Modern fiziğin en önemli bölümlerinden biri elektromanyetik etkileşimler ve bunlarla ilgili tüm tanımlardır. Tüm elektrik olaylarını açıklayan bu etkileşimdir. Elektrik teorisi, ışık elektromanyetik radyasyon olduğu için optik dahil olmak üzere diğer birçok alanı kapsar. Bu yazımızda elektrik akımının ve manyetik kuvvetin özünü erişilebilir, anlaşılır bir dille açıklamaya çalışacağız.
Manyetizma temellerin temelidir
Çocukken yetişkinler bize mıknatıs kullanarak çeşitli sihir numaraları gösterdi. Birbirinden ilgi gören ve küçük oyuncakları kendine çekebilen bu muhteşem figürler çocukların her zaman gözlerini memnun etmiştir. Mıknatıs nedir ve manyetik kuvvet demir parçalara nasıl etki eder?
Bilimsel bir dille anlatırken fiziğin temel yasalarından birine yönelmek gerekiyor. Coulomb yasasına ve özel görelilik kuramına göre, yükün hızıyla (v) doğru orantılı olan belirli bir kuvvet yüke etki eder. Bu etkileşime denirmanyetik kuvvet.
Fiziksel Özellikler
Genel olarak, herhangi bir manyetik olayın, yalnızca yükler iletken içinde hareket ettiğinde veya içlerinde akımlar olduğunda meydana geldiği anlaşılmalıdır. Mıknatısları ve manyetizmanın tanımını incelerken, bunların elektrik akımı olgusuyla yakından ilişkili olduğu anlaşılmalıdır. Bu nedenle, elektrik akımının özünü anlayalım.
Elektrik kuvveti, bir elektron ve bir proton arasında hareket eden kuvvettir. Sayısal olarak yerçekimi kuvvetinin değerinden çok daha büyüktür. Bir elektrik yükü veya daha doğrusu iletken içindeki hareketi ile üretilir. Ücretler de iki türdür: pozitif ve negatif. Bildiğiniz gibi, pozitif yüklü parçacıklar, negatif yüklü parçacıklara çekilir. Ancak aynı işarete sahip yükler birbirini itme eğilimindedir.
Yani, bu yükler iletkende hareket etmeye başladığında, iletkenden 1 saniyede geçen yük miktarının oranı olarak açıklanan bir elektrik akımı oluşur. Manyetik alanda akım bulunan bir iletkene etki eden kuvvete Amper kuvveti denir ve "sol el" kuralına göre bulunur.
Ampirik veri
Günlük hayatta kalıcı mıknatıslar, indüktörler, röleler veya elektrik motorları ile uğraşırken manyetik etkileşimle karşılaşabilirsiniz. Her birinin gözle görülmeyen bir manyetik alanı vardır. Yalnızca eylemiyle izlenebilir;hareketli parçacıkları ve manyetize cisimleri etkiler.
Manyetik bir alanda akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvet, Fransız fizikçi Ampère tarafından incelendi ve tanımlandı. Sadece bu kuvvet onun adıyla değil, aynı zamanda mevcut gücün büyüklüğüyle de anılır. Okulda, Ampère yasaları "sol" ve "sağ" elin kuralları olarak tanımlanır.
Manyetik alan özellikleri
Bir manyetik alanın her zaman yalnızca elektrik akımı kaynaklarının çevresinde değil, aynı zamanda mıknatısların çevresinde de oluştuğu anlaşılmalıdır. Genellikle manyetik kuvvet çizgileriyle tasvir edilir. Grafiksel olarak, bir mıknatısın üzerine bir yaprak kağıt yerleştirilmiş ve üstüne demir talaşları dökülmüş gibi görünüyor. Tam olarak aşağıdaki resimdeki gibi görünecekler.
Fizikle ilgili birçok popüler kitapta, manyetik kuvvet deneysel gözlemlerin bir sonucu olarak tanıtılır. Doğanın ayrı bir temel gücü olarak kabul edilir. Böyle bir fikir yanlıştır; aslında manyetik bir kuvvetin varlığı görelilik ilkesinden kaynaklanmaktadır. Onun yokluğu bu ilkeyi ihlal ederdi.
Manyetik kuvvetle ilgili temel hiçbir şey yoktur - bu sadece Coulomb yasasının göreli bir sonucudur.
Mıknatıs kullanma
Efsaneye göre, MS birinci yüzyılda Magnesia adasında, antik Yunanlılar inanılmaz özelliklere sahip olağandışı taşlar keşfettiler. Demir veya çelikten yapılmış her şeyi kendilerine çekiyorlardı. Yunanlılar onları adadan çıkarmaya ve mülklerini incelemeye başladılar. Ve taşlar sokağın eline düştüğündesihirbazlar, tüm icralarında vazgeçilmez yardımcılar haline geldiler. Manyetik taşların güçlerini kullanarak birçok izleyiciyi kendine çeken harika bir gösteri yaratmayı başardılar.
Taşlar dünyanın her yerine yayıldıkça, onlar hakkında efsaneler ve çeşitli mitler dolaşmaya başladı. Taşlar bir kez Çin'de sona erdi ve burada bulundukları adanın adını aldılar. Mıknatıslar, o zamanın tüm büyük bilim adamlarının çalışma konusu oldu. Tahta bir şamandıra üzerine manyetik bir demir taşı koyarsanız, sabitledikten sonra çevirirseniz, orijinal konumuna geri dönmeye çalışacağı fark edildi. Basitçe söylemek gerekirse, üzerine etki eden manyetik kuvvet demir cevherini belirli bir şekilde döndürecektir.
