Ժամանակակից ֆիզիկայի ամենակարևոր բաժիններից մեկը էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունն է և դրանց հետ կապված բոլոր սահմանումները: Հենց այս փոխազդեցությունն է բացատրում բոլոր էլեկտրական երեւույթները։ Էլեկտրականության տեսությունն ընդգրկում է շատ այլ ոլորտներ, ներառյալ օպտիկան, քանի որ լույսը էլեկտրամագնիսական ճառագայթում է: Այս հոդվածում մենք կփորձենք հասկանալի, հասկանալի լեզվով բացատրել էլեկտրական հոսանքի և մագնիսական ուժի էությունը։
Մագնիսիզմը հիմքերի հիմքն է
Մանկության տարիներին մեծերը մեզ ցույց էին տալիս տարբեր կախարդական հնարքներ՝ օգտագործելով մագնիսներ: Այս զարմանահրաշ արձանիկները, որոնք գրավում են միմյանց և կարող են գրավել փոքրիկ խաղալիքները, միշտ ուրախացրել են երեխաների աչքերը։ Ի՞նչ են մագնիսները և ինչպե՞ս է մագնիսական ուժը գործում երկաթի մասերի վրա:
Գիտական լեզվով բացատրելով՝ պետք է դիմել ֆիզիկայի հիմնական օրենքներից մեկին։ Համաձայն Կուլոնի օրենքի և հարաբերականության հատուկ տեսության՝ լիցքի վրա գործում է որոշակի ուժ, որն ուղիղ համեմատական է բուն լիցքի արագությանը (v)։ Այս փոխազդեցությունը կոչվում էմագնիսական ուժ.
Ֆիզիկական առանձնահատկություններ
Ընդհանուր առմամբ, պետք է հասկանալ, որ ցանկացած մագնիսական երևույթ տեղի է ունենում միայն այն ժամանակ, երբ լիցքերը շարժվում են հաղորդիչի ներսում կամ դրանցում հոսանքների առկայության դեպքում: Մագնիսները և մագնիսականության բուն սահմանումը ուսումնասիրելիս պետք է հասկանալ, որ դրանք սերտորեն կապված են էլեկտրական հոսանքի երևույթի հետ։ Այսպիսով, եկեք հասկանանք էլեկտրական հոսանքի էությունը:
Էլեկտրական ուժը այն ուժն է, որը գործում է էլեկտրոնի և պրոտոնի միջև: Այն թվային առումով շատ ավելի մեծ է, քան գրավիտացիոն ուժի արժեքը։ Այն առաջանում է էլեկտրական լիցքից, ավելի ճիշտ՝ հաղորդիչի ներսում նրա շարժմամբ։ Գանձումները, իրենց հերթին, լինում են երկու տեսակի՝ դրական և բացասական։ Ինչպես գիտեք, դրական լիցքավորված մասնիկները ձգվում են դեպի բացասական լիցքավորված մասնիկներ։ Այնուամենայնիվ, նույն նշանի մեղադրանքները հակված են միմյանց վանելու:
Այսպիսով, երբ հենց այս լիցքերը սկսում են շարժվել հաղորդիչում, դրա մեջ առաջանում է էլեկտրական հոսանք, որը բացատրվում է որպես հաղորդիչով 1 վայրկյանում հոսող լիցքի քանակի հարաբերակցություն։ Մագնիսական դաշտում հոսանք ունեցող հաղորդիչի վրա ազդող ուժը կոչվում է Ամպերի ուժ և հայտնաբերվում է «ձախ ձեռքի» կանոնի համաձայն։
Էմպիրիկ տվյալներ
Դուք կարող եք հանդիպել մագնիսական փոխազդեցության առօրյա կյանքում, երբ գործ ունեք մշտական մագնիսների, ինդուկտորների, ռելեների կամ էլեկտրական շարժիչների հետ: Նրանցից յուրաքանչյուրն ունի աչքի համար անտեսանելի մագնիսական դաշտ: Դրան կարելի է հետևել միայն իր գործողությամբ, որը նաազդում է շարժվող մասնիկների և մագնիսացված մարմինների վրա։
մագնիսական դաշտում հոսանք կրող հաղորդիչի վրա ազդող ուժը ուսումնասիրվել և նկարագրվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ամպերի կողմից։ Նրա անունով է կոչվում ոչ միայն այս ուժը, այլեւ ներկայիս ուժի մեծությունը։ Դպրոցում Ամպերի օրենքները սահմանվում են որպես «ձախ» և «աջ» ձեռքի կանոններ։
Մագնիսական դաշտի բնութագրեր
