Interakcije.
Magnetna interakcija između željeza i magneta ili između magneta se događa ne samo kada su u direktnom kontaktu, već i na udaljenosti. Kako se udaljenost povećava, sila interakcije se smanjuje, a na dovoljno velikoj udaljenosti prestaje biti primjetna. Posljedično, svojstva dijela prostora u blizini magneta razlikuju se od svojstava onog dijela prostora u kojem se magnetske sile ne manifestiraju. U prostoru gdje se pojavljuju magnetne sile, postoji magnetsko polje.
Ako se magnetna igla unese u magnetsko polje, ona će se postaviti na vrlo određen način, a na različitim mjestima u polju različito će se ugraditi.
Godine 1905., Paul Langevin, zasnovan na Larmorovoj teoremi i Lorentzovoj elektronskoj teoriji, razvio je klasično tumačenje teorije dija- i paramagnetizma.
Prirodni i umjetni magneti
Magnetit (magnetna željezna ruda) - kamen koji privlači željezo, opisali su drevni naučnici. To je takozvani prirodni magnet, koji se prilično često nalazi u prirodi. To je široko rasprostranjen mineral sa sastavom od 31% FeO i 69% Fe2O3, koji sadrži 72,4% gvožđa.Ako od takvog materijala izrežete traku i objesite je na konac, tada će se postaviti u prostor na vrlo specifičan način: duž ravne linije koja ide od sjevera prema jugu. Ako traku izvadite iz ovog stanja, odnosno odvojite je od smjera u kojem je bila, a zatim je ponovo ostavite samoj sebi, tada će traka, nakon nekoliko oscilacija, zauzeti svoj prethodni položaj, spuštajući se u smjeru od sjevera prema jugu.
Ako ovu traku uronite u gvozdene strugotine, one neće svuda biti jednako privučene trakom. Najveća sila privlačenja bit će na krajevima trake, koji su bili okrenuti prema sjeveru i jugu.
Ta mjesta na traci, gdje se nalazi najveća sila privlačenja, nazivaju se magnetni polovi. Pol koji pokazuje na sjever naziva se sjeverni pol magneta (ili pozitivan) i označava se slovom N (ili C); pol usmjeren prema jugu" naziva se južni pol (ili negativ) i označava se slovom S (ili Yu). Interakcija polova magneta može se proučavati na sljedeći način. Uzmimo dvije trake magnetita i objesimo jednu od njih na konac, kao što je već spomenuto. Držeći drugu traku u ruci, donijet ćemo je do prve s različitim motkama.
Ispada da ako južni pol druge trake približite sjevernom polu jedne trake, tada će se između polova pojaviti privlačne sile, a traka obješena na niti će se privući. Ako se i druga traka dovede do sjevernog pola viseće trake sa svojim sjevernim polom, tada će obješena traka biti odbijena.
Izvođenjem ovakvih eksperimenata može se uvjeriti u valjanost Hilbertovog zakona o interakciji magnetskih polova: slični polovi se odbijaju, a različiti privlače.
Ako bismo željeli podijeliti magnet na pola kako bismo odvojili sjeverni magnetni pol od južnog, ispostavilo se da to ne bismo mogli. Presijecanjem magneta na pola, dobijamo dva magneta, svaki sa dva pola. Ako bismo ovaj proces nastavili dalje, onda, kako iskustvo pokazuje, nikada ne bismo mogli dobiti magnet sa jednim polom. Ovo iskustvo nas uvjerava da polovi magneta ne postoje odvojeno, kao što negativni i pozitivni električni naboji postoje odvojeno. Shodno tome, elementarni nosioci magnetizma, ili, kako ih zovu, elementarni magneti, takođe moraju imati dva pola.
Gore opisani prirodni magneti trenutno se praktički ne koriste. Umjetni trajni magneti su mnogo jači i praktičniji. Najlakši način da napravite trajni umjetni magnet je od čelične trake, ako je protrljate od sredine do krajeva suprotnim polovima prirodnih ili drugih umjetnih magneta. Magneti u obliku trake nazivaju se trakasti magneti. Često je zgodnije koristiti magnet u obliku potkovice. Ova vrsta magneta se naziva potkovičasti magnet.
