Kaasaegse füüsika üks olulisemaid sektsioone on elektromagnetilised vastasmõjud ja kõik nendega seotud definitsioonid. Just see vastastikmõju seletab kõiki elektrilisi nähtusi. Elektri teooria hõlmab paljusid muid valdkondi, sealhulgas optikat, kuna valgus on elektromagnetkiirgus. Selles artiklis püüame selgitada elektrivoolu ja magnetjõu olemust juurdepääsetavas ja arusaadavas keeles.
Magnetism on vundamendi vundament
Lapsena näitasid täiskasvanud meile magnetite abil erinevaid võlutrikke. Need hämmastavad kujukesed, mis tõmbavad üksteise poole ja võivad meelitada väikeseid mänguasju, on alati laste silmi rõõmustanud. Mis on magnetid ja kuidas mõjutab magnetjõud raudosadele?
Teaduskeeles seletades tuleb pöörduda ühe füüsika põhiseaduse poole. Coulombi seaduse ja erirelatiivsusteooria järgi mõjub laengule teatud jõud, mis on otseselt võrdeline laengu enda kiirusega (v). Seda interaktsiooni nimetataksemagnetjõud.
Füüsilised omadused
Üldiselt tuleks mõista, et kõik magnetnähtused tekivad ainult siis, kui laengud liiguvad juhi sees või neis olevate voolude olemasolul. Magnetite ja magnetismi määratluse uurimisel tuleb mõista, et need on tihed alt seotud elektrivoolu nähtusega. Seetõttu mõistame elektrivoolu olemust.
Elektrijõud on jõud, mis toimib elektroni ja prootoni vahel. See on arvuliselt palju suurem kui gravitatsioonijõu väärtus. Seda tekitab elektrilaeng või õigemini selle liikumine juhi sees. Tasusid on omakorda kahte tüüpi: positiivsed ja negatiivsed. Nagu teate, tõmbavad positiivselt laetud osakesed negatiivselt laetud osakeste poole. Sama märgiga laengud kipuvad aga üksteist tõrjuma.
Niisiis, kui just need laengud hakkavad juhis liikuma, tekib selles elektrivool, mida seletatakse 1 sekundi jooksul läbi juhi läbiva laengu hulga suhtega. Magnetväljas vooluga juhile mõjuvat jõudu nimetatakse amprijõuks ja see leitakse vasaku käe reegli järgi.
Empiirilised andmed
Püsimagnetite, induktiivpoolide, releede või elektrimootoritega tegelemisel võite igapäevaelus kokku puutuda magnetilise vastasmõjuga. Igaühel neist on silmale nähtamatu magnetväli. Seda saab jälgida ainult selle tegevuse järgi, mida tamõjutab liikuvaid osakesi ja magnetiseeritud kehasid.
Voolu juhtivale juhile magnetväljas mõjuvat jõudu uuris ja kirjeldas prantsuse füüsik Ampère. Tema järgi pole nime saanud mitte ainult see jõud, vaid ka voolutugevuse suurus. Koolis määratletakse Ampère'i seadusi kui "vasaku" ja "parema" käe reeglid.
Magnetvälja omadused
Tuleb mõista, et magnetväli ei teki alati mitte ainult elektrivoolu allikate, vaid ka magnetite ümber. Tavaliselt on teda kujutatud magnetiliste jõujoontega. Graafiliselt jääb mulje, nagu oleks magnetile pandud paberileht ja peale valatud rauaviilud. Need näevad välja täpselt sellised nagu alloleval pildil.
Paljudes populaarsetes füüsikateemalistes raamatutes tutvustatakse magnetjõudu eksperimentaalsete vaatluste tulemusena. Seda peetakse omaette loodusjõuks. Selline idee on ekslik, tegelikult tuleneb magnetjõu olemasolu relatiivsusprintsiibist. Tema puudumine rikuks seda põhimõtet.
Magnetjõus pole midagi põhjapanevat – see on lihts alt Coulombi seaduse relativistlik tagajärg.
Magnetite kasutamine
Legendi järgi avastasid iidsed kreeklased esimesel sajandil pKr Magneesia saarel ebatavalisi kive, millel olid hämmastavad omadused. Nad tõmbasid enda poole kõik rauast või terasest valmistatud asjad. Kreeklased hakkasid neid saarelt välja viima ja nende omadusi uurima. Ja kui kivid tänavale pihku kukkusidmustkunstnikud, neist on saanud asendamatud abilised kõigil oma esinemistel. Magnetkivide jõudu kasutades suutsid nad luua terve fantastilise saate, mis meelitas palju vaatajaid.
Kui kivid levisid kõikjale maailmas, hakkasid nende kohta levima legendid ja erinevad müüdid. Kunagi sattusid kivid Hiinasse, kus nad said nime selle saare järgi, millelt need leiti. Magnetid said kõigi tolle aja suurte teadlaste uurimisobjektiks. On märgatud, et kui panna magnetiline raudkivi puidust ujukile, see kinnitada ja seejärel keerata, siis proovib see oma algsesse asendisse tagasi pöörduda. Lihtsam alt öeldes pöörab sellele mõjuv magnetjõud rauamaaki teatud viisil.
