თანამედროვე ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი განყოფილებაა ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება და მათთან დაკავშირებული ყველა განმარტება. სწორედ ეს ურთიერთქმედება ხსნის ყველა ელექტრულ მოვლენას. ელექტროენერგიის თეორია მოიცავს ბევრ სხვა სფეროს, მათ შორის ოპტიკას, რადგან სინათლე ელექტრომაგნიტური გამოსხივებაა. ამ სტატიაში ჩვენ შევეცდებით ავხსნათ ელექტრული დენისა და მაგნიტური ძალის არსი ხელმისაწვდომი, გასაგები ენით.
მაგნეტიზმი არის საფუძვლების საფუძველი
ბავშვობაში, უფროსებმა გვაჩვენეს სხვადასხვა ჯადოსნური ხრიკები მაგნიტების გამოყენებით. ეს საოცარი ფიგურები, რომლებიც იზიდავთ ერთმანეთს და შეუძლიათ პატარა სათამაშოების მოზიდვა, ყოველთვის ახარებდნენ ბავშვების თვალებს. რა არის მაგნიტები და როგორ მოქმედებს მაგნიტური ძალა რკინის ნაწილებზე?
მეცნიერული ენით ახსნით, თქვენ უნდა მიმართოთ ფიზიკის ერთ-ერთ ძირითად კანონს. კულონის კანონისა და ფარდობითობის სპეციალური თეორიის მიხედვით, მუხტზე მოქმედებს გარკვეული ძალა, რომელიც პირდაპირპროპორციულია თავად მუხტის სიჩქარის (v). ამ ურთიერთქმედებას ე.წმაგნიტური ძალა.
ფიზიკური მახასიათებლები
ზოგადად, უნდა გვესმოდეს, რომ ნებისმიერი მაგნიტური ფენომენი ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც მუხტები მოძრაობენ გამტარის შიგნით ან მათში დენების არსებობისას. მაგნიტების შესწავლისას და მაგნიტიზმის განსაზღვრებისას, უნდა გვესმოდეს, რომ ისინი მჭიდრო კავშირშია ელექტრული დენის ფენომენთან. ამიტომ, მოდით გავიგოთ ელექტრული დენის არსი.
ელექტრული ძალა არის ძალა, რომელიც მოქმედებს ელექტრონსა და პროტონს შორის. ის რიცხობრივად ბევრად აღემატება გრავიტაციული ძალის მნიშვნელობას. იგი წარმოიქმნება ელექტრული მუხტით, უფრო სწორად, გამტარის შიგნით მისი მოძრაობით. გადასახადები, თავის მხრივ, არის ორი სახის: დადებითი და უარყოფითი. მოგეხსენებათ, დადებითად დამუხტული ნაწილაკები იზიდავს უარყოფითად დამუხტულ ნაწილაკებს. თუმცა, ერთი და იგივე ნიშნის მუხტები ერთმანეთს მოგერიებენ.
ასე რომ, როდესაც სწორედ ეს მუხტები იწყებენ მოძრაობას გამტარში, მასში წარმოიქმნება ელექტრული დენი, რაც აიხსნება როგორც მუხტის რაოდენობის თანაფარდობა, რომელიც მიედინება გამტარში 1 წამში. ძალას, რომელიც მოქმედებს დირიჟორზე მაგნიტურ ველში დენით, ეწოდება ამპერის ძალა და გვხვდება „მარცხენა ხელის“წესის მიხედვით.
ემპირიული მონაცემები
შეგიძლიათ შეხვდეთ მაგნიტურ ურთიერთქმედებას ყოველდღიურ ცხოვრებაში, როდესაც საქმე გაქვთ მუდმივ მაგნიტებთან, ინდუქტორებთან, რელეებთან ან ელექტროძრავებთან. თითოეულ მათგანს აქვს თვალისთვის უხილავი მაგნიტური ველი. მისი მიკვლევა შესაძლებელია მხოლოდ მისი მოქმედებით, რაც მასგავლენას ახდენს მოძრავ ნაწილაკებზე და მაგნიტირებულ სხეულებზე.