Umjetni magneti se obično prave na način da se na njihovim krajevima stvaraju suprotni magnetni polovi. Međutim, to uopće nije potrebno. Moguće je napraviti magnet u kojem će oba kraja imati isti pol, na primjer sjeverni. Takav magnet možete napraviti trljanjem čelične trake s jednakim polovima od sredine do krajeva.
Međutim, sjeverni i južni pol takvog magneta su neodvojivi. Zaista, ako ga uronite u piljevinu, oni će biti snažno privučeni ne samo rubovima magneta, već i njegovom sredinom. Lako je provjeriti da se sjeverni polovi nalaze na rubovima, a južni u sredini.
Magnetna svojstva. Klase supstanci
Kombinirano ponašanje takvih mini-magneta atoma u kristalnoj rešetki određuje magnetska svojstva tvari. Na osnovu svojih magnetnih svojstava, tvari se dijele u tri glavne klase: feromagneti, paramagneti I dijamagnetnih materijala. Postoje i dvije odvojene podklase materijala odvojene od opće klase feromagneta - antiferomagneti I ferimagneti. U oba slučaja, ove tvari pripadaju klasi feromagneta, ali imaju posebna svojstva na niskim temperaturama: magnetna polja susjednih atoma se postavljaju strogo paralelno, ali u suprotnim smjerovima. Antiferomagneti se sastoje od atoma jednog elementa i, kao rezultat, njihovo magnetsko polje postaje nula. Ferimagneti su legure dvije ili više tvari, a rezultat superpozicije suprotno usmjerenih polja je makroskopsko magnetsko polje svojstveno materijalu kao cjelini.Feromagneti
Neke tvari i legure (prvenstveno željezo, nikl i kobalt) na temperaturama nižim Curie tačke stječu svojstvo građenja svoje kristalne rešetke na način da se magnetska polja atoma ispostavi da su jednosmjerna i da se međusobno pojačavaju, zbog čega nastaje makroskopsko magnetsko polje izvan materijala. Gore navedeni trajni magneti se dobijaju od takvih materijala. Zapravo, magnetsko poravnanje atoma se obično ne proteže na neograničenu zapreminu feromagnetnog materijala: magnetizacija je ograničena na zapreminu koja sadrži od nekoliko hiljada do nekoliko desetina hiljada atoma, a takva zapremina materijala se obično naziva domena(od engleskog domena - “područje”). Kada se gvožđe ohladi ispod Curie tačke, formiraju se mnoge domene, u svakoj od kojih je magnetsko polje orijentisano na svoj način. Stoga, u svom normalnom stanju, čvrsto željezo nije magnetizirano, iako se unutar njega formiraju domeni, od kojih je svaki gotov mini-magnet. Međutim, pod utjecajem vanjskih uvjeta (na primjer, kada se istopljeno željezo stvrdne u prisustvu snažnog magnetskog polja), domeni su raspoređeni na uredan način i njihova magnetna polja se međusobno pojačavaju. Tada dobijamo pravi magnet - tijelo sa izraženim vanjskim magnetskim poljem. Upravo tako su dizajnirani trajni magneti.
Paramagneti
U većini materijala ne postoje unutrašnje sile koje bi uskladile magnetnu orijentaciju atoma, ne formiraju se domeni, a magnetska polja pojedinačnih atoma su nasumično usmjerena. Zbog toga se polja pojedinačnih atoma magneta međusobno poništavaju, a takvi materijali nemaju vanjsko magnetsko polje. Međutim, kada se takav materijal stavi u jako vanjsko polje (na primjer, između polova snažnog magneta), magnetna polja atoma su orijentirana u smjeru koji se poklapa sa smjerom vanjskog magnetskog polja, a mi opažamo efekat jačanja magnetnog polja u prisustvu takvog materijala. Materijali sličnih svojstava nazivaju se paramagneti. Međutim, čim se vanjsko magnetsko polje ukloni, paramagnet se odmah demagnetizira, budući da se atomi opet haotično postavljaju. Odnosno, paramagnetne materijale karakteriše sposobnost privremenog magnetiziranja.
