Einer der wichtigsten Bereiche der modernen Physik sind elektromagnetische Wechselwirkungen und alle damit verbundenen Definitionen. Es ist diese Wechselwirkung, die alle elektrischen Phänomene erklärt. Die Theorie der Elektrizität deckt viele andere Bereiche ab, einschließlich der Optik, da Licht elektromagnetische Strahlung ist. In diesem Artikel werden wir versuchen, das Wesen von elektrischem Strom und magnetischer Kraft in einer zugänglichen, verständlichen Sprache zu erklären.
Magnetismus ist das Fundament der Fundamente
Als Kinder zeigten uns Erwachsene verschiedene Zaubertricks mit Magneten. Diese erstaunlichen Figuren, die sich gegenseitig anziehen und kleine Spielsachen anziehen können, erfreuen schon immer die Augen der Kinder. Was sind Magnete und wie wirkt die Magnetkraft auf Eisenteile?
Um es in wissenschaftlicher Sprache zu erklären, musst du dich einem der Grundgesetze der Physik zuwenden. Nach dem Coulombschen Gesetz und der speziellen Relativitätstheorie wirkt auf die Ladung eine bestimmte Kraft, die direkt proportional zur Geschwindigkeit der Ladung selbst ist (v). Diese Interaktion wird aufgerufenMagnetkraft.
Körperliche Merkmale
Im Allgemeinen sollte verstanden werden, dass magnetische Phänomene nur auftreten, wenn sich Ladungen innerhalb des Leiters bewegen oder wenn Ströme in ihnen vorhanden sind. Beim Studium von Magneten und der eigentlichen Definition von Magnetismus sollte klar sein, dass sie eng mit dem Phänomen des elektrischen Stroms verbunden sind. Lassen Sie uns daher die Essenz des elektrischen Stroms verstehen.
Elektrische Kraft ist die Kraft, die zwischen einem Elektron und einem Proton wirkt. Er ist zahlenmäßig viel größer als der Wert der Gravitationskraft. Es entsteht durch eine elektrische Ladung bzw. durch deren Bewegung im Leiter. Ladungen wiederum sind von zwei Arten: positiv und negativ. Wie Sie wissen, werden positiv geladene Teilchen von negativ geladenen angezogen. Ladungen gleichen Vorzeichens neigen jedoch dazu, sich gegenseitig abzustoßen.
Also, wenn genau diese Ladungen beginnen, sich im Leiter zu bewegen, entsteht darin ein elektrischer Strom, der als Verhältnis der Ladungsmenge erklärt wird, die in 1 Sekunde durch den Leiter fließt. Die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt, heißt Amperekraft und wird nach der „Linke-Hand“-Regel ermittelt.
Erfahrungsdaten
Magnetische Wechselwirkungen begegnen dir im Alltag, wenn du mit Permanentmagneten, Induktoren, Relais oder Elektromotoren zu tun hast. Jeder von ihnen hat ein Magnetfeld, das für das Auge unsichtbar ist. Es kann nur durch seine Aktion verfolgt werden, die es istbeeinflusst bewegte Teilchen und magnetisierte Körper.
Die Kraft, die in einem Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt, wurde von dem französischen Physiker Ampère untersucht und beschrieben. Nicht nur diese Kraft ist nach ihm benannt, sondern auch die Größenordnung der Stromstärke. In der Schule werden die Gesetze von Ampère als die Regeln der "linken" und "rechten" Hand definiert.
Magnetfeldeigenschaften
Es sollte klar sein, dass ein Magnetfeld immer nicht nur um elektrische Stromquellen, sondern auch um Magnete herum auftritt. Er wird normalerweise mit magnetischen Kraftlinien dargestellt. Grafisch sieht es so aus, als ob ein Blatt Papier auf einen Magneten gelegt und Eisenspäne darüber gegossen würden. Sie sehen genauso aus wie auf dem Bild unten.
