Один з найважливіших розділів сучасної фізики - це електромагнітні взаємодії і всі пов'язані з ними визначення. Саме цим пояснюються взаємодією всі електричні явища. Теорія електрики охоплює багато інші розділи, включаючи і оптику, оскільки світло являє собою електромагнітне випромінювання. У цій статті ми спробуємо пояснити суть електричного струму і сили магнітної доступною, зрозумілою мовою.

Магнитизм - основа основ

В дитинстві дорослі показували нам різні фокуси з використанням магнітів. Ці дивовижні фігурки, які притягуються один до одного і можуть притягувати до себе дрібні іграшки, завжди радували дитячий очей. Що ж таке магніти і яким чином магнітна сила діє на залізні деталі?


Пояснюючи науковим мовою, доведеться звернутися до одного з основних законів фізики. Відповідно до закону Кулона та спеціальної теорії відносності, на заряд діє певна сила, яка прямо пропорційно залежить від швидкості самого заряду (v). Саме ця взаємодія і називається магнітною силою.

Фізичні особливості

Взагалі слід розуміти, що будь-які магнітні явища виникають тільки при русі зарядів усередині провідника або при наявності в них струмів. При вивченні магнітів і самого визначення магнитизма слід розуміти, що вони тісно взаємопов'язані з явищем електричного струму. Тому давайте розберемося в суті електричного струму. Електрична сила - це та сила, яка діє між електроном і протоном. Вона чисельно набагато більше значення гравітаційної сили. Вона породжується електричним зарядом, а точніше, її рухом всередині провідника. Заряди ж, у свою чергу, бувають двох видів: позитивні і негативні. Як відомо, позитивно заряджені частинки притягуються до негативно зарядженим. Однак однакові за знаком заряди мають властивість відштовхуватися.


Так от, коли в провіднику починають рухатися ці самі заряди, ньому виникає електричний струм, який пояснюється як відношення кількості заряду, що протікає через провідник в 1 секунду. Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, називається силою Ампера і знаходиться за правилом "лівої руки".

Емпіричні дані

Зіткнутися з магнітним взаємодією можна в повсякденному житті, коли маєш справу з постійними магнітами, котушками індуктивності, реле або електричними моторами. У кожного з них є магнітне поле, яке невидиме для очей. Простежити за ним можна тільки за його дії, яке воно справляє на рухомі частинки і на намагнічені тіла. Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, була вивчена і описана французьким фізиком Ампером. В честь нього названо не тільки ця сила, але ще й величина сили струму. У школі законів Ампера визначаються як правила "лівої" і "правої руки".

Характеристики магнітного поля

Слід розуміти, що магнітне поле виникає не тільки навколо джерел електричного струму, але і навколо магнітів. Його зазвичай зображують за допомогою магнітних силових ліній. Графічно це виглядає, як якщо б на магніт поклали аркуш паперу, а зверху насипали тирси заліза. Вони візьмуть точно такий же вигляд, як на картинці знизу.
У багатьох популярних книгах з фізики сила магнітна вводиться як результат експериментальних спостережень. Вона вважається окремою фундаментальною силою природи. Таке подання помилково, насправді існування магнітної сили випливає з принципу відносності. Її відсутність призвело б до порушення цього принципу. В магнітній силі немає нічого фундаментального - вона являє собою просто релятивисткое наслідок закону Кулона.

Застосування магнітів

Якщо вірити легенді, в першому столітті нашої ери на острові Магнесия стародавніми греками були виявлені незвичайні камені, які володіли надзвичайними властивостями. Вони притягували до себе будь-які речі, зроблені із заліза або сталі. Греки стали вивозити їх з острова і вивчати їх властивості. А коли камені потрапили в руки вуличних фокусників, то вони стали незамінними помічниками у всіх їхніх виступах. Використовуючи сили магнітних камінців, їм вдавалося створювати ціле фантастичне шоу, яке приваблювало безліч глядачів. По мірі того як камені поширювалися по всіх частинах світу, про них почали ходити легенди і різні міфи. Одного разу камені виявилися в Китаї, де їх назвали на честь острова, на якому вони були знайдені. Магніти стали предметом вивчення всіх великих учених того часу. Було помічено, що якщо покласти магнітний залізняк на дерев'яний поплавок, зафіксувати, а потім повернути його, то він спробує повернутися у вихідне положення. Простіше кажучи, магнітна сила, що діє на нього, буде повертати железняк певним чином. Використовуючи це властивість магнітів, вчені придумали компас. На круглу форму, виготовлену з дерева або пробки, були накреслені два основних полюси і встановлена маленька магнітна стрілка. Цю конструкцію опускали в невелику посуд, наповнену водою. З плином часу моделі компаса удосконалилися і ставали більш точними. Ними користуються не тільки мореплавці, але і звичайні туристи, які люблять вивчати пустельні та гірські місцевості.

Цікаві досліди

Учений Ханс Ерстед практично все своє життя присвятив електрики і магнітів. Одного разу під час лекції в університеті він показав своїм студентам наступний досвід. Через звичайний мідний провідник він пропустив струм, через деякий час провідник нагрівся і почав гнутися. Це було явищем теплового властивості електричного струму. Студенти продовжили ці досліди, і один з них помітив, що електричний струм має ще одним цікавим властивістю. Коли в провіднику протікає струм, стрілка знаходиться поруч компаса починала потроху відхилятися. Вивчаючи це явище більш детально, вчений виявив так звану силу, що діє на провідник у магнітному полі.

Струми Ампера в магнітах

Вченими були зроблені спроби знайти магнітний заряд, однак ізольований магнітний полюс не вдалося виявити. Пояснюється це тим, що, на відміну від електричних, магнітних зарядів не існує. Адже інакше можна було б відокремити одиничний заряд, просто відламавши один з кінців магніту. Однак при цьому на іншому кінці утворюється новий протилежний полюс. Насправді будь-магніт являє собою соленоїд, по поверхні якого циркулюють внутриатомние струми, вони називаються струмами Ампера. Виходить, що магніт можна розглядати як металевий стержень, по якому протікає постійний струм. Саме з цієї причини введення в соленоїд залізного сердечника значно збільшує магнітне поле.

Енергія магніту або ЕРС

Як і будь-яке фізичне явище, магнітне поле має енергію, яку витрачає на переміщення заряду. Існує поняття ЕРС (електрорушійна сила), вона визначається як робота по переміщенню одиничного заряду з точки А 0 в точку А 1 . Описується ЕРС законами Фарадея, які застосовуються в трьох різних фізичних ситуаціях:

Проводиться контур рухається в створюваному однорідному магнітному полі. У цьому випадку говорять про магнітної ЕРС.

Контур спочиває, але рухається сам джерело магнітного поля. Це вже явище електричного ЕРС.

І, нарешті, контур і джерело магнітного поля нерухомі, але змінюється струм, що створює магнітне поле.

Чисельно ЕРС за формулою Фарадея дорівнює: ЕРС = W/q. Отже, електрорушійна сила не є силою в буквальному сенсі, так як вона вимірюється в Джоулях на Кулон або в Вольтах. Виходить, що вона являє собою енергію, яка повідомляється електрона провідності при обході ланцюга. Кожен раз, здійснюючи черговий обхід обертається рамки генератора, електрон здобуває енергію, чисельно дорівнює ЕРС. Ця додаткова енергія може передаватися при зіткненнях атомів зовнішньої ланцюга, але і виділятися у вигляді Джоульова тепла.

Сила Лоренца і магніти

Сила, що діє на струм в магнітному полі, визначається по наступній формулі: q*|v|*|B|*sin a (твір заряду магнітного поля, модулі швидкості цієї частки, вектора індукції поля і синуса кута між їх напрямами). Силу, яка діє на рухомий одиничний заряд в магнітному полі, прийнято називати силою Лоренца. Цікавий той факт, що для цієї сили недійсний 3-й закон Ньютона. Вона підпорядковується лише закону збереження імпульсу, саме тому всі завдання по знаходженню сили Лоренца слід вирішувати, виходячи з нього. Давайте розберемося, як можна визначити силу магнітного поля.

Задачі і приклади рішень

Для знаходження сили, яка виникає навколо провідника зі струмом, необхідно знати декілька величин: заряд, його швидкість і значення індукції виникає магнітного поля. Наступне завдання допоможе зрозуміти, як обчислювати силу Лоренца. Визначити силу, що діє на протон, який рухається зі швидкістю 10 мм/с у магнітному полі індукцією 02 Кл (кут між ними 90 про , так як заряджена частинка рухається перпендикулярно лініям індукції). Рішення зводиться до знаходження заряду. Заглянувши в таблицю заядов, ми виявимо, що протон має заряд в 16*10 -19 Кл. Далі обчислюємо силу за формулою: 16*10 -19 * 10 * 02 * 1 (синус прямого кута дорівнює 1) = 32*10 -19 Ньютонів.