Dijamagneti
U supstancama čiji atomi nemaju svoj magnetni moment (odnosno u onima gdje se magnetna polja gase u pupoljku - na nivou elektrona), može nastati magnetizam drugačije prirode. Prema Faradejevom drugom zakonu elektromagnetne indukcije, kada se fluks magnetskog polja koji prolazi kroz strujnu petlju povećava, promjena električne struje u petlji suprotstavlja se povećanju magnetskog fluksa. Kao rezultat toga, ako se tvar koja nema vlastita magnetska svojstva uvede u jako magnetsko polje, elektroni u atomskim orbitama, koji su mikroskopski krugovi sa strujom, promijenit će prirodu svog kretanja na način da spriječi povećanje magnetnog fluksa, odnosno stvorit će vlastito magnetsko polje, usmjereno u suprotnom smjeru u odnosu na vanjsko polje. Takvi materijali se obično nazivaju dijamagnetnim.
Magnetizam u prirodi
Mnoge prirodne pojave određene su upravo magnetskim silama. Oni su izvor mnogih fenomena mikrosvijeta: ponašanja atoma, molekula, atomskih jezgara i elementarnih čestica - elektrona, protona, neutrona, itd. Osim toga, magnetne pojave karakteristične su i za ogromna nebeska tijela: Sunce i Zemlja su ogromni magneti. Polovina energije elektromagnetnih talasa (radio talasa, infracrvenog, vidljivog i ultraljubičastog zračenja, rendgenskih i gama zraka) je magnetna. Zemljino magnetsko polje se manifestira u nizu fenomena, a posebno se pokazuje kao jedan od razloga za pojavu aurore.U principu nemagnetne supstance ne postoje. Svaka tvar je uvijek "magnetna", odnosno mijenja svoja svojstva u magnetskom polju. Ponekad su ove promjene vrlo male i mogu se otkriti samo pomoću posebne opreme; ponekad su prilično značajni i mogu se otkriti bez većih poteškoća upotrebom vrlo jednostavnih sredstava. Slabo magnetne supstance uključuju aluminijum, bakar, vodu, živu, itd.; visoko magnetne ili jednostavno magnetne (na normalnim temperaturama) uključuju željezo, nikal, kobalt i neke legure.
Upotreba magnetizma
Moderna elektrotehnika vrlo široko koristi magnetna svojstva materije za stvaranje električne energije i pretvaranje u razne druge vrste energije. U žičanim i bežičnim komunikacionim uređajima, u televiziji, automatizaciji i telemehanici koriste se materijali sa određenim magnetnim svojstvima. Magnetski fenomeni takođe igraju značajnu ulogu u živoj prirodi.Izuzetna zajedničkost magnetskih pojava i njihov ogroman praktični značaj prirodno dovode do činjenice da je proučavanje magnetizma jedna od najvažnijih grana moderne fizike.
Magnetizam je također sastavni dio kompjuterskog svijeta: sve do 2010-ih, magnetni mediji za pohranu podataka (kompaktne kasete, flopi diskovi, itd.) bili su vrlo česti u svijetu, ali magnetno-optički mediji za pohranu podataka (DVD-RAM) se i dalje „citiraju ”
Jačina električnog polja
Jačina električnog polja je vektorska karakteristika polja, sila koja djeluje na jedinični električni naboj koji miruje u datom referentnom okviru.
Napetost se određuje po formuli:
$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$
gdje je $E↖(→)$ jačina polja; $F↖(→)$ je sila koja djeluje na naboj $q$ postavljen u datu tačku u polju. Smjer vektora $E↖(→)$ poklapa se sa smjerom sile koja djeluje na pozitivni naboj i suprotan je smjeru sile koja djeluje na negativni naboj.
