یکی از مهم ترین بخش های فیزیک مدرن، برهمکنش های الکترومغناطیسی و تمام تعاریف مربوط به آنها است. این تعامل است که همه پدیده های الکتریکی را توضیح می دهد. از آنجایی که نور تابش الکترومغناطیسی است، نظریه الکتریسیته بسیاری از حوزه‌های دیگر از جمله اپتیک را پوشش می‌دهد. در این مقاله سعی خواهیم کرد تا ماهیت جریان الکتریکی و نیروی مغناطیسی را به زبانی قابل فهم و قابل فهم توضیح دهیم.
مغناطیس پایه و اساس پایه ها است
در دوران کودکی، بزرگسالان ترفندهای جادویی مختلفی را با استفاده از آهنربا به ما نشان می دادند. این مجسمه های شگفت انگیز که جذب یکدیگر می شوند و می توانند اسباب بازی های کوچک را به خود جذب کنند، همیشه چشمان بچه ها را خشنود کرده اند. آهنرباها چیست و نیروی مغناطیسی چگونه بر قطعات آهن اثر می کند؟
برای توضیح به زبان علمی، باید به یکی از قوانین اساسی فیزیک مراجعه کنید. بر اساس قانون کولن و نظریه نسبیت خاص، نیروی معینی بر بار وارد می شود که با سرعت خود بار رابطه مستقیم دارد (v). این تعامل نامیده می شودنیروی مغناطیسی.
ویژگی های فیزیکی
به طور کلی، باید درک کرد که هر پدیده مغناطیسی تنها زمانی رخ می دهد که بارها در داخل هادی یا در حضور جریان در آنها حرکت کنند. هنگام مطالعه آهنرباها و تعریف خاصی از مغناطیس، باید درک کرد که آنها ارتباط نزدیکی با پدیده جریان الکتریکی دارند. بنابراین، بیایید ماهیت جریان الکتریکی را درک کنیم.
نیروی الکتریکی نیرویی است که بین الکترون و پروتون عمل می کند. از نظر عددی بسیار بیشتر از مقدار نیروی گرانش است. این توسط یک بار الکتریکی، یا بهتر است بگوییم، با حرکت آن در داخل هادی ایجاد می شود. اتهامات نیز به نوبه خود دو نوع هستند: مثبت و منفی. همانطور که می دانید ذرات دارای بار مثبت به سمت ذرات دارای بار منفی جذب می شوند. با این حال، بارهای یک علامت تمایل دارند یکدیگر را دفع کنند.
بنابراین، وقتی همین بارها در هادی شروع به حرکت می کنند، جریان الکتریکی در آن ایجاد می شود که به عنوان نسبت مقدار باری که در 1 ثانیه از هادی عبور می کند توضیح داده می شود. نیروی وارد بر هادی با جریان در میدان مغناطیسی، نیروی آمپر نامیده می شود و بر اساس قانون "دست چپ" یافت می شود.
داده‌های تجربی
وقتی با آهنرباهای دائمی، سلف ها، رله ها یا موتورهای الکتریکی سروکار دارید، می توانید در زندگی روزمره با تعامل مغناطیسی روبرو شوید. هر یک از آنها دارای یک میدان مغناطیسی است که با چشم قابل مشاهده نیست. می توان آن را تنها با عمل خود، که آن را ردیابی کردبر ذرات متحرک و اجسام مغناطیسی تأثیر می گذارد.
نیروی وارد بر هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی توسط فیزیکدان فرانسوی آمپر مورد مطالعه و توصیف قرار گرفت. نه تنها این نیرو به نام او نامگذاری شده است، بلکه میزان قدرت فعلی نیز وجود دارد. در مدرسه، قوانین آمپر به عنوان قوانین دست "چپ" و "راست" تعریف می شود.
ویژگی های میدان مغناطیسی
باید درک کرد که یک میدان مغناطیسی همیشه نه تنها در اطراف منابع جریان الکتریکی، بلکه در اطراف آهنرباها نیز رخ می دهد. او معمولاً با خطوط مغناطیسی نیرو به تصویر کشیده می شود. از نظر گرافیکی، به نظر می رسد که یک ورق کاغذ روی آهنربا گذاشته شده و براده های آهن روی آن ریخته شده است. آنها دقیقاً شبیه تصویر زیر خواهند بود.