ძალა, რომელიც მოქმედებს მაგნიტურ ველში დენის გამტარზე, შეისწავლა და აღწერა ფრანგმა ფიზიკოსმა ამპერმა. არა მხოლოდ ამ ძალას ერქვა მისი სახელი, არამედ მიმდინარე სიძლიერის სიდიდეც. სკოლაში ამპერის კანონები განისაზღვრება, როგორც "მარცხენა" და "მარჯვენა" ხელის წესები.
მაგნიტური ველის მახასიათებლები
უნდა გვესმოდეს, რომ მაგნიტური ველი ყოველთვის ჩნდება არა მხოლოდ ელექტრული დენის წყაროების, არამედ მაგნიტების გარშემოც. ის ჩვეულებრივ გამოსახულია ძალის მაგნიტური ხაზებით. გრაფიკულად, თითქოს მაგნიტზე ქაღალდის ფურცელი იყო მოთავსებული, ზემოდან კი რკინის ჩირქები დაასხეს. ისინი ზუსტად ისე გამოიყურებიან, როგორც ქვემოთ მოცემულ სურათზე.
ფიზიკის ბევრ პოპულარულ წიგნში, მაგნიტური ძალა შემოტანილია ექსპერიმენტული დაკვირვების შედეგად. იგი ბუნების ცალკე ფუნდამენტურ ძალად ითვლება. ასეთი აზრი მცდარია, ფაქტობრივად, მაგნიტური ძალის არსებობა ფარდობითობის პრინციპიდან გამომდინარეობს. მისი არყოფნა ამ პრინციპს დაარღვევს.
არაფერია ფუნდამენტური მაგნიტური ძალის შესახებ - ეს მხოლოდ კულონის კანონის რელატივისტური შედეგია.
მაგნიტების გამოყენება
ლეგენდის თანახმად, ჩვენს წელთაღრიცხვამდე პირველ საუკუნეში კუნძულ მაგნეზიაზე ძველმა ბერძნებმა აღმოაჩინეს უჩვეულო ქვები, რომლებსაც საოცარი თვისებები ჰქონდათ. ისინი იზიდავდნენ საკუთარ თავს რკინისა და ფოლადისგან დამზადებულ ნებისმიერ ნივთს. ბერძნებმა დაიწყეს მათი კუნძულიდან გაყვანა და მათი ქონების შესწავლა. და როცა ქვები ქუჩას ჩაუვარდა ხელშიჯადოქრები, ისინი გახდნენ შეუცვლელი თანაშემწეები ყველა სპექტაკლში. მაგნიტური ქვების ძალის გამოყენებით მათ შეძლეს შეექმნათ მთელი ფანტასტიკური შოუ, რომელმაც მიიპყრო მრავალი მაყურებელი.
როგორც ქვები გავრცელდა მსოფლიოს ყველა კუთხეში, მათ შესახებ ლეგენდები და სხვადასხვა მითები გავრცელდა. ერთხელ ქვები ჩინეთში დასრულდა, სადაც მათ სახელი დაარქვეს იმ კუნძულის მიხედვით, რომელზეც ისინი აღმოაჩინეს. მაგნიტები იქცა იმ დროის ყველა დიდი მეცნიერის შესწავლის საგანი. შენიშნა, რომ თუ მაგნიტურ რკინის ქვას ხის ცურავს დაადებთ, გაასწორებთ და შემდეგ გადაატრიალებთ, ის შეეცდება დაუბრუნდეს საწყის მდგომარეობას. მარტივად რომ ვთქვათ, მასზე მოქმედი მაგნიტური ძალა გარკვეულწილად გადააქცევს რკინის მადანს.
მაგნიტების ამ თვისების გამოყენებით მეცნიერებმა გამოიგონეს კომპასი. ხისგან ან კორპისგან დამზადებულ მრგვალ ფორმაზე ორი ძირითადი ძელი იყო გამოყვანილი და პატარა მაგნიტური ნემსი. ეს დიზაინი დაშვებული იყო წყლით სავსე პატარა თასში. დროთა განმავლობაში, კომპასის მოდელები გაუმჯობესდა და გახდა უფრო ზუსტი. მათ იყენებენ არა მხოლოდ მეზღვაურები, არამედ ჩვეულებრივი ტურისტებიც, რომლებსაც უყვართ უდაბნო და მთიანი ადგილების დათვალიერება.
საინტერესო გამოცდილება
მეცნიერმა ჰანს ოერსტედმა თითქმის მთელი თავისი ცხოვრება ელექტროენერგიასა და მაგნიტებს მიუძღვნა. ერთ დღეს, უნივერსიტეტში ლექციის დროს, მან თავის სტუდენტებს შემდეგი გამოცდილება აჩვენა. მან დენი გაიარა ჩვეულებრივი სპილენძის გამტარში, ცოტა ხნის შემდეგ გამტარი გაცხელდა და დაიწყო მოხრა. ეს იყო თერმული ფენომენიელექტრო დენი. მოსწავლეებმა განაგრძეს ეს ექსპერიმენტები და ერთ-ერთმა შენიშნა, რომ ელექტრო დენს კიდევ ერთი საინტერესო თვისება აქვს. როდესაც დირიჟორში დენი მიედინებოდა, იქვე მდებარე კომპასის ისარი თანდათანობით დაიწყო გადახრა. ამ ფენომენის უფრო დეტალურად შესწავლისას მეცნიერმა აღმოაჩინა ეგრეთ წოდებული ძალა, რომელიც მოქმედებს მაგნიტურ ველში გამტარზე.
ამპერის დენები მაგნიტებში
მეცნიერებმა სცადეს მაგნიტური მუხტის პოვნა, მაგრამ იზოლირებული მაგნიტური პოლუსი ვერ იპოვეს. ეს აიხსნება იმით, რომ ელექტრულისგან განსხვავებით, მაგნიტური მუხტები არ არსებობს. ყოველივე ამის შემდეგ, წინააღმდეგ შემთხვევაში შესაძლებელი იქნებოდა ერთეული მუხტის გამოყოფა მაგნიტის ერთ-ერთი ბოლოების უბრალოდ გაწყვეტით. თუმცა, ეს ქმნის ახალ საპირისპირო პოლუსს მეორე ბოლოში.
სინამდვილეში, ნებისმიერი მაგნიტი არის სოლენოიდი, რომლის ზედაპირზე ცირკულირებს ატომშიდა დენები, მათ ამპერის დენებს უწოდებენ. გამოდის, რომ მაგნიტი შეიძლება ჩაითვალოს ლითონის ღეროდ, რომლის მეშვეობითაც პირდაპირი დენი ბრუნავს. სწორედ ამ მიზეზით არის ის, რომ სოლენოიდში რკინის ბირთვის შეყვანა მნიშვნელოვნად ზრდის მაგნიტურ ველს.
მაგნიტის ენერგია ან EMF
როგორც ნებისმიერი ფიზიკური ფენომენი, მაგნიტურ ველს აქვს ენერგია, რომელიც საჭიროა მუხტის გადასაადგილებლად. არსებობს EMF (ელექტრომოძრავი ძალის) კონცეფცია, ის განისაზღვრება, როგორც სამუშაო ერთეულის მუხტის გადაადგილება A0 წერტილიდან A1 წერტილიდან..
EMF აღწერილია ფარადეის კანონებით, რომლებიც გამოიყენება სამ სხვადასხვა ფიზიკურადსიტუაციები:
- გატარებული წრე მოძრაობს წარმოქმნილ ერთგვაროვან მაგნიტურ ველში. ამ შემთხვევაში ისინი საუბრობენ მაგნიტურ ემფ-ზე.
- კონტური ისვენებს, მაგრამ თავად მაგნიტური ველის წყარო მოძრაობს. ეს უკვე ელექტრო ემფ-ის ფენომენია.
- საბოლოოდ, მაგნიტური ველის წრე და წყარო სტაციონარულია, მაგრამ დენი, რომელიც ქმნის მაგნიტურ ველს, იცვლება.
რიცხობრივად, EMF ფარადეის ფორმულის მიხედვით არის: EMF=W/q.
შესაბამისად, ელექტრომოძრავი ძალა არ არის ძალა პირდაპირი მნიშვნელობით, რადგან ის იზომება ჯულებში კულონზე ან ვოლტებში. გამოდის, რომ ის წარმოადგენს ენერგიას, რომელიც გადაეცემა გამტარ ელექტრონს მიკროსქემის გვერდის ავლით. ყოველ ჯერზე, როდესაც ხდება გენერატორის მბრუნავი ჩარჩოს შემდეგი რაუნდი, ელექტრონი იძენს ენერგიას, რომელიც რიცხობრივად ტოლია EMF. ეს დამატებითი ენერგია შეიძლება გადაიცეს არა მხოლოდ ატომების შეჯახებისას გარე ჯაჭვში, არამედ გამოიყოფა ჯოულის სითბოს სახით.
ლორენცის ძალა და მაგნიტები
მაგნიტურ ველში დენზე მოქმედი ძალა განისაზღვრება შემდეგი ფორმულით: q|v||B|sin a (მაგნიტური ველის მუხტის ნამრავლი, იმავე ნაწილაკების სიჩქარის მოდულები, ველის ინდუქციის ვექტორი და კუთხის სინუსი მათ მიმართულებებს შორის). ძალას, რომელიც მოქმედებს მაგნიტურ ველში მოძრავი ერთეულის მუხტზე, ეწოდება ლორენცის ძალას. საინტერესო ფაქტია, რომ ნიუტონის მე-3 კანონი ამ ძალისთვის არასწორია. ის ემორჩილება მხოლოდ იმპულსის შენარჩუნების კანონს, რის გამოც ლორენცის ძალის პოვნისას ყველა პრობლემა უნდა გადაწყდეს მის საფუძველზე. მოდი გავარკვიოთ როგორთქვენ შეგიძლიათ განსაზღვროთ მაგნიტური ველის სიძლიერე.
პრობლემები და გადაწყვეტილებების მაგალითები
იმისთვის, რომ იპოვოთ ძალა, რომელიც წარმოიქმნება დირიჟორის გარშემო დენით, თქვენ უნდა იცოდეთ რამდენიმე რაოდენობა: მუხტი, მისი სიჩქარე და წარმოქმნილი მაგნიტური ველის ინდუქციის მნიშვნელობა. შემდეგი ამოცანა დაგეხმარებათ გაიგოთ, როგორ გამოვთვალოთ ლორენცის ძალა.
დასაზღვრეთ პროტონზე მოქმედი ძალა, რომელიც მოძრაობს 10 მმ/წმ სიჩქარით მაგნიტურ ველში 0,2 C ინდუქციის მქონე (მათ შორის კუთხე არის 90o, ვინაიდან დამუხტული ნაწილაკი ინდუქციის ხაზების პერპენდიკულურად მოძრაობს). გამოსავალი მოდის მუხტის პოვნაზე. მუხტების ცხრილის დათვალიერებისას აღმოვაჩენთ, რომ პროტონს აქვს მუხტი 1,610-19 Cl. შემდეგი, ჩვენ ვიანგარიშებთ ძალას ფორმულის გამოყენებით: 1, 610-19100, 21 (მართი კუთხის სინუსი არის 1)=3, 2 10- 19 ნიუტონი.