SI jedinica napona je volt po metru (V/m).
Jačina polja tačkastog naboja. Prema Coulombovom zakonu, tačkasto naelektrisanje $q_0$ djeluje na drugi naboj $q$ sa silom jednakom
$F=k(|q_0||q|)/(r^2)$
Modul jačine polja tačkastog naboja $q_0$ na udaljenosti $r$ od njega je jednak
$E=(F)/(q)=k(|q_0|)/(r^2)$
Vektor intenziteta u bilo kojoj tački električnog polja usmjeren je duž prave linije koja povezuje ovu tačku i naboj.
Linije električnog polja
Električno polje u prostoru obično je predstavljeno linijama sile. Koncept linija sile uveo je M. Faraday dok je proučavao magnetizam. Ovaj koncept je zatim razvio J. Maxwell u svom istraživanju elektromagnetizma.
Linija sile, ili linija jakosti električnog polja, je linija čija se tangenta u svakoj tački poklapa sa smjerom sile koja djeluje na pozitivno tačkasto naelektrisanje koje se nalazi u toj tački polja.
Zatezne linije pozitivno nabijene lopte;
Zatezne linije dvije suprotno nabijene kuglice;
Zatezne linije dvije slično nabijene kuglice
Zatezne linije dvije ploče nabijene nabojima različitih znakova, ali jednake po apsolutnoj vrijednosti.
Zatezne linije na posljednjoj slici su gotovo paralelne u prostoru između ploča, a njihova gustina je ista. Ovo sugeriše da je polje u ovoj oblasti prostora jednolično. Električno polje se naziva homogenim ako je njegova jačina jednaka u svim tačkama prostora.
U elektrostatičkom polju linije sile nisu zatvorene; one uvijek počinju na pozitivnim nabojima i završavaju na negativnim. One se nigde ne seku; presek linija polja bi ukazivao na nesigurnost smera jačine polja u tački preseka. Gustina linija polja je veća u blizini nabijenih tijela, gdje je jačina polja veća.
Polje nabijene lopte. Jačina polja nabijene provodne lopte na udaljenosti od centra lopte koja prelazi njen polumjer $r≥R$ određena je istom formulom kao i polja točkastog naboja. O tome svjedoči raspodjela linija polja, slična raspodjeli linija intenziteta tačkastog naboja.
Naboj lopte ravnomjerno je raspoređen po njenoj površini. Unutar provodljive lopte, jačina polja je nula.
Magnetno polje. Interakcija magneta
Fenomen interakcije između trajnih magneta (uspostavljanje magnetne igle duž Zemljinog magnetskog meridijana, privlačenje različitih polova, odbijanje sličnih polova) poznat je od davnina i sistematski ga je proučavao W. Gilbert (rezultati su objavljen 1600. u svojoj raspravi „O magnetu, magnetnim tijelima i velikom magnetu – Zemlji“).
Prirodni (prirodni) magneti
Magnetska svojstva nekih prirodnih minerala bila su poznata još u antičko doba. Dakle, postoje pisani dokazi od prije više od 2000 godina o korištenju prirodnih trajnih magneta kao kompasa u Kini. Privlačenje i odbijanje magneta i magnetiziranje gvozdenih strugotina od njih spominju se u radovima starogrčkih i rimskih naučnika (na primjer, u pjesmi „O prirodi stvari“ Lukrecija Kara).
Prirodni magneti su komadi magnetne željezne rude (magnetit), koji se sastoje od $FeO$ (31%) i $Fe_2O$ (69%). Ako se takav komad minerala približi malim željeznim predmetima - ekserima, piljevinom, tankom oštricom itd., oni će biti privučeni.
Umjetni trajni magneti
Trajni magnet- ovo je proizvod napravljen od materijala koji je autonoman (nezavisan, izolovan) izvor konstantnog magnetnog polja.