In vielen populären Büchern über Physik wird die magnetische Kraft als Ergebnis experimenteller Beobachtungen eingeführt. Es wird als separate grundlegende Naturkraft betrachtet. Eine solche Vorstellung ist falsch, denn tatsächlich folgt die Existenz einer magnetischen Kraft aus dem Relativitätsprinzip. Ihre Abwesenheit würde gegen dieses Prinzip verstoßen.
Die magnetische Kraft hat nichts Grundlegendes - sie ist nur eine relativistische Konsequenz aus dem Coulombschen Gesetz.
Magnete verwenden
Der Legende nach entdeckten die alten Griechen im ersten Jahrhundert nach Christus auf der Insel Magnesia ungewöhnliche Steine mit erstaunlichen Eigenschaften. Sie zogen alles an, was aus Eisen oder Stahl war. Die Griechen begannen, sie von der Insel zu nehmen und ihre Eigenschaften zu studieren. Und als die Steine in die Hände der Straße fielenZauberer sind sie zu unverzichtbaren Helfern bei all ihren Auftritten geworden. Mit der Kraft der magnetischen Steine konnten sie eine ganze fantastische Show erschaffen, die viele Zuschauer anzog.
Als sich die Steine in alle Teile der Welt ausbreiteten, begannen Legenden und verschiedene Mythen über sie zu kursieren. Einst landeten die Steine in China, wo sie nach der Insel benannt wurden, auf der sie gefunden wurden. Magnete wurden zum Studiengegenstand aller großen Wissenschaftler dieser Zeit. Es wurde festgestellt, dass, wenn Sie einen magnetischen Eisenstein auf einen Holzschwimmer legen, ihn befestigen und dann drehen, er versucht, in seine ursprüngliche Position zurückzukehren. Einfach ausgedrückt, die magnetische Kraft, die darauf wirkt, dreht das Eisenerz auf eine bestimmte Weise.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft von Magneten erfanden Wissenschaftler den Kompass. Auf eine runde Form aus Holz oder Kork wurden zwei Hauptstangen gezogen und eine kleine Magnetnadel angebracht. Dieses Design wurde in eine mit Wasser gefüllte kleine Schüssel abgesenkt. Im Laufe der Zeit haben sich Kompassmodelle verbessert und sind genauer geworden. Sie werden nicht nur von Seeleuten genutzt, sondern auch von gewöhnlichen Touristen, die gern Wüsten- und Berggebiete erkunden.
Interessante Erfahrungen
Wissenschaftler Hans Oersted hat fast sein ganzes Leben der Elektrizität und den Magneten gewidmet. Eines Tages, während einer Vorlesung an der Universität, zeigte er seinen Studenten die folgende Erfahrung. Er leitete einen Strom durch einen gewöhnlichen Kupferleiter, nach einer Weile erwärmte sich der Leiter und begann sich zu biegen. Es war ein thermisches Phänomenelektrischer Strom. Die Schüler setzten diese Experimente fort und einer von ihnen bemerkte, dass der elektrische Strom eine weitere interessante Eigenschaft hat. Wenn Strom im Leiter floss, begann der in der Nähe befindliche Kompasspfeil nach und nach abzuweichen. Bei genauerer Untersuchung dieses Phänomens entdeckte der Wissenschaftler die sogenannte Kraft, die auf einen Leiter in einem Magnetfeld einwirkt.
Ampereströme in Magneten
Wissenschaftler haben versucht, eine magnetische Ladung zu finden, aber ein isolierter Magnetpol konnte nicht gefunden werden. Dies erklärt sich dadurch, dass im Gegensatz zu elektrischen keine magnetischen Ladungen existieren. Denn ansonsten wäre es möglich, eine Einheitsladung abzutrennen, indem man einfach eines der Enden des Magneten abbricht. Allerdings entsteht dadurch am anderen Ende ein neuer Gegenpol.
