Қазіргі физиканың ең маңызды бөлімдерінің бірі - электромагниттік әсерлесулер және оларға қатысты барлық анықтамалар. Дәл осы әрекеттесу барлық электрлік құбылыстарды түсіндіреді. Электр теориясы көптеген басқа салаларды, соның ішінде оптиканы қамтиды, өйткені жарық электромагниттік сәулелену болып табылады. Бұл мақалада біз электр тогы мен магниттік күштің мәнін қолжетімді, түсінікті тілде түсіндіруге тырысамыз.
Магнитизм - іргетастың негізі
Бала кезімізде ересектер магниттер арқылы бізге әртүрлі сиқырлы амалдарды көрсетті. Бірін-бірі баурап алатын, кішкентай ойыншықтарды тарта алатын бұл ғажайып мүсіншелер әрқашан балалардың көзін қуантты. Магниттер дегеніміз не және магниттік күш темір бөлшектерге қалай әсер етеді?
Ғылыми тілмен түсіндіре отырып, физиканың негізгі заңдарының біріне жүгіну керек. Кулон заңы және арнайы салыстырмалық теориясы бойынша зарядқа белгілі бір күш әсер етеді, ол зарядтың өзінің жылдамдығына (v) тура пропорционал. Бұл әрекеттесу деп аталадымагниттік күш.
Физикалық мүмкіндіктер
Жалпы кез келген магниттік құбылыстар тек өткізгіштің ішінде зарядтар қозғалғанда немесе оларда ток болған кезде ғана болатынын түсіну керек. Магниттерді және магнетизмнің анықтамасын зерттегенде, олардың электр тогы құбылысымен тығыз байланысты екенін түсіну керек. Сондықтан электр тогының мәнін түсінейік.
Электр күші – электрон мен протон арасында әрекет ететін күш. Ол гравитациялық күштің мәнінен сан жағынан әлдеқайда көп. Ол электр зарядымен, дәлірек айтсақ, оның өткізгіш ішіндегі қозғалысы арқылы пайда болады. Зарядтар, өз кезегінде, екі түрлі: оң және теріс. Өздеріңіз білетіндей, оң зарядталған бөлшектер теріс зарядтыларға тартылады. Дегенмен, бір белгідегі зарядтар бір-бірін итермелейді.
Сонымен, дәл осы зарядтар өткізгіште қозғала бастағанда, онда электр тогы пайда болады, ол өткізгіш арқылы 1 секундта өтетін заряд мөлшерінің қатынасы ретінде түсіндіріледі. Магнит өрісінде тогы бар өткізгішке әсер ететін күш Ампер күші деп аталады және «сол қол» ережесіне сәйкес табылады.
Эмпирикалық деректер
Тұрақты магниттермен, индукторлармен, релелермен немесе электр қозғалтқыштарымен жұмыс істегенде күнделікті өмірде магниттік өзара әрекеттесуді кездестіруге болады. Олардың әрқайсысында көзге көрінбейтін магнит өрісі бар. Оны тек оның әрекетінен байқауға боладықозғалатын бөлшектер мен магниттелген денелерге әсер етеді.
Магнит өрісіндегі тогы бар өткізгішке әсер ететін күшті француз физигі Ампер зерттеп, сипаттаған. Оның атымен тек бұл күш қана емес, сонымен бірге ток күші шамасы да аталған. Мектепте Ампер заңдары «сол» және «оң» қолдың ережелері ретінде анықталады.
Магнит өрісінің сипаттамалары
Магнит өрісі әрқашан электр тогы көздерінің айналасында ғана емес, магниттердің айналасында да болатынын түсіну керек. Ол әдетте магниттік күш сызықтарымен бейнеленген. Графикалық түрде магнитке бір жапырақ қағаз салынып, үстіне темір үгінділер құйылғандай көрінеді. Олар төмендегі суреттегідей болады.
Физика бойынша көптеген танымал кітаптарда магниттік күш тәжірибелік бақылаулар нәтижесінде енгізілген. Ол табиғаттың жеке іргелі күші болып саналады. Мұндай ой қате, шын мәнінде магниттік күштің болуы салыстырмалылық принципінен туындайды. Оның болмауы бұл принципті бұзады.
Магниттік күште негізгі ештеңе жоқ - бұл жай ғана Кулон заңының релятивистік салдары.
Магниттерді пайдалану
Аңыз бойынша біздің заманымыздың бірінші ғасырында Магнезия аралында ежелгі гректер таңғажайып қасиеттері бар ерекше тастарды тапқан. Олар темірден немесе болаттан жасалған кез келген нәрсені өздеріне тартты. Гректер оларды аралдан алып шығып, қасиеттерін зерттей бастады. Ал тастар көшенің қолына түскендесиқыршылар, олар өздерінің барлық қойылымдарында таптырмас көмекшілерге айналды. Магниттік тастардың күшін пайдалана отырып, олар көптеген көрермендерді қызықтыратын тұтас фантастикалық шоу жасай алды.
Тастар жер шарының түкпір-түкпіріне тараған сайын олар туралы аңыздар мен түрлі мифтер тарай бастады. Бірде тастар Қытайда аяқталды, онда олар табылған аралдың атымен аталған. Магниттер сол кездегі барлық ұлы ғалымдардың зерттеу нысанына айналды. Ағаш қалтқыға магнитті темір тасты қойып, оны бекітіп, содан кейін оны айналдырсаңыз, ол бұрынғы қалпына оралуға тырысатыны байқалды. Қарапайым тілмен айтқанда, оған әсер ететін магниттік күш темір рудасын белгілі бір жолмен айналдырады.
Магниттердің осы қасиетін пайдалана отырып, ғалымдар компасты ойлап тапты. Ағаштан немесе тығыннан жасалған дөңгелек пішінге екі негізгі тірек сызылып, кішкене магнитті ине орнатылды. Бұл дизайн су толтырылған шағын ыдысқа түсірілді. Уақыт өте келе компас үлгілері жетілдіріліп, дәлірек бола бастады. Оларды тек теңізшілер ғана емес, шөлді және таулы аймақтарды зерттегенді ұнататын қарапайым туристер де пайдаланады.
Қызықты тәжірибе
Ғалым Ганс Эрстед бүкіл өмірін дерлік электр және магнитке арнады. Бір күні университетте дәріс оқып отырып, студенттеріне мынадай жағдайды көрсетті. Ол кәдімгі мыс өткізгіш арқылы ток өткізді, біраз уақыттан кейін өткізгіш қызып, майыса бастады. Бұл жылулық құбылыс болдыэлектр тоғы. Оқушылар бұл тәжірибелерді жалғастырды, олардың бірі электр тогының тағы бір қызықты қасиеті бар екенін байқады. Өткізгіште ток өткен кезде жақын жерде орналасқан компастың көрсеткілері аздап ауытқи бастады. Бұл құбылысты егжей-тегжейлі зерттей отырып, ғалым магнит өрісіндегі өткізгішке әсер ететін күш деп аталатын нәрсені тапты.
Магниттердегі ампер токтары
Ғалымдар магниттік зарядты табуға тырысты, бірақ оқшауланған магниттік полюс табылмады. Бұл электрден айырмашылығы магниттік зарядтардың жоқтығымен түсіндіріледі. Өйткені, әйтпесе магниттің бір ұшын үзу арқылы бірлік зарядты бөлуге болады. Дегенмен, бұл екінші жағында жаңа қарама-қарсы полюс жасайды.
Шын мәнінде кез келген магнит соленоид болып табылады, оның бетінде атом ішілік токтар айналады, оларды Ампер токтары деп атайды. Магнитті тұрақты ток айналатын металл таяқша ретінде қарастыруға болады екен. Дәл осы себепті соленоидқа темір өзегін енгізу магнит өрісін айтарлықтай арттырады.
Магниттік энергия немесе ЭҚК
Кез келген физикалық құбылыс сияқты магнит өрісінің зарядты жылжыту үшін алатын энергиясы бар. ЭҚК (электр қозғаушы күш) түсінігі бар, ол бірлік зарядты A0 нүктесінен A1 нүктесіне жылжыту жұмысы ретінде анықталады.
ЭҚК Фарадей заңдарымен сипатталады, олар үш түрлі физикалық түрде қолданыладыжағдайлар:
- Өткізілген тізбек жасалған біркелкі магнит өрісінде қозғалады. Бұл жағдайда олар магниттік ЭҚК туралы айтады.
- Контур тыныштықта, бірақ магнит өрісінің көзінің өзі қозғалуда. Бұл әлдеқашан электрлік эмф құбылысы.
- Соңында, тізбек пен магнит өрісінің көзі тұрақты, бірақ магнит өрісін тудыратын ток өзгеруде.
Сандық түрде, Фарадей формуласы бойынша ЭҚК: ЭҚК=W/q.
Демек, электр қозғаушы күш тура мағынада күш емес, өйткені ол Джоуль/ Кулонмен немесе Вольтпен өлшенеді. Ол контурды айналып өткенде өткізгіш электронға берілетін энергияны білдіреді екен. Әр жолы, генератордың айналмалы жақтауының келесі айналымын жасай отырып, электрон ЭҚК-ке тең энергия алады. Бұл қосымша энергия сыртқы тізбектегі атомдардың соқтығысуы кезінде ғана берілмейді, сонымен қатар Джоуль жылуы түрінде де бөлінуі мүмкін.
Лоренц күші және магниттер
Магниттік өрістегі токқа әсер ететін күш келесі формуламен анықталады: q|v||B|sin a (магниттік өріс зарядының көбейтіндісі, бір бөлшектің жылдамдық модульдері)., өріс индукциясы векторы және олардың бағыттары арасындағы бұрыштың синусы). Магнит өрісінде қозғалатын бірлік зарядқа әсер ететін күш Лоренц күші деп аталады. Бір қызығы, бұл күш үшін Ньютонның 3-ші заңы жарамсыз. Ол импульстің сақталу заңына ғана бағынады, сондықтан Лоренц күшін табудағы барлық есептерді соның негізінде шешу керек. Қалай екенін анықтайықмагнит өрісінің күшін анықтауға болады.
Мәселелер мен шешімдер мысалдары
Тогы бар өткізгіштің айналасында пайда болатын күшті табу үшін бірнеше шамаларды білу керек: зарядты, оның жылдамдығын және пайда болатын магнит өрісінің индукциясының мәнін. Келесі есеп Лоренц күшін қалай есептеу керектігін түсінуге көмектеседі.
Индукциясы 0,2 С болатын магнит өрісінде 10 мм/с жылдамдықпен қозғалатын протонға әсер ететін күшті анықтаңыз (олардың арасындағы бұрыш 90o, өйткені зарядталған бөлшек индукция сызықтарына перпендикуляр қозғалады). Шешім зарядты табуға келеді. Зарядтар кестесіне қарасақ, протонның заряды 1,610-19 Cl. Әрі қарай, мына формула бойынша күшті есептейміз: 1, 610-19100, 21 (тік бұрыштың синусы 1)=3, 2 10- 19 Ньютон.