Umjetni trajni magneti izrađuju se od posebnih legura, koje uključuju željezo, nikl, kobalt itd. Ovi metali dobijaju magnetna svojstva (magnetiziraju) ako se približe trajnim magnetima. Stoga se, da bi se od njih napravili trajni magneti, posebno drže u jakim magnetnim poljima, nakon čega i sami postaju izvori konstantnog magnetskog polja i mogu dugo zadržati magnetska svojstva.
Na slici su prikazani magneti u obliku luka i trake.
Na sl. date su slike magnetnih polja ovih magneta, dobijene metodom koju je M. Faraday prvi upotrijebio u svom istraživanju: uz pomoć željeznih strugotina razasutih po listu papira na kojem leži magnet. Svaki magnet ima dva pola - to su mjesta najveće koncentracije linija magnetnog polja (također se nazivaju linije magnetnog polja, ili linije magnetnog indukcionog polja). Ovo su mjesta koja gvozdene opiljke najviše privlače. Obično se zove jedan od polova sjeverno(($N$), ostalo - južni($S$). Ako dva magneta približite jedan drugom sa sličnim polovima, možete vidjeti da se odbijaju, a ako imaju suprotne polove, privlače.
Na sl. jasno se vidi da su magnetne linije magneta zatvorene linije. Prikazane su linije magnetskog polja dva magneta okrenuta jedan prema drugom sa sličnim i različitim polovima. Centralni dio ovih slika podsjeća na šare električnih polja dvaju naboja (suprotnih i sličnih). Međutim, značajna razlika između električnog i magnetskog polja je u tome što linije električnog polja počinju i završavaju na nabojima. Magnetna naelektrisanja ne postoje u prirodi. Linije magnetskog polja napuštaju sjeverni pol magneta i ulaze u južni; nastavljaju se u tijelu magneta, odnosno, kao što je već spomenuto, to su zatvorene linije. Poziva se polja čije su linije polja zatvorene vortex. Magnetno polje je vrtložno polje (to je njegova razlika od električnog).
Primena magneta
Najstariji magnetski uređaj je dobro poznati kompas. U savremenoj tehnologiji magneti se koriste vrlo široko: u elektromotorima, u radiotehnici, u električnoj mjernoj opremi itd.
Zemljino magnetno polje
Globus je magnet. Kao i svaki magnet, ima svoje magnetno polje i svoje magnetne polove. Zbog toga je igla kompasa orijentirana u određenom smjeru. Jasno je gde tačno treba da bude severni pol magnetne igle, jer suprotni polovi se privlače. Dakle, sjeverni pol magnetne igle pokazuje na južni magnetni pol Zemlje. Ovaj pol se nalazi na severu globusa, nešto dalje od severnog geografskog pola (na Ostrvu Princa od Velsa - oko 75°$ severne geografske širine i 99°$ zapadne geografske dužine, na udaljenosti od približno 2100$ km od severnog geografskog stub).
Kada se približavaju sjevernom geografskom polu, linije sile Zemljinog magnetskog polja se sve više naginju prema horizontu pod većim uglom, a u području južnog magnetnog pola postaju okomite.
Sjeverni magnetni pol Zemlje nalazi se blizu južnog geografskog pola, odnosno na 66,5°$ južne geografske širine i 140°$ istočne geografske dužine. Ovdje linije magnetnog polja izlaze iz Zemlje.
Drugim riječima, Zemljini magnetni polovi se ne poklapaju sa njenim geografskim polovima. Stoga se smjer magnetske igle ne poklapa sa smjerom geografskog meridijana, a magnetska igla kompasa samo približno pokazuje smjer prema sjeveru.
Na igla kompasa mogu uticati i neki prirodni fenomeni, npr. magnetne oluje, koje su privremene promjene u magnetskom polju Zemlje povezane sa sunčevom aktivnošću. Sunčeva aktivnost je praćena emisijom tokova nabijenih čestica, posebno elektrona i protona, sa površine Sunca. Ovi tokovi, krećući se velikom brzinom, stvaraju vlastito magnetsko polje koje je u interakciji sa magnetnim poljem Zemlje.
Na globusu (osim kratkotrajnih promjena magnetnog polja) postoje područja u kojima postoji konstantno odstupanje smjera magnetske igle od smjera Zemljine magnetske linije. Ovo su područja magnetna anomalija(od grčke anomalije - odstupanje, abnormalnost). Jedno od najvećih takvih područja je Kurska magnetna anomalija. Anomalije su uzrokovane ogromnim naslagama željezne rude na relativno maloj dubini.
Zemljino magnetsko polje pouzdano štiti površinu Zemlje od kosmičkog zračenja čije je djelovanje na žive organizme destruktivno.
Letovi međuplanetarnih svemirskih stanica i brodova omogućili su da se utvrdi da Mjesec i planeta Venera nemaju magnetno polje, dok planeta Mars ima vrlo slabo.
Eksperimenti Oerstedai Amperea. Indukcija magnetnog polja
1820. danski naučnik G. H. Oersted otkrio je da magnetna igla postavljena u blizini provodnika kroz koji struja teče rotira, težeći da bude okomita na provodnik.
Dijagram eksperimenta G. H. Oersteda prikazan je na slici. Provodnik uključen u strujni krug nalazi se iznad magnetne igle paralelno s njegovom osi. Kada je krug zatvoren, magnetna igla odstupa od svog prvobitnog položaja. Kada se krug otvori, magnetna igla se vraća u prvobitni položaj. Iz toga slijedi da provodnik sa strujom i magnetna igla međusobno djeluju. Na osnovu ovog eksperimenta možemo zaključiti da postoji magnetsko polje povezano s protokom struje u vodiču i vrtložnom prirodom ovog polja. Opisani eksperiment i njegovi rezultati bili su Oerstedovo najvažnije naučno dostignuće.
Iste godine, francuski fizičar Ampere, koji je bio zainteresovan za Oerstedove eksperimente, otkrio je interakciju dva ravna provodnika sa strujom. Ispostavilo se da ako struje u provodnicima teku u jednom smjeru, tj. paralelne su, onda se provodnici privlače, ako su u suprotnim smjerovima (tj. antiparalelni), onda se odbijaju.
Interakcije između provodnika sa strujom, odnosno interakcije između pokretnih električnih naboja, nazivaju se magnetskim, a sile kojima provodnici sa strujom djeluju jedan na drugog nazivaju se magnetske sile.
Prema teoriji kratkog dometa, koje se pridržavao M. Faraday, struja u jednom od provodnika ne može direktno uticati na struju u drugom provodniku. Slično kao kod stacionarnih električnih naboja oko kojih postoji električno polje, zaključeno je da u prostoru koji okružuje struje postoji magnetno polje, koji djeluje s određenom silom na drugi provodnik sa strujom koji se nalazi u ovom polju ili na trajni magnet. Zauzvrat, magnetsko polje koje stvara drugi provodnik sa strujom djeluje na struju u prvom vodiču.
Baš kao što se električno polje detektuje njegovim uticajem na probni naboj uveden u ovo polje, magnetno polje se može detektovati orijentacionim efektom magnetnog polja na okviru sa strujom male (u poređenju sa udaljenostima na kojima je magnetno polje polje se primetno menja) dimenzije.
Žice koje dovode struju u okvir trebale bi biti isprepletene (ili postavljene blizu jedna drugoj), tada će rezultirajuća sila koju magnetsko polje djeluje na ove žice biti nula. Sile koje djeluju na takav okvir sa strujom će ga rotirati tako da njegova ravnina postane okomita na linije indukcije magnetskog polja. U primjeru, okvir će se rotirati tako da provodnik sa strujom bude u ravnini okvira. Kada se promijeni smjer struje u provodniku, okvir će se rotirati $180°$. U polju između polova stalnog magneta, okvir će se okretati u ravni koja je okomita na magnetske linije sile magneta.
Magnetna indukcija
Magnetna indukcija ($B↖(→)$) je vektorska fizička veličina koja karakteriše magnetno polje.
Smjer vektora magnetske indukcije $B↖(→)$ uzima se kao:
1) smjer od južnog pola $S$ do sjevernog pola $N$ magnetne igle slobodno postavljene u magnetskom polju, ili
2) smjer pozitivne normale na zatvoreno kolo sa strujom na fleksibilnom ovjesu, slobodno postavljenom u magnetskom polju. Pozitivnom se smatra normala usmjerena prema kretanju vrha gimleta (sa desnim navojem), čija je ručka rotirana u smjeru struje u okviru.
Jasno je da se pravci 1) i 2) poklapaju, što je utvrđeno Amperovim eksperimentima.
Što se tiče veličine magnetne indukcije (tj. njenog modula) $B$, koja bi mogla karakterizirati jačinu polja, eksperimentima je utvrđeno da najveća sila $F$ kojom polje djeluje na provodnik sa strujom (postavljen okomito) magnetnom polju indukcionih linija), zavisi od struje $I$ u provodniku i od njegove dužine $∆l$ (proporcionalne njima). Međutim, sila koja djeluje na element struje (jedinične dužine i jačine struje) ovisi samo o samom polju, tj. omjer $(F)/(I∆l)$ za dato polje je konstantna vrijednost (slično omjer sile i naboja za električno polje). Ova vrijednost je određena kao magnetna indukcija.
Indukcija magnetskog polja u datoj tački jednaka je omjeru maksimalne sile koja djeluje na vodič kroz koji teče struja prema dužini vodiča i jačini struje u vodiču smještenom u ovoj tački.
Što je veća magnetna indukcija u datoj tački polja, to će veća sila djelovati na magnetsku iglu ili električni naboj koji se kreće.
SI jedinica magnetne indukcije je tesla(Tl), nazvana po srpskom inženjeru elektrotehnike Nikoli Tesli. Kao što se može vidjeti iz formule, $1$ T $=l(H)/(A m)$
Ako postoji više različitih izvora magnetnog polja, čiji su vektori indukcije u datoj tački prostora jednaki $(V_1)↖(→), (V_2)↖(→), (V_3)↖(→),. ..$, dakle, prema princip superpozicije polja, indukcija magnetskog polja u ovoj tački jednaka je zbroju stvorenih vektora indukcije magnetskog polja svaki izvor.
$V↖(→)=(V_1)↖(→)+(V_2)↖(→)+(V_3)↖(→)+...$
Linije magnetne indukcije
Da bi vizualizovao magnetno polje, M. Faraday je uveo koncept magnetne linije sile,što je više puta demonstrirao u svojim eksperimentima. Slika linija polja može se lako dobiti pomoću željeznih strugotina posutih po kartonu. Na slici su prikazane: linije magnetske indukcije jednosmerne struje, solenoid, kružna struja, direktni magnet.
Linije magnetne indukcije, ili magnetne linije sile, ili jednostavno magnetne linije nazivaju se linije čije se tangente u bilo kojoj tački poklapaju sa smjerom vektora magnetske indukcije $B↖(→)$ u ovoj tački polja.
Ako se, umjesto gvozdenih strugotina, male magnetne igle postave oko dugačkog pravog vodiča kroz koji teče struja, tada se može vidjeti ne samo konfiguracija linija polja (koncentrični krugovi), već i smjer linija polja (sjeverni pol magnetna igla pokazuje smjer vektora indukcije u datoj tački).
Smjer magnetskog polja naprijed struje može se odrediti pomoću pravilo desnog gimleta.
Ako rotirate ručicu gimleta tako da translacijsko kretanje vrha gimleta pokazuje smjer struje, tada će smjer rotacije ručke gimleta ukazati na smjer linija magnetskog polja struje.
Smjer magnetskog polja napredne struje također se može odrediti pomoću prvo pravilo desne ruke.
