Một trong những phần quan trọng nhất của vật lý hiện đại là tương tác điện từ và tất cả các định nghĩa liên quan đến chúng. Chính sự tương tác này giải thích mọi hiện tượng điện. Lý thuyết về điện bao gồm nhiều lĩnh vực khác, bao gồm cả quang học, vì ánh sáng là bức xạ điện từ. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cố gắng giải thích bản chất của dòng điện và lực từ bằng một ngôn ngữ dễ hiểu, dễ tiếp cận.
Từ tính là nền tảng của những cơ sở
Khi còn nhỏ, người lớn đã cho chúng ta thấy nhiều trò ảo thuật khác nhau bằng cách sử dụng nam châm. Những bức tượng nhỏ tuyệt vời, được thu hút vào nhau và có thể thu hút những món đồ chơi nhỏ, luôn làm hài lòng đôi mắt của trẻ em. Nam châm là gì và lực từ tác dụng lên các bộ phận bằng sắt như thế nào?
Giải thích bằng ngôn ngữ khoa học, bạn phải chuyển sang một trong những định luật vật lý cơ bản. Theo định luật Coulomb và thuyết tương đối hẹp, một lực nào đó tác dụng lên điện tích tỷ lệ thuận với tốc độ của chính điện tích (v). Tương tác này được gọi làlực từ.
Tính năng vật lý
Nói chung, cần hiểu rằng bất kỳ hiện tượng từ trường nào chỉ xảy ra khi các điện tích di chuyển bên trong vật dẫn hoặc khi có dòng điện trong chúng. Khi nghiên cứu nam châm và định nghĩa của từ tính, cần hiểu rằng chúng có liên quan chặt chẽ đến hiện tượng dòng điện. Do đó, chúng ta hãy hiểu bản chất của dòng điện.
Lực điện là lực tác dụng giữa electron và proton. Nó lớn hơn nhiều so với giá trị của lực hấp dẫn. Nó được tạo ra bởi điện tích hay nói đúng hơn là do chuyển động của nó bên trong vật dẫn. Lần lượt, phí có hai loại: tích cực và tiêu cực. Như bạn đã biết, các hạt mang điện tích dương bị hút bởi các hạt mang điện tích âm. Tuy nhiên, các điện tích cùng dấu có xu hướng đẩy nhau.
Vì vậy, khi những điện tích này bắt đầu chuyển động trong vật dẫn, một dòng điện phát sinh trong nó, được giải thích là tỷ số giữa lượng điện tích chạy qua vật dẫn trong 1 giây. Lực tác dụng lên dây dẫn có dòng điện trong từ trường được gọi là lực Ampe và được tìm theo quy tắc "bàn tay trái".
Dữ liệu thực nghiệm
Bạn có thể gặp tương tác từ trong cuộc sống hàng ngày khi tiếp xúc với nam châm vĩnh cửu, cuộn cảm, rơ le hoặc động cơ điện. Mỗi người trong số họ có một từ trường mà mắt thường không nhìn thấy được. Nó có thể được truy tìm chỉ bằng hành động của nó, mà nóảnh hưởng đến các hạt chuyển động và các vật thể nhiễm từ.
Lực tác dụng lên vật dẫn mang dòng điện trong từ trường đã được nhà vật lý người Pháp Ampère nghiên cứu và mô tả. Lực lượng này không chỉ được đặt theo tên của anh ta, mà còn là độ lớn của cường độ hiện tại. Ở trường, các định luật của Ampère được coi là các quy tắc của bàn tay "trái" và "phải".
Đặc điểm từ trường
Cần hiểu rằng từ trường luôn luôn xảy ra không chỉ xung quanh các nguồn dòng điện, mà còn xung quanh nam châm. Anh ta thường được mô tả bằng các đường sức từ. Về mặt hình ảnh, nó trông như thể một tờ giấy được đặt trên một nam châm, và mạt sắt được đổ lên trên. Chúng sẽ giống hệt như hình bên dưới.