Kasutades seda magnetite omadust, leiutasid teadlased kompassi. Puidust või korgist ümarale kujundile tõmmati kaks põhiposti ja paigaldati väike magnetnõel. See disain langetati väikesesse veega täidetud kaussi. Aja jooksul on kompassimudelid paranenud ja muutunud täpsemaks. Neid ei kasuta mitte ainult meremehed, vaid ka tavalised turistid, kellele meeldib avastada kõrbe- ja mägipiirkondi.
Huvitavad kogemused
Teadlane Hans Oersted pühendas peaaegu kogu oma elu elektrile ja magnetitele. Ühel päeval näitas ta ülikoolis loengu ajal oma õpilastele järgmist kogemust. Ta lasi voolu läbi tavalise vaskjuhi, mõne aja pärast juht kuumenes ja hakkas painduma. See oli termiline nähtuselektrivool. Õpilased jätkasid neid katseid ja üks neist märkas, et elektrivoolul on veel üks huvitav omadus. Kui juhis voolas vool, hakkas lähedal asuva kompassi nool vähehaaval kõrvale kalduma. Seda nähtust üksikasjalikum alt uurides avastas teadlane magnetväljas juhile mõjuva nn jõu.
Ampervoolud magnetites
Teadlased on püüdnud leida magnetlaengu, kuid isoleeritud magnetpoolust ei leitud. Seda seletatakse asjaoluga, et erinev alt elektrist ei eksisteeri magnetlaenguid. Muidu oleks ju võimalik eraldada ühiklaeng, murdes lihts alt magneti ühe otsa. See aga loob teises otsas uue vastaspooluse.
Tegelikult on iga magnet solenoid, mille pinnal ringlevad aatomisisesed voolud, neid nimetatakse Ampere vooludeks. Selgub, et magnetit võib pidada metallvardaks, mille kaudu ringleb alalisvool. Just sel põhjusel suurendab raudsüdamiku sisestamine solenoidi oluliselt magnetvälja.
Magnetienergia või EMF
Nagu iga füüsikaline nähtus, on ka magnetväljal energiat, mida kulub laengu liigutamiseks. On olemas mõiste EMF (elektromootorjõud), seda defineeritakse kui tööd ühiklaengu liigutamiseks punktist A0 punkti A1.
EMF-i kirjeldavad Faraday seadused, mida rakendatakse kolmes erinevas füüsikalisesolukorrad:
- Juhitav ahel liigub genereeritud ühtlases magnetväljas. Sel juhul räägivad nad magnetilisest emf.
- Kontuur on puhkeolekus, kuid magnetvälja allikas ise liigub. See on juba elektrilise emf-i nähtus.
- Lõpuks on vooluahel ja magnetvälja allikas paigal, kuid magnetvälja loov vool muutub.
Arvuliselt on EMF Faraday valemi järgi järgmine: EMF=W/q.
Järelikult ei ole elektromotoorjõud jõud sõna otseses mõttes, kuna seda mõõdetakse džaulides kuloni kohta või voltides. Selgub, et see esindab energiat, mis vooluringist mööda minnes edastatakse juhtivuselektronile. Iga kord, tehes generaatori pöörleva raami järgmise ringi, omandab elektron energia, mis on arvuliselt võrdne EMF-iga. Seda lisaenergiat ei saa mitte ainult üle kanda välisahela aatomite kokkupõrke ajal, vaid see vabaneb ka džauli soojuse kujul.
Lorentzi jõud ja magnetid
Magnetväljas voolule mõjuv jõud määratakse järgmise valemiga: q|v||B|sin a (magnetvälja laengu korrutis, sama osakese kiirusmoodulid, välja induktsiooni vektor ja nende suundade vahelise nurga siinus). Magnetväljas liikuvale ühikulaengule mõjuvat jõudu nimetatakse Lorentzi jõuks. Huvitav fakt on see, et Newtoni 3. seadus on selle jõu puhul kehtetu. See järgib ainult impulsi jäävuse seadust, mistõttu tuleks kõik probleemid Lorentzi jõu leidmisel lahendada sellest lähtuv alt. Mõtleme välja, kuidassaate määrata magnetvälja tugevuse.
Probleemid ja lahendusnäited
Vooluga juhi ümber tekkiva jõu leidmiseks peate teadma mitut suurust: laengut, selle kiirust ja tekkiva magnetvälja induktsiooni väärtust. Järgmine ülesanne aitab teil mõista, kuidas Lorentzi jõudu arvutada.
Määrake jõud, mis mõjub prootonile, mis liigub kiirusega 10 mm/s magnetväljas, mille induktsioon on 0,2 C (nurk nende vahel on 90o, kuna laetud osake liigub induktsioonijoontega risti). Lahendus taandub laengu leidmisele. Laengute tabelit vaadates leiame, et prootoni laeng on 1,610-19 Cl. Järgmisena arvutame jõu valemiga: 1, 610-19100, 21 (täisnurga siinus on 1)=3, 2 10- 19 njuutonit.
