcom:
F= q v B· sinα ,
Kde q – výška poplatku;
v - rýchlosť pohybu náboja v magnetickom poli;
B - modul vektora indukcie magnetického poľa;
α - uhol medzi vektorom indukcie a vektorom rýchlosti.
Kam smeruje Lorentzova sila? To sa dá ľahko určiť pomocou pravidlá ľavej ruky : « Ak umiestnite dlaň ľavej ruky tak, že štyri vystreté prsty ukazujú smer pohybu kladného elektrického náboja a siločiary magnetického poľa vstupujú do dlane, potom palec ohnutý o 90 0 ukáže smer pohybu kladného elektrického náboja. Lorentzova sila».
Amperov zákon
V roku 1820, keď Oersted zistil, že elektrický prúd vytvára magnetické pole, slávny francúzsky fyzik Andre Marie Ampere pokračujúci výskum interakcie medzi elektrickým prúdom a magnetom.
Andre Marie Ampere
V dôsledku experimentov to vedec zistil na priamy vodič s prúdom umiestneným v magnetickom poli s indukciou IN, sila pôsobí z poľaF úmerné sile prúdu a indukcii magnetického poľa. Tento zákon bol tzv Amperov zákon a bola privolaná sila Ampérová sila .
F= ja L · B· sinα ,
Kde ja – sila prúdu vo vodiči;
L - dĺžka vodiča v magnetickom poli;
B - modul vektora indukcie magnetického poľa;
α - uhol medzi vektorom magnetického poľa a smerom prúdu vo vodiči.
Ampérová sila má maximálnu hodnotu, ak je uhol α rovná sa 900.
Smer ampérovej sily, podobne ako Lorentzova sila, je tiež pohodlne určený pravidlom ľavej ruky.
Ľavú ruku umiestnime tak, aby štyri prsty ukazovali smer prúdu a siločiary vstupujú do dlane. Potom palec ohnutý o 90 0 bude ukazovať smer ampérovej sily.
Vedec to zistil pri pozorovaní interakcie dvoch tenkých vodičov s prúdom paralelné vodiče s prúdom sa priťahujú, ak prúdy v nich tečú rovnakým smerom, a odpudzujú, ak sú smery prúdov opačné.
Magnetické pole Zeme
Naša planéta je obrovský permanentný magnet, okolo ktorého je magnetické pole. Tento magnet má severný a južný pól. V ich blízkosti je magnetické pole Zeme najsilnejšie. Ihla kompasu je nastavená pozdĺž magnetických čiar. Jeden jej koniec smeruje k severnému pólu, druhý k juhu.
Magnetické póly Zeme z času na čas menia miesto. Pravda, nestáva sa to často. Za posledných milión rokov sa to stalo 7-krát.
Magnetické pole chráni Zem pred kozmickým žiarením, ktoré má deštruktívny vplyv na všetko živé.
Magnetické pole Zeme je ovplyvnené o slnečný vietor, čo je prúd ionizovaných častíc unikajúci zo slnečnej koróny obrovskou rýchlosťou. Zintenzívňuje sa najmä počas slnečných erupcií. Častice letiace okolo našej planéty vytvárajú dodatočné magnetické polia, v dôsledku čoho sa menia charakteristiky magnetického poľa Zeme. vznikajú magnetické búrky. Pravda, netrvajú dlho. A po určitom čase sa magnetické pole obnoví. Môžu však spôsobiť veľa problémov, pretože ovplyvňujú prevádzku elektrického vedenia a rádiovej komunikácie, spôsobujú poruchy v prevádzke rôznych zariadení a zhoršujú fungovanie ľudského kardiovaskulárneho, dýchacieho a nervového systému. Ľudia, ktorí sú závislí od počasia, sú na ne obzvlášť citliví.