Trong nhiều cuốn sách phổ biến về vật lý, lực từ được giới thiệu là kết quả của các quan sát thực nghiệm. Nó được coi là một lực cơ bản riêng biệt của tự nhiên. Ý tưởng như vậy là sai lầm; trên thực tế, sự tồn tại của lực từ tuân theo nguyên lý tương đối. Sự vắng mặt của cô ấy sẽ vi phạm nguyên tắc này.
Không có gì cơ bản về lực từ - nó chỉ là hệ quả tương đối tính của định luật Coulomb.
Sử dụng nam châm
Theo truyền thuyết, vào thế kỷ đầu tiên sau Công nguyên trên đảo Magnesia, người Hy Lạp cổ đại đã phát hiện ra những viên đá khác thường có những đặc tính đáng kinh ngạc. Họ bị thu hút bởi bất kỳ thứ gì làm bằng sắt hoặc thép. Người Hy Lạp bắt đầu đưa chúng ra khỏi đảo và nghiên cứu tài sản của chúng. Và khi những viên đá rơi vào tay đường phốảo thuật gia, họ đã trở thành trợ thủ đắc lực không thể thiếu trong mọi buổi biểu diễn của họ. Sử dụng sức mạnh của những viên đá từ tính, họ đã có thể tạo ra một chương trình tuyệt vời thu hút nhiều người xem.
Khi những viên đá lan rộng đến mọi nơi trên thế giới, các truyền thuyết và huyền thoại khác nhau bắt đầu lưu truyền về chúng. Khi những viên đá này kết thúc ở Trung Quốc, nơi chúng được đặt tên theo hòn đảo mà chúng được tìm thấy. Nam châm trở thành đối tượng nghiên cứu của tất cả các nhà khoa học vĩ đại thời bấy giờ. Người ta nhận thấy rằng nếu bạn đặt một viên đá từ tính lên một chiếc phao gỗ, cố định nó, rồi xoay nó, nó sẽ cố gắng trở lại vị trí ban đầu. Nói một cách đơn giản, lực từ tác dụng lên nó sẽ biến quặng sắt theo một hướng nhất định.
Sử dụng tính chất này của nam châm, các nhà khoa học đã phát minh ra la bàn. Trên một hình tròn làm bằng gỗ hoặc nứa, người ta vẽ hai cực chính và lắp một kim từ tính nhỏ. Thiết kế này được hạ xuống thành một cái bát nhỏ chứa đầy nước. Theo thời gian, các mô hình la bàn đã được cải thiện và trở nên chính xác hơn. Chúng không chỉ được sử dụng bởi các thủy thủ mà còn được sử dụng bởi những khách du lịch bình thường thích khám phá các vùng sa mạc và miền núi.
Trải nghiệm thú vị
Nhà khoa học Hans Oersted đã cống hiến gần như toàn bộ cuộc đời mình cho điện và nam châm. Một ngày nọ, trong một bài giảng ở trường đại học, ông đã chỉ cho các sinh viên của mình kinh nghiệm sau đây. Anh cho dòng điện chạy qua một dây dẫn thông thường bằng đồng, sau một thời gian dây dẫn nóng lên và bắt đầu uốn cong. Đó là một hiện tượng nhiệtdòng điện. Các sinh viên tiếp tục các thí nghiệm này, và một trong số họ nhận thấy rằng dòng điện có một tính chất thú vị khác. Khi dòng điện chạy trong dây dẫn, mũi tên của la bàn đặt gần đó bắt đầu chệch hướng từng chút một. Nghiên cứu chi tiết hơn về hiện tượng này, nhà khoa học đã phát hiện ra cái gọi là lực tác dụng lên một vật dẫn trong từ trường.
Dòng ampe trong nam châm
Các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra điện tích từ trường, nhưng không thể tìm thấy một cực từ trường bị cô lập. Điều này được giải thích bởi thực tế là, không giống như điện, từ tính không tồn tại. Rốt cuộc, nếu không thì có thể tách một đơn vị điện tích bằng cách cắt đứt một trong các đầu của nam châm. Tuy nhiên, điều này tạo ra một cực đối lập mới ở đầu kia.
Trên thực tế, bất kỳ nam châm nào cũng là một điện từ, trên bề mặt có các dòng nội nguyên tử lưu thông, chúng được gọi là dòng Ampère. Hóa ra có thể coi nam châm như một thanh kim loại mà dòng điện một chiều chạy qua. Chính vì lý do này mà việc đưa lõi sắt vào điện từ làm tăng từ trường lên rất nhiều.
Năng lượng nam châm hoặc EMF
Giống như bất kỳ hiện tượng vật lý nào, từ trường có năng lượng mà nó cần để di chuyển điện tích. Có khái niệm EMF (sức điện động), nó được định nghĩa là công để di chuyển một điện tích đơn vị từ điểm A0đến điểm A1.
EMF được mô tả bởi các định luật Faraday, được áp dụng trong ba định luật vật lý khác nhautình huống:
- Mạch dẫn chuyển động trong từ trường đều được tạo ra. Trong trường hợp này, họ nói về emf từ tính.
- Đường bao ở trạng thái nghỉ, nhưng bản thân nguồn từ trường đang chuyển động. Đây đã là một hiện tượng emf điện.
- Cuối cùng, mạch và nguồn từ trường đều đứng yên, nhưng dòng điện tạo ra từ trường đang thay đổi.
Về mặt số học, EMF theo công thức Faraday là: EMF=W / q.
Do đó, sức điện động không phải là một lực theo nghĩa đen, vì nó được đo bằng Joules trên Coulomb hoặc bằng Volts. Nó chỉ ra rằng nó đại diện cho năng lượng được truyền cho điện tử dẫn khi đi qua mạch. Mỗi lần, thực hiện một vòng tiếp theo của khung quay của máy phát điện, electron thu được một năng lượng bằng EMF. Năng lượng bổ sung này không chỉ có thể được truyền trong quá trình va chạm của các nguyên tử trong chuỗi bên ngoài, mà còn được giải phóng dưới dạng nhiệt Joule.
Lực Lorentz và nam châm
Lực tác dụng lên dòng điện trong từ trường được xác định theo công thức sau: q| v || B |sin a (tích của điện tích từ trường, môđun vận tốc của cùng một hạt, vectơ cảm ứng trường và sin của góc giữa các phương của chúng). Lực tác dụng lên một điện tích đơn vị chuyển động trong từ trường được gọi là lực Lorentz. Một sự thật thú vị là định luật thứ 3 của Newton không có giá trị đối với lực này. Nó chỉ tuân theo định luật bảo toàn động lượng, đó là lý do tại sao tất cả các vấn đề trong việc tìm lực Lorentz phải được giải quyết dựa trên nó. Hãy tìm ra cáchbạn có thể xác định cường độ của từ trường.
Vấn đề và ví dụ về giải pháp
Để tìm lực xuất hiện xung quanh một vật dẫn có dòng điện, bạn cần biết một số đại lượng: điện tích, tốc độ của nó và giá trị của cảm ứng của từ trường xuất hiện. Bài toán sau sẽ giúp bạn hiểu cách tính lực Lorentz.
Xác định lực tác dụng lên một proton chuyển động với tốc độ 10 mm / s trong từ trường đều có cảm ứng là 0,2 C (góc giữa chúng là 90o, kể từ khi một hạt mang điện chuyển động vuông góc với các đường cảm ứng). Giải pháp đi xuống để tìm điện tích. Nhìn vào bảng điện tích, ta thấy rằng proton có điện tích là 1,610-19Cl. Tiếp theo, chúng ta tính lực bằng công thức: 1, 610-19 100, 21 (sin của góc vuông là 1)=3, 210- 19Newtons.