Պետք է հասկանալ, որ մագնիսական դաշտը միշտ առաջանում է ոչ միայն էլեկտրական հոսանքի աղբյուրների, այլև մագնիսների շուրջ։ Նա սովորաբար պատկերված է ուժի մագնիսական գծերով։ Գրաֆիկորեն թվում է, թե մագնիսների վրա թղթի թերթիկ է դրված, իսկ վերևում երկաթի թելեր են լցված։ Նրանք ճիշտ տեսք կունենան ստորև նկարում։
Ֆիզիկայի մասին հայտնի շատ գրքերում մագնիսական ուժը ներկայացվում է փորձարարական դիտարկումների արդյունքում: Այն համարվում է բնության առանձին հիմնարար ուժ։ Նման միտքը սխալ է, իրականում մագնիսական ուժի առկայությունը բխում է հարաբերականության սկզբունքից։ Նրա բացակայությունը կխախտի այս սկզբունքը։
Մագնիսական ուժի մեջ հիմնարար ոչինչ չկա, դա պարզապես Կուլոնի օրենքի հարաբերական հետևանքն է:
Օգտագործելով մագնիսներ
Ըստ լեգենդի՝ մեր թվարկության առաջին դարում Մագնեզիա կղզում հին հույները հայտնաբերել են անսովոր քարեր, որոնք ունեին զարմանալի հատկություններ։ Նրանք իրենց մեջ գրավում էին երկաթից կամ պողպատից պատրաստված ցանկացած բան։ Հույները սկսեցին նրանց դուրս բերել կղզուց և ուսումնասիրել նրանց ունեցվածքը: Իսկ երբ քարերն ընկան փողոցի ձեռքըաճպարարներ, նրանք դարձել են անփոխարինելի օգնականներ իրենց բոլոր ելույթներում։ Օգտագործելով մագնիսական քարերի ուժերը՝ նրանք կարողացան ստեղծել մի ամբողջ ֆանտաստիկ շոու, որը գրավեց բազմաթիվ հեռուստադիտողների:
Քարերը տարածվելով աշխարհի բոլոր ծայրերում, լեգենդներ և տարբեր առասպելներ սկսեցին շրջանառվել դրանց մասին: Մի անգամ քարերը հայտնվեցին Չինաստանում, որտեղ դրանք կոչվեցին այն կղզու պատվին, որում հայտնաբերվել էին: Մագնիսները դարձան այն ժամանակվա բոլոր մեծ գիտնականների ուսումնասիրության առարկան։ Նկատվել է, որ եթե մագնիսական երկաթաքար դնեք փայտե բոցի վրա, ամրացնեք այն, ապա շրջեք, այն կփորձի վերադառնալ իր սկզբնական դիրքին։ Պարզ ասած՝ դրա վրա ազդող մագնիսական ուժը որոշակի ձևով կշրջի երկաթի հանքաքարը։
Օգտագործելով մագնիսների այս հատկությունը՝ գիտնականները հայտնագործեցին կողմնացույցը: Փայտից կամ խցանից պատրաստված կլոր ձևի վրա գծվել են երկու հիմնական ձողեր և տեղադրվել փոքրիկ մագնիսական ասեղ։ Այս դիզայնը իջեցվել է ջրով լցված փոքրիկ ամանի մեջ: Ժամանակի ընթացքում կողմնացույցի մոդելները բարելավվել են և դարձել ավելի ճշգրիտ: Դրանք օգտագործում են ոչ միայն նավաստիները, այլև սովորական զբոսաշրջիկները, ովքեր սիրում են ուսումնասիրել անապատային և լեռնային տարածքները։
Հետաքրքիր փորձառություններ
Գիտնական Հանս Օերսթեդը գրեթե իր ողջ կյանքը նվիրել է էլեկտրականությանը և մագնիսներին: Մի օր համալսարանում դասախոսության ժամանակ նա իր ուսանողներին ցույց տվեց հետևյալ փորձառությունը. Սովորական պղնձե հաղորդիչի միջով հոսանք է անցել, որոշ ժամանակ անց հաղորդիչը տաքացել է ու սկսել ճկվել։ Ջերմային երեւույթ էրէլեկտրական հոսանք. Աշակերտները շարունակեցին այս փորձերը, և նրանցից մեկը նկատեց, որ էլեկտրական հոսանքն ունի ևս մեկ հետաքրքիր հատկություն. Երբ հոսանքը հոսեց հաղորդիչում, մոտակայքում գտնվող կողմնացույցի սլաքը սկսեց քիչ-քիչ շեղվել։ Ավելի մանրամասն ուսումնասիրելով այս երեւույթը՝ գիտնականը հայտնաբերել է մագնիսական դաշտում հաղորդիչի վրա ազդող այսպես կոչված ուժը։
Ամպերի հոսանքները մագնիսներում
Գիտնականները փորձել են գտնել մագնիսական լիցք, սակայն մեկուսացված մագնիսական բևեռ չի հաջողվել գտնել: Սա բացատրվում է նրանով, որ ի տարբերություն էլեկտրականության, մագնիսական լիցքեր գոյություն չունեն։ Ի վերջո, հակառակ դեպքում հնարավոր կլիներ առանձնացնել միավորի լիցքը՝ պարզապես կոտրելով մագնիսի ծայրերից մեկը։ Այնուամենայնիվ, սա մյուս ծայրում ստեղծում է նոր հակառակ բևեռ:
Իրականում ցանկացած մագնիս էլեկտրամագնիս է, որի մակերեսի վրա շրջանառվում են ներատոմային հոսանքներ, դրանք կոչվում են Ամպերի հոսանքներ։ Պարզվում է, որ մագնիսը կարելի է համարել որպես մետաղյա ձող, որի միջով ուղիղ հոսանքը շրջանառվում է։ Հենց այս պատճառով է, որ երկաթե միջուկի ներմուծումն էլեկտրամագնիսական ապարատի մեջ մեծապես մեծացնում է մագնիսական դաշտը:
Մագնիսի էներգիա կամ EMF
Ինչպես ցանկացած ֆիզիկական երևույթ, մագնիսական դաշտն ունի էներգիա, որն անհրաժեշտ է լիցքը տեղափոխելու համար: Գոյություն ունի EMF (էլեկտրաշարժիչ ուժ) հասկացությունը, այն սահմանվում է որպես միավոր լիցքը A0 կետից A1 տեղափոխելու աշխատանք:
EMF-ը նկարագրված է Ֆարադեյի օրենքներով, որոնք կիրառվում են երեք տարբեր ֆիզիկականիրավիճակներ:
- Անցկացվող շղթան շարժվում է առաջացած միատեսակ մագնիսական դաշտում: Այս դեպքում խոսում են մագնիսական էմֆ-ի մասին։
- Եզրագիծը հանգստանում է, բայց մագնիսական դաշտի աղբյուրը ինքնին շարժվում է: Սա արդեն էլեկտրական emf երեւույթ է։
- Վերջապես, մագնիսական դաշտի միացումն ու աղբյուրը անշարժ են, բայց մագնիսական դաշտը ստեղծող հոսանքը փոխվում է։
Թվային առումով EMF-ն ըստ Faraday բանաձևի հետևյալն է. EMF=W/q:
Հետևաբար, էլեկտրաշարժիչ ուժը բառացի իմաստով ուժ չէ, քանի որ այն չափվում է Ջուլում մեկ Կուլոնում կամ վոլտով: Պարզվում է, որ այն ներկայացնում է այն էներգիան, որը հաղորդվում է հաղորդիչ էլեկտրոնին՝ շրջանցելով շղթան։ Ամեն անգամ, կատարելով գեներատորի պտտվող շրջանակի հաջորդ փուլը, էլեկտրոնը ձեռք է բերում էներգիա, որը թվայինորեն հավասար է EMF-ին: Այս լրացուցիչ էներգիան կարող է ոչ միայն փոխանցվել արտաքին շղթայում ատոմների բախումների ժամանակ, այլ նաև արտանետվել Ջուլի ջերմության տեսքով։
Լորենցի ուժ և մագնիսներ
Հոսանքի վրա ազդող ուժը մագնիսական դաշտում որոշվում է հետևյալ բանաձևով. q|v||B|sin a (մագնիսական դաշտի լիցքի արտադրյալը, նույն մասնիկի արագության մոդուլները., դաշտի ինդուկցիայի վեկտորը և նրանց ուղղությունների միջև անկյան սինուսը): Մագնիսական դաշտում շարժվող միավոր լիցքի վրա ազդող ուժը կոչվում է Լորենցի ուժ։ Հետաքրքիր փաստ է, որ Նյուտոնի 3-րդ օրենքը անվավեր է այս ուժի համար: Այն ենթարկվում է միայն իմպուլսի պահպանման օրենքին, այդ իսկ պատճառով Լորենցի ուժը գտնելու բոլոր խնդիրները պետք է լուծվեն դրա հիման վրա։ Եկեք պարզենք, թե ինչպեսԴուք կարող եք որոշել մագնիսական դաշտի ուժգնությունը:
Խնդիրներ և լուծումների օրինակներ
Հոսանք ունեցող հաղորդիչի շուրջ առաջացող ուժը գտնելու համար անհրաժեշտ է իմանալ մի քանի մեծություններ՝ լիցքը, դրա արագությունը և առաջացող մագնիսական դաշտի ինդուկցիայի արժեքը: Հետևյալ խնդիրը կօգնի ձեզ հասկանալ, թե ինչպես կարելի է հաշվարկել Լորենցի ուժը:
Որոշեք 0,2 C ինդուկցիայի մագնիսական դաշտում 10 մմ/վ արագությամբ շարժվող պրոտոնի վրա ազդող ուժը (նրանց միջև անկյունը 90o է, քանի որ լիցքավորված մասնիկը շարժվում է ինդուկցիայի գծերին ուղղահայաց)։ Լուծումը հանգում է մեղադրանքը գտնելուն։ Նայելով լիցքերի աղյուսակին՝ մենք գտնում ենք, որ պրոտոնն ունի 1,610-19 Cl: Այնուհետև մենք հաշվարկում ենք ուժը ՝ օգտագործելով բանաձևը. 10- 19 Նյուտոն:
