Una delle sezioni più importanti della fisica moderna sono le interazioni elettromagnetiche e tutte le definizioni ad esse correlate. È questa interazione che spiega tutti i fenomeni elettrici. La teoria dell'elettricità copre molte altre aree, inclusa l'ottica, poiché la luce è una radiazione elettromagnetica. In questo articolo cercheremo di spiegare l'essenza della corrente elettrica e della forza magnetica in un linguaggio accessibile e comprensibile.
Il magnetismo è il fondamento delle basi
Da bambini, gli adulti ci hanno mostrato vari trucchi magici usando i magneti. Queste fantastiche figurine, che sono attratte l'una dall' altra e possono attrarre piccoli giocattoli, hanno sempre soddisfatto gli occhi dei bambini. Cosa sono i magneti e come agisce la forza magnetica sulle parti in ferro?
Spiegando in linguaggio scientifico, devi rivolgerti a una delle leggi di base della fisica. Secondo la legge di Coulomb e la teoria della relatività speciale, sulla carica agisce una certa forza, che è direttamente proporzionale alla velocità della carica stessa (v). Questa interazione è chiamataforza magnetica.
Caratteristiche fisiche
In generale, va inteso che eventuali fenomeni magnetici si verificano solo quando le cariche si muovono all'interno del conduttore o in presenza di correnti al suo interno. Quando si studiano i magneti e la definizione stessa di magnetismo, si dovrebbe capire che sono strettamente correlati al fenomeno della corrente elettrica. Pertanto, capiamo l'essenza della corrente elettrica.
La forza elettrica è la forza che agisce tra un elettrone e un protone. È numericamente molto maggiore del valore della forza gravitazionale. È generato da una carica elettrica, o meglio, dal suo movimento all'interno del conduttore. Le accuse, a loro volta, sono di due tipi: positive e negative. Come sapete, le particelle con carica positiva sono attratte da quelle con carica negativa. Tuttavia, le cariche dello stesso segno tendono a respingersi a vicenda.
Quindi, quando queste stesse cariche iniziano a muoversi nel conduttore, in esso si genera una corrente elettrica, che è spiegata come il rapporto tra la quantità di carica che scorre attraverso il conduttore in 1 secondo. La forza che agisce su un conduttore con corrente in un campo magnetico è chiamata forza Ampere e si trova secondo la regola della "mano sinistra".
Dati empirici
Puoi incontrare l'interazione magnetica nella vita di tutti i giorni quando hai a che fare con magneti permanenti, induttori, relè o motori elettrici. Ognuno di loro ha un campo magnetico invisibile agli occhi. Può essere rintracciato solo dalla sua azione, che essocolpisce le particelle in movimento e i corpi magnetizzati.
La forza che agisce su un conduttore di corrente in un campo magnetico è stata studiata e descritta dal fisico francese Ampère. Non solo questa forza porta il suo nome, ma anche l'entità della forza attuale. A scuola, le leggi di Ampère sono definite come le regole della mano "sinistra" e "destra".
Caratteristiche del campo magnetico
Dovrebbe essere chiaro che un campo magnetico si verifica sempre non solo attorno alle sorgenti di corrente elettrica, ma anche attorno ai magneti. Di solito è raffigurato con linee di forza magnetiche. Graficamente, sembra che un foglio di carta sia stato posizionato su un magnete e sopra sia stata versata una limatura di ferro. Sembreranno esattamente come l'immagine qui sotto.
In molti libri popolari di fisica, la forza magnetica viene introdotta come risultato di osservazioni sperimentali. È considerata una forza fondamentale separata della natura. Tale idea è erronea, infatti l'esistenza di una forza magnetica deriva dal principio di relatività. La sua assenza violerebbe questo principio.
Non c'è nulla di fondamentale nella forza magnetica - è solo una conseguenza relativistica della legge di Coulomb.
Utilizzare i magneti
Secondo la leggenda, nel I secolo d. C. sull'isola di Magnesia, gli antichi greci scoprirono pietre insolite che avevano proprietà sorprendenti. Attraevano a sé qualsiasi cosa fatta di ferro o di acciaio. I Greci cominciarono a portarli fuori dall'isola ea studiarne le proprietà. E quando le pietre caddero nelle mani della stradamaghi, sono diventati assistenti indispensabili in tutte le loro esibizioni. Usando i poteri delle pietre magnetiche, sono stati in grado di creare un intero spettacolo fantastico che ha attratto molti spettatori.
Mentre le pietre si diffondevano in tutte le parti del mondo, leggende e vari miti iniziarono a circolare su di esse. Una volta le pietre finirono in Cina, dove presero il nome dall'isola su cui furono trovate. I magneti divennero oggetto di studio di tutti i grandi scienziati dell'epoca. È stato notato che se metti una pietra di ferro magnetica su un galleggiante di legno, la fissi e poi la giri, proverà a tornare nella sua posizione originale. In poche parole, la forza magnetica che agisce su di esso trasformerà il minerale di ferro in un certo modo.
Usando questa proprietà dei magneti, gli scienziati hanno inventato la bussola. Su una forma rotonda in legno o sughero sono stati disegnati due poli principali ed è stato installato un piccolo ago magnetico. Questo disegno è stato calato in una piccola ciotola piena d'acqua. Nel tempo, i modelli di bussola sono migliorati e sono diventati più accurati. Sono utilizzati non solo dai marinai, ma anche dai turisti ordinari che amano esplorare le aree desertiche e montuose.
Esperienze interessanti
Lo scienziato Hans Oersted ha dedicato quasi tutta la sua vita all'elettricità e ai magneti. Un giorno, durante una lezione all'università, mostrò ai suoi studenti la seguente esperienza. Ha fatto passare una corrente attraverso un normale conduttore di rame, dopo un po 'il conduttore si è riscaldato e ha iniziato a piegarsi. Era un fenomeno termicocorrente elettrica. Gli studenti hanno continuato questi esperimenti e uno di loro ha notato che la corrente elettrica ha un' altra proprietà interessante. Quando la corrente scorreva nel conduttore, la freccia della bussola situata nelle vicinanze iniziò a deviare a poco a poco. Studiando più in dettaglio questo fenomeno, lo scienziato ha scoperto la cosiddetta forza che agisce su un conduttore in un campo magnetico.
Correnti ampere nei magneti
Gli scienziati hanno tentato di trovare una carica magnetica, ma non è stato possibile trovare un polo magnetico isolato. Ciò è spiegato dal fatto che, a differenza dell'elettricità, le cariche magnetiche non esistono. Dopotutto, altrimenti sarebbe possibile separare una carica unitaria semplicemente rompendo una delle estremità del magnete. Tuttavia, questo crea un nuovo polo opposto all' altra estremità.
Infatti, qualsiasi magnete è un solenoide, sulla cui superficie circolano correnti intraatomiche, si chiamano correnti Ampère. Si scopre che il magnete può essere considerato come un'asta di metallo attraverso la quale circola una corrente continua. È per questo motivo che l'introduzione di un nucleo di ferro nel solenoide aumenta notevolmente il campo magnetico.
Energia magnetica o EMF
Come ogni fenomeno fisico, un campo magnetico ha l'energia necessaria per spostare una carica. C'è il concetto di EMF (forza elettromotrice), è definito come il lavoro per spostare una carica unitaria dal punto A0 al punto A1.
L'EMF è descritto dalle leggi di Faraday, che sono applicate in tre differentisituazioni:
- Il circuito condotto si muove nel campo magnetico uniforme generato. In questo caso si parla di emf magnetica.
- Il contorno è fermo, ma la sorgente del campo magnetico stesso si sta muovendo. Questo è già un fenomeno elettrico emf.
- Infine, il circuito e la sorgente del campo magnetico sono stazionari, ma la corrente che crea il campo magnetico sta cambiando.
Numericamente, l'EMF secondo la formula di Faraday è: EMF=W/q.
Di conseguenza, la forza elettromotrice non è una forza in senso letterale, poiché si misura in Joule per Coulomb o in Volt. Si scopre che rappresenta l'energia che viene impartita all'elettrone di conduzione quando bypassa il circuito. Ogni volta, compiendo il giro successivo del telaio rotante del generatore, l'elettrone acquisisce un'energia numericamente uguale all'EMF. Questa energia aggiuntiva non solo può essere trasferita durante le collisioni di atomi nella catena esterna, ma può anche essere rilasciata sotto forma di calore Joule.
Forza di Lorentz e magneti
La forza che agisce sulla corrente in un campo magnetico è determinata dalla seguente formula: q|v||B|sin a (il prodotto della carica del campo magnetico, i moduli di velocità della stessa particella, il vettore di induzione di campo e il seno dell'angolo tra le loro direzioni). La forza che agisce sulla carica di un'unità in movimento in un campo magnetico è chiamata forza di Lorentz. Un fatto interessante è che la terza legge di Newton non è valida per questa forza. Obbedisce solo alla legge di conservazione della quantità di moto, motivo per cui tutti i problemi nel trovare la forza di Lorentz dovrebbero essere risolti sulla base di essa. Scopriamo comepuoi determinare l'intensità del campo magnetico.
Problemi ed esempi di soluzioni
Per trovare la forza che si forma attorno a un conduttore con la corrente, devi conoscere diverse grandezze: la carica, la sua velocità e il valore dell'induzione del campo magnetico emergente. Il seguente problema ti aiuterà a capire come calcolare la forza di Lorentz.
Determina la forza che agisce su un protone che si muove a una velocità di 10 mm/s in un campo magnetico con un'induzione di 0,2 C (l'angolo tra di loro è 90o, poiché una particella carica si muove perpendicolarmente alle linee di induzione). La soluzione si riduce a trovare la carica. Osservando la tabella delle cariche, troviamo che il protone ha una carica di 1,610-19 Cl. Successivamente, calcoliamo la forza usando la formula: 1, 610-19100, 21 (il seno dell'angolo retto è 1)=3, 2 10- 19 Newton.