Tatsächlich ist jeder Magnet ein Solenoid, auf dessen Oberfläche inneratomare Ströme zirkulieren, sie werden Ampère-Ströme genannt. Es stellt sich heraus, dass der Magnet als Metallstab betrachtet werden kann, durch den ein Gleichstrom fließt. Aus diesem Grund erhöht das Einbringen eines Eisenkerns in die Magnetspule das Magnetfeld stark.
Magnetenergie oder EMF
Wie jedes physikalische Phänomen hat ein Magnetfeld Energie, die benötigt wird, um eine Ladung zu bewegen. Es gibt das Konzept der EMF (elektromotorische Kraft), es ist definiert als die Arbeit, um eine Einheitsladung von Punkt A0 zu Punkt A1 zu bewegen.
Die EMF wird durch die Faradayschen Gesetze beschrieben, die in drei verschiedenen physikalischen Bereichen angewendet werdenSituationen:
- Der leitungsgebundene Stromkreis bewegt sich im erzeugten gleichförmigen Magnetfeld. In diesem Fall spricht man von magnetischer EMK.
- Die Kontur ruht, aber die Quelle des Magnetfeldes selbst bewegt sich. Dies ist bereits ein elektrisches EMK-Phänomen.
- Schließlich sind der Stromkreis und die Quelle des Magnetfelds stationär, aber der Strom, der das Magnetfeld erzeugt, ändert sich.
Numerisch ist die EMF nach der Faraday-Formel: EMF=W/q.
Folglich ist die elektromotorische Kraft keine Kraft im wörtlichen Sinne, da sie in Joule pro Coulomb oder in Volt gemessen wird. Es stellt sich heraus, dass es die Energie darstellt, die auf das Leitungselektron übertragen wird, wenn es den Stromkreis umgeht. Jedes Mal, wenn das Elektron die nächste Runde des rotierenden Rahmens des Generators macht, erhält es eine Energie, die numerisch gleich der EMF ist. Diese zusätzliche Energie kann nicht nur bei Stößen von Atomen in der äußeren Kette übertragen, sondern auch in Form von Joule'scher Wärme freigesetzt werden.
Lorentzkraft und Magnete
Die auf den Strom in einem Magnetfeld wirkende Kraft wird durch folgende Formel bestimmt: q|v||B|sin a (das Produkt aus der Magnetfeldladung, den Geschwindigkeitsmoduln desselben Teilchens, dem Feldinduktionsvektor und dem Sinus des Winkels zwischen ihren Richtungen). Die Kraft, die auf eine bewegte Einheitsladung in einem Magnetfeld wirkt, wird als Lorentzkraft bezeichnet. Eine interessante Tatsache ist, dass Newtons 3. Gesetz für diese Kraft ungültig ist. Sie gehorcht nur dem Impulserh altungssatz, weshalb alle Probleme bei der Findung der Lorentzkraft darauf aufbauend gelöst werden sollten. Lassen Sie uns herausfinden, wiekönnen Sie die Stärke des Magnetfelds bestimmen.
Probleme und Lösungsbeispiele
Um die Kraft zu finden, die um einen Leiter mit Strom entsteht, müssen Sie mehrere Größen kennen: die Ladung, ihre Geschwindigkeit und den Wert der Induktion des entstehenden Magnetfelds. Das folgende Problem wird Ihnen helfen zu verstehen, wie man die Lorentz-Kraft berechnet.
Bestimmen Sie die Kraft, die auf ein Proton wirkt, das sich mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s in einem Magnetfeld mit einer Induktion von 0,2 C bewegt (der Winkel zwischen ihnen beträgt 90°o, da sich ein geladenes Teilchen senkrecht zu den Induktionslinien bewegt). Die Lösung besteht darin, die Ladung zu finden. Wenn wir uns die Ladungstabelle ansehen, finden wir, dass das Proton eine Ladung von 1,610-19 Cl hat. Als nächstes berechnen wir die Kraft mit der Formel: 1, 610-19100, 21 (der Sinus des rechten Winkels ist 1)=3, 2 10- 19 Newton.