در بسیاری از کتاب های مشهور فیزیک، نیروی مغناطیسی در نتیجه مشاهدات تجربی معرفی شده است. این یک نیروی بنیادی جداگانه طبیعت در نظر گرفته می شود. چنین تصوری اشتباه است؛ در واقع وجود نیروی مغناطیسی از اصل نسبیت ناشی می شود. غیبت او این اصل را نقض می کند.
هیچ چیز اساسی در مورد نیروی مغناطیسی وجود ندارد - این فقط یک نتیجه نسبیتی از قانون کولن است.
استفاده از آهنربا
بر اساس افسانه، در قرن اول پس از میلاد در جزیره مگنزیا، یونانیان باستان سنگ های غیر معمولی را کشف کردند که خواص شگفت انگیزی داشتند. آنها هر چیزی که از آهن یا فولاد ساخته شده بود را به سمت خود جذب می کردند. یونانی ها شروع به بیرون بردن آنها از جزیره و مطالعه اموال آنها کردند. و وقتی سنگ ها به دست خیابان افتادجادوگران، آنها در تمام اجراهای خود به دستیاران ضروری تبدیل شده اند. با استفاده از قدرت سنگ های مغناطیسی، آنها توانستند نمایش فوق العاده ای خلق کنند که بینندگان زیادی را به خود جذب کرد.
هنگامی که سنگ ها در تمام نقاط جهان گسترش یافتند، افسانه ها و افسانه های مختلف در مورد آنها شروع به پخش شدن کردند. زمانی سنگ‌ها به چین ختم شدند، جایی که نامشان را از جزیره‌ای که در آن پیدا کردند نامگذاری کردند. آهنرباها موضوع مطالعه همه دانشمندان بزرگ آن زمان شد. توجه شده است که اگر یک سنگ آهن مغناطیسی را روی یک شناور چوبی قرار دهید، آن را تعمیر کنید و سپس آن را بچرخانید، سعی می کند به حالت اولیه خود بازگردد. به زبان ساده، نیروی مغناطیسی وارد بر آن سنگ آهن را به روشی معین می چرخاند.
با استفاده از این خاصیت آهنربا، دانشمندان قطب نما را اختراع کردند. روی یک شکل گرد ساخته شده از چوب یا چوب پنبه، دو تیر اصلی کشیده شده و یک سوزن مغناطیسی کوچک نصب شده است. این طرح در یک کاسه کوچک پر از آب قرار داده شد. با گذشت زمان، مدل های قطب نما بهبود یافته و دقیق تر شده اند. آنها نه تنها توسط ملوانان، بلکه توسط گردشگران معمولی که دوست دارند مناطق بیابانی و کوهستانی را کاوش کنند، استفاده می کنند.
تجارب جالب
دانشمند هانس ارستد تقریباً تمام زندگی خود را وقف الکتریسیته و آهنربا کرد. یک روز در طی یک سخنرانی در دانشگاه، او تجربه زیر را به شاگردانش نشان داد. او جریانی را از یک هادی مسی معمولی عبور داد، پس از مدتی هادی گرم شد و شروع به خم شدن کرد. این یک پدیده حرارتی بودجریان الکتریسیته. دانش آموزان این آزمایشات را ادامه دادند و یکی از آنها متوجه شد که جریان الکتریکی خاصیت جالب دیگری دارد. هنگامی که جریان در هادی جریان یافت، فلش قطب نما که در نزدیکی آن قرار داشت کم کم شروع به انحراف کرد. این دانشمند با مطالعه دقیق تر این پدیده، نیرویی را کشف کرد که به رسانایی در میدان مغناطیسی وارد می شود.
جریان آمپر در آهنربا
دانشمندان تلاش کرده اند یک بار مغناطیسی پیدا کنند، اما یک قطب مغناطیسی جدا شده پیدا نشد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که بر خلاف الکتریکی، بارهای مغناطیسی وجود ندارند. از این گذشته، در غیر این صورت، جدا کردن شارژ واحد به سادگی با شکستن یکی از انتهای آهنربا امکان پذیر خواهد بود. با این حال، این یک قطب مخالف جدید در انتهای دیگر ایجاد می کند.
در واقع هر آهنربایی یک سلونوئید است که در سطح آن جریان های درون اتمی در گردش است که به آنها جریان آمپر می گویند. به نظر می رسد که آهنربا را می توان به عنوان یک میله فلزی در نظر گرفت که جریان مستقیم از طریق آن در گردش است. به همین دلیل است که وارد کردن یک هسته آهنی به شیر برقی میدان مغناطیسی را به شدت افزایش می‌دهد.
انرژی مغناطیسی یا EMF
مثل هر پدیده فیزیکی، یک میدان مغناطیسی انرژی دارد که برای حرکت دادن یک بار به آن نیاز دارد. مفهوم EMF (نیروی محرکه الکتریکی) وجود دارد، به عنوان کار برای حرکت یک واحد شارژ از نقطه A0 به نقطه A1 تعریف می شود.
EMF با قوانین فارادی توصیف می شود که در سه فیزیکی مختلف اعمال می شود.موقعیت ها:
- مدار هدایت شده در میدان مغناطیسی یکنواخت ایجاد شده حرکت می کند. در این مورد، آنها از EMF مغناطیسی صحبت می کنند.
- کانتور در حال استراحت است، اما منبع میدان مغناطیسی خود در حال حرکت است. این در حال حاضر یک پدیده emf الکتریکی است.
- در نهایت مدار و منبع میدان مغناطیسی ساکن هستند، اما جریانی که میدان مغناطیسی را ایجاد می کند در حال تغییر است.
از نظر عددی، EMF طبق فرمول فارادی این است: EMF=W/q.
در نتیجه، نیروی الکتروموتور به معنای واقعی کلمه یک نیرو نیست، زیرا با ژول بر کولن یا ولت اندازه گیری می شود. به نظر می رسد که نشان دهنده انرژی است که هنگام دور زدن مدار به الکترون رسانا داده می شود. هر بار که دور بعدی قاب چرخان ژنراتور را انجام می دهد، الکترون انرژی عددی برابر با EMF به دست می آورد. این انرژی اضافی نه تنها می تواند در طول برخورد اتم ها در زنجیره بیرونی منتقل شود، بلکه به شکل گرمای ژول نیز آزاد می شود.
نیروی لورنتس و آهنربا
نیروی وارد بر جریان در میدان مغناطیسی با فرمول زیر تعیین می شود: q|v||B|sin a (محصول بار میدان مغناطیسی، واحدهای سرعت همان ذره ، بردار القاء میدان و سینوس زاویه بین جهات آنها). نیرویی که بر بار واحد متحرک در میدان مغناطیسی وارد می شود، نیروی لورنتس نامیده می شود. یک واقعیت جالب این است که قانون 3 نیوتن برای این نیرو نامعتبر است. این فقط از قانون بقای حرکت تبعیت می کند، به همین دلیل است که تمام مشکلات در یافتن نیروی لورنتس باید بر اساس آن حل شود. بیایید بفهمیم چگونهشما می توانید قدرت میدان مغناطیسی را تعیین کنید.
مشکلات و نمونه هایی از راه حل ها
برای یافتن نیرویی که در اطراف یک هادی با جریان ایجاد می شود، باید چند کمیت را بدانید: بار، سرعت آن و مقدار القای میدان مغناطیسی در حال ظهور. مشکل زیر به شما کمک می کند تا نحوه محاسبه نیروی لورنتس را درک کنید.
نیروی وارد بر پروتونی که با سرعت 10 میلی متر بر ثانیه در میدان مغناطیسی با القای 0.2 درجه سانتیگراد حرکت می کند را تعیین کنید (زاویه بین آنها 90o است. ، زیرا یک ذره باردار عمود بر خطوط القاء حرکت می کند). راه حل به یافتن شارژ برمی گردد. با نگاهی به جدول بارها، متوجه می‌شویم که پروتون دارای بار 1.610-19 کلر است. سپس نیرو را با استفاده از فرمول محاسبه می کنیم: 1, 610-19100, 21 (سینوس زاویه راست 1)=3, 2 10- 19 نیوتن.