Mıknatısların bu özelliğini kullanan bilim adamları pusulayı icat etti. Ahşap veya mantardan yapılmış yuvarlak bir şekil üzerine iki ana direk çizilerek küçük bir manyetik iğne yerleştirildi. Bu tasarım suyla dolu küçük bir kaseye indirildi. Zamanla, pusula modelleri gelişti ve daha doğru hale geldi. Sadece denizciler tarafından değil, çöl ve dağlık bölgeleri keşfetmeyi seven sıradan turistler tarafından da kullanılırlar.
İlginç deneyimler
Bilim adamı Hans Oersted neredeyse tüm hayatını elektriğe ve mıknatıslara adadı. Bir gün üniversitede verdiği bir derste öğrencilerine şu deneyimi gösterdi. Sıradan bir bakır iletkenden akım geçirdi, bir süre sonra iletken ısındı ve bükülmeye başladı. Termal bir fenomendielektrik akımı. Öğrenciler bu deneylere devam ettiler ve içlerinden biri elektrik akımının ilginç bir özelliği daha olduğunu fark etti. İletkenden akım geçtiğinde, yakınlarda bulunan pusulanın oku yavaş yavaş sapmaya başladı. Bu fenomeni daha ayrıntılı inceleyen bilim adamı, manyetik alanda bir iletkene etki eden sözde kuvveti keşfetti.
Mıknatıslardaki amper akımları
Bilim adamları bir manyetik yük bulmaya çalıştılar, ancak izole bir manyetik kutup bulunamadı. Bu, elektrikten farklı olarak manyetik yüklerin bulunmadığı gerçeğiyle açıklanır. Sonuçta, aksi takdirde, mıknatısın uçlarından birini kırarak bir birim yükü ayırmak mümkün olurdu. Ancak bu, diğer uçta yeni bir zıt kutup oluşturur.
Aslında, herhangi bir mıknatıs, yüzeyinde atom içi akımların dolaştığı bir solenoiddir, bunlara Amper akımları denir. Mıknatısın, içinden doğru akımın dolaştığı metal bir çubuk olarak kabul edilebileceği ortaya çıktı. Bu nedenle solenoid içine bir demir çekirdeğin eklenmesi manyetik alanı büyük ölçüde artırır.
Mıknatıs enerjisi veya EMF
Herhangi bir fiziksel fenomen gibi, manyetik alan da bir yükü hareket ettirmek için gereken enerjiye sahiptir. EMF (elektromotor kuvvet) kavramı vardır, bir birim yükü A0 noktasından A1 noktasına taşıma işi olarak tanımlanır.
EMF, üç farklı fiziksel durumda uygulanan Faraday yasalarıyla tanımlanır.durumlar:
- İletilen devre, oluşturulan düzgün manyetik alanda hareket eder. Bu durumda manyetik emf'den bahsediyorlar.
- Kontur hareketsiz, ancak manyetik alanın kaynağı hareket ediyor. Bu zaten bir elektrik emf fenomeni.
- Son olarak, manyetik alanın devresi ve kaynağı sabit, ancak manyetik alanı oluşturan akım değişiyor.
Sayısal olarak, Faraday formülüne göre EMF: EMF=W/q.
Sonuç olarak, elektromotor kuvvet, Joule/Coulomb veya Volt olarak ölçüldüğü gibi, gerçek anlamda bir kuvvet değildir. Devreyi atlarken iletim elektronuna verilen enerjiyi temsil ettiği ortaya çıktı. Her seferinde, jeneratörün dönen çerçevesinin bir sonraki turunu yapan elektron, sayısal olarak EMF'ye eşit bir enerji elde eder. Bu ek enerji sadece dış zincirdeki atomların çarpışması sırasında aktarılamaz, aynı zamanda Joule ısısı şeklinde de salınabilir.
Lorentz kuvveti ve mıknatıslar
Bir manyetik alandaki akıma etki eden kuvvet aşağıdaki formülle belirlenir: q|v||B|sin a (manyetik alan yükünün çarpımı, aynı parçacığın hız modülleri, alan indüksiyon vektörü ve yönleri arasındaki açının sinüsü). Manyetik alanda hareket eden birim yüke etki eden kuvvete Lorentz kuvveti denir. İlginç bir gerçek, Newton'un 3. yasasının bu kuvvet için geçersiz olmasıdır. Yalnızca momentumun korunumu yasasına uyar, bu nedenle Lorentz kuvvetini bulmadaki tüm problemler buna dayanarak çözülmelidir. nasıl olduğunu bulalımmanyetik alanın gücünü belirleyebilirsiniz.
Sorunlar ve çözüm örnekleri
Akım olan bir iletkenin etrafında oluşan kuvveti bulmak için birkaç niceliği bilmeniz gerekir: yük, hızı ve ortaya çıkan manyetik alanın indüksiyonunun değeri. Aşağıdaki problem Lorentz kuvvetinin nasıl hesaplanacağını anlamanıza yardımcı olacaktır.
0,2 C endüksiyonlu bir manyetik alanda 10 mm/s hızla hareket eden bir protona etki eden kuvveti belirleyin (aralarındaki açı 90o, yüklü bir parçacık indüksiyon hatlarına dik hareket ettiğinden). Çözüm, yükü bulmaya geliyor. Yük tablosuna baktığımızda, protonun 1,610-19 Cl yüküne sahip olduğunu görüyoruz. Ardından, şu formülü kullanarak kuvveti hesaplıyoruz: 1, 610-19100, 21 (dik açının sinüsü 1'dir)=3, 2 10- 19 Newton.