Ako desnom rukom uhvatite provodnik, pokazujući savijeni palac u smjeru struje, tada će vrhovi preostalih prstiju u svakoj tački pokazati smjer vektora indukcije u toj tački.
Vrtložno polje
Linije magnetne indukcije su zatvorene, što ukazuje da u prirodi nema magnetnih naboja. Polja čije su linije polja zatvorene nazivaju se vrtložnim poljima. To jest, magnetsko polje je vrtložno polje. To se razlikuje od električnog polja stvorenog naelektrisanjem.
Solenoid
Solenoid je zavojnica žice koja nosi struju.
Solenoid karakteriše broj zavoja po jedinici dužine $n$, dužine $l$ i prečnika $d$. Debljina žice u solenoidu i korak spirale (helikalne linije) su mali u poređenju sa njenim prečnikom $d$ i dužinom $l$. Izraz "solenoid" se također koristi u širem smislu - ovo je naziv za zavojnice proizvoljnog poprečnog presjeka (kvadratni solenoid, pravokutni solenoid), a ne nužno cilindričnog oblika (toroidni solenoid). Postoje dugi solenoid ($l>>d$) i kratki ($l
Solenoid je 1820. izumio A. Ampere kako bi pojačao magnetsko djelovanje struje koju je otkrio X. Oersted i koristio D. Arago u eksperimentima s magnetizacijom čeličnih šipki. Magnetska svojstva solenoida eksperimentalno je proučavao Ampere 1822. (istovremeno je uveo pojam "solenoid"). Utvrđena je ekvivalentnost solenoida sa trajnim prirodnim magnetima, što je bila potvrda Ampereove elektrodinamičke teorije, koja je magnetizam objašnjavala interakcijom prstenastih molekularnih struja skrivenih u tijelima.
Linije magnetnog polja solenoida prikazane su na slici. Smjer ovih linija određuje se pomoću drugo pravilo desne ruke.
Ako stegnete solenoid dlanom desne ruke, usmjeravajući četiri prsta duž struje u zavojima, tada će ispruženi palac pokazati smjer magnetskih linija unutar solenoida.
Upoređujući magnetsko polje solenoida s poljem trajnog magneta, možete vidjeti da su vrlo slični. Poput magneta, solenoid ima dva pola - sjeverni ($N$) i južni ($S$). Sjeverni pol je onaj iz kojeg izlaze magnetne linije; južni pol je onaj u koji ulaze. Sjeverni pol solenoida uvijek se nalazi na strani na koju pokazuje palac dlana kada je postavljen u skladu s drugim pravilom desne ruke.
Kao magnet koristi se solenoid u obliku zavojnice s velikim brojem zavoja.
Istraživanja magnetskog polja solenoida pokazuju da se magnetski učinak solenoida povećava sa povećanjem struje i broja zavoja u solenoidu. Osim toga, magnetsko djelovanje solenoida ili zavojnice sa strujom pojačava se uvođenjem željezne šipke u nju, koja se naziva jezgro
Elektromagneti
Zove se solenoid sa gvozdenim jezgrom unutra elektromagnet.
Elektromagneti mogu sadržavati ne jedan, već nekoliko zavojnica (namotaja) i imati jezgre različitih oblika.
Takav elektromagnet prvi je konstruisao engleski pronalazač W. Sturgeon 1825. Sa masom od 0,2$ kg, W. Sturgeonov elektromagnet je držao teret težine 36$ N. Iste godine, J. Joule je povećao silu dizanja elektromagneta na 200$ N, a šest godina kasnije američki naučnik J. Henry napravio je elektromagnet težak 300$ kg, sposoban da izdrži teret težine 1$ t!
Moderni elektromagneti mogu podići terete težine nekoliko desetina tona. Koriste se u fabrikama za premještanje teških proizvoda od željeza i čelika. Elektromagneti se također koriste u poljoprivredi za čišćenje zrna niza biljaka od korova i u drugