אחד הסעיפים החשובים ביותר בפיזיקה המודרנית הוא אינטראקציות אלקטרומגנטיות וכל ההגדרות הקשורות אליהן. האינטראקציה הזו היא שמסבירה את כל התופעות החשמליות. תורת החשמל מכסה תחומים רבים אחרים, כולל אופטיקה, שכן האור הוא קרינה אלקטרומגנטית. במאמר זה ננסה להסביר את המהות של זרם חשמלי וכוח מגנטי בשפה נגישה ומובנת.
מגנטיזם הוא הבסיס של היסודות
כילדים, מבוגרים הראו לנו קסמים שונים באמצעות מגנטים. הפסלונים המדהימים הללו, שנמשכים זה לזה ויכולים למשוך צעצועים קטנים, תמיד שימחו את עיני הילדים. מהם מגנטים וכיצד פועל הכוח המגנטי על חלקי ברזל?
להסבר בשפה מדעית, עליך לפנות לאחד מחוקי היסוד של הפיזיקה. לפי חוק קולומב ותורת היחסות המיוחדת, פועל על המטען כוח מסוים, שעומד ביחס ישר למהירות המטען עצמו (v). אינטראקציה זו נקראתכוח מגנטי.
תכונות פיזיות
באופן כללי, יש להבין שכל תופעה מגנטית מתרחשת רק כאשר מטענים נעים בתוך המוליך או בנוכחות זרמים בהם. כאשר לומדים מגנטים ועצם ההגדרה של מגנטיות, יש להבין שהם קשורים קשר הדוק לתופעת הזרם החשמלי. לכן, בואו נבין את מהות הזרם החשמלי.
כוח חשמלי הוא הכוח הפועל בין אלקטרון לפרוטון. מבחינה מספרית הוא גדול בהרבה מערכו של כוח הכבידה. הוא נוצר על ידי מטען חשמלי, או ליתר דיוק, על ידי תנועתו בתוך המוליך. מטענים, בתורם, הם משני סוגים: חיובי ושלילי. כידוע, חלקיקים בעלי מטען חיובי נמשכים לחלקיקים בעלי מטען שלילי. עם זאת, מטענים של אותו סימן נוטים להדוף אחד את השני.
לכן, כאשר המטענים הללו מתחילים לנוע במוליך, נוצר בו זרם חשמלי, אשר מוסבר כיחס בין כמות המטען הזורמת במוליך בשנייה אחת. הכוח הפועל על מוליך עם זרם בשדה מגנטי נקרא כוח אמפר ונמצא על פי כלל "יד שמאל".
נתונים אמפיריים
תוכל להיתקל באינטראקציה מגנטית בחיי היומיום כאשר אתה עוסק במגנטים קבועים, משרנים, ממסרים או מנועים חשמליים. לכל אחד מהם יש שדה מגנטי שאינו נראה לעין. ניתן לעקוב אחריו רק לפי פעולתו, שהיאמשפיע על חלקיקים נעים וגופים ממוגנטים.
הכוח הפועל על מוליך נושא זרם בשדה מגנטי נחקר ותואר על ידי הפיזיקאי הצרפתי אמפר. לא רק הכוח הזה נקרא על שמו, אלא גם גודל הכוח הנוכחי. בבית הספר, חוקי אמפר מוגדרים ככללי יד "שמאל" ו"ימין".
מאפייני שדה מגנטי
יש להבין ששדה מגנטי מתרחש תמיד לא רק סביב מקורות זרם חשמלי, אלא גם סביב מגנטים. הוא מתואר בדרך כלל עם קווי כוח מגנטיים. מבחינה גרפית, זה נראה כאילו הונח דף נייר על מגנט, ומעליו שפכו סיבי ברזל. הם ייראו בדיוק כמו בתמונה למטה.
בספרים פופולריים רבים על פיזיקה, הכוח המגנטי מוצג כתוצאה מתצפיות ניסיוניות. זה נחשב לכוח יסוד נפרד של הטבע. רעיון כזה הוא שגוי; למעשה, קיומו של כוח מגנטי נובע מעיקרון היחסות. היעדרותה תפר את העיקרון הזה.
אין שום דבר בסיסי בכוח המגנטי - זה רק תוצאה רלטיביסטית של חוק קולומב.
שימוש במגנטים
לפי האגדה, במאה הראשונה לספירה באי מגנזיה, גילו היוונים הקדמונים אבנים יוצאות דופן בעלות תכונות מדהימות. הם משכו לעצמם כל דבר עשוי ברזל או פלדה. היוונים החלו להוציא אותם מהאי ולחקור את נכסיהם. וכאשר נפלו האבנים לידי הרחובקוסמים, הם הפכו לעוזרים הכרחיים בכל ההופעות שלהם. באמצעות הכוחות של האבנים המגנטיות, הם הצליחו ליצור מופע פנטסטי שלם שמשך צופים רבים.
כשהאבנים התפשטו לכל חלקי העולם, החלו להסתובב עליהן אגדות ומיתוסים שונים. פעם האבנים הגיעו לסין, שם הן נקראו על שם האי שבו נמצאו. מגנטים הפכו לנושא המחקר של כל המדענים הגדולים של אותה תקופה. שמנו לב שאם תניח אבן ברזל מגנטית על מצוף עץ, תתקן אותה ואז תהפוך אותה, היא תנסה לחזור למיקומה המקורי. במילים פשוטות, הכוח המגנטי הפועל עליו יהפוך את עפרת הברזל בצורה מסוימת.
באמצעות תכונה זו של מגנטים, המדענים המציאו את המצפן. על צורה עגולה מעץ או שעם שרטו שני מוטות עיקריים והותקנה מחט מגנטית קטנה. עיצוב זה הורד לתוך קערה קטנה מלאה במים. עם הזמן, דגמי המצפן השתפרו והפכו מדויקים יותר. הם משמשים לא רק על ידי מלחים, אלא גם על ידי תיירים רגילים שאוהבים לחקור אזורים מדבריים והרים.
חוויות מעניינות
המדען הנס אורסטד הקדיש כמעט את כל חייו לחשמל ולמגנטים. יום אחד, במהלך הרצאה באוניברסיטה, הוא הראה לתלמידיו את החוויה הבאה. הוא העביר זרם דרך מוליך נחושת רגיל, לאחר זמן מה המוליך התחמם והחל להתכופף. זו הייתה תופעה תרמיתזרם חשמלי. התלמידים המשיכו בניסויים אלו, ואחד מהם שם לב שלזרם החשמלי יש תכונה מעניינת נוספת. כאשר זרם זרם במוליך, החץ של המצפן שנמצא בקרבת מקום החל לסטות לאט לאט. בחן את התופעה הזו ביתר פירוט, המדען גילה את מה שנקרא כוח הפועל על מוליך בשדה מגנטי.
זרמי אמפר במגנטים
מדענים ניסו למצוא מטען מגנטי, אך לא ניתן היה למצוא קוטב מגנטי מבודד. זה מוסבר על ידי העובדה שבניגוד לחשמל, מטענים מגנטיים אינם קיימים. אחרי הכל, אחרת אפשר יהיה להפריד מטען יחידה פשוט על ידי ניתוק אחד מקצוות המגנט. עם זאת, זה יוצר קוטב הפוך חדש בקצה השני.
למעשה, כל מגנט הוא סולנואיד, שעל פניו מסתובבים זרמים תוך-אטומיים, הם נקראים זרמי אמפר. מסתבר שניתן להתייחס למגנט כמוט מתכת שדרכו מסתובב זרם ישר. מסיבה זו הכנסת ליבת ברזל לסולנואיד מגדילה מאוד את השדה המגנטי.
אנרגיה מגנט או EMF
כמו לכל תופעה פיזיקלית, לשדה מגנטי יש אנרגיה הדרושה כדי להזיז מטען. יש את הרעיון של EMF (כוח אלקטרו-מוטיבי), הוא מוגדר כעבודה להעביר מטען יחידה מנקודה A0 לנקודה A1.
ה-EMF מתואר על ידי חוקי פאראדיי, אשר מיושמים בשלושה פיזיקליים שוניםמצבים:
- המעגל המוליך נע בשדה המגנטי האחיד שנוצר. במקרה זה, הם מדברים על emf מגנטי.
- קו המתאר במנוחה, אבל מקור השדה המגנטי עצמו נע. זו כבר תופעת emf חשמלי.
- לבסוף, המעגל ומקור השדה המגנטי נייחים, אך הזרם שיוצר את השדה המגנטי משתנה.
באופן מספרי, EMF לפי נוסחת פאראדיי הוא: EMF=W/q.
כתוצאה מכך, הכוח האלקטרוני אינו כוח במובן המילולי, שכן הוא נמדד בג'ול לקולומב או בוולט. מסתבר שהוא מייצג את האנרגיה המוענקת לאלקרון ההולכה בעת עקיפת המעגל. בכל פעם, בסיבוב הבא של המסגרת המסתובבת של הגנרטור, האלקטרון רוכש אנרגיה שווה מספרית ל-EMF. אנרגיה נוספת זו יכולה להיות מועברת לא רק במהלך התנגשויות של אטומים בשרשרת החיצונית, אלא גם להשתחרר בצורה של חום ג'ול.
כוח לורנץ ומגנטים
הכוח הפועל על הזרם בשדה מגנטי נקבע על ידי הנוסחה הבאה: q|v||B|sin a (המכפלה של מטען השדה המגנטי, מודולי המהירות של אותו חלקיק, וקטור אינדוקציית השדה והסינוס של הזווית בין הכיוונים שלהם). הכוח הפועל על מטען יחידה נע בשדה מגנטי נקרא כוח לורנץ. עובדה מעניינת היא שהחוק השלישי של ניוטון אינו תקף לכוח זה. הוא מציית רק לחוק שימור המומנטום, ולכן יש לפתור את כל הבעיות במציאת כוח לורנץ בהתבסס עליו. בואו נבין איךאתה יכול לקבוע את עוצמת השדה המגנטי.
בעיות ודוגמאות לפתרונות
כדי למצוא את הכוח שנוצר סביב מוליך עם זרם, צריך לדעת כמה כמויות: המטען, מהירותו וערך האינדוקציה של השדה המגנטי העולה. הבעיה הבאה תעזור לך להבין כיצד לחשב את כוח לורנץ.
קבע את הכוח הפועל על פרוטון שנע במהירות של 10 מ מ/שניה בשדה מגנטי עם אינדוקציה של 0.2 C (הזווית ביניהם היא 90o, שכן חלקיק טעון נע בניצב לקווי האינדוקציה). הפתרון מסתכם במציאת המטען. בהסתכלות בטבלת המטענים, אנו מוצאים שלפרוטון יש מטען של 1.610-19 Cl. לאחר מכן, אנו מחשבים את הכוח באמצעות הנוסחה: 1, 610-19100, 21 (הסינוס של הזווית הישרה הוא 1)=3, 2 10- 19 ניוטון.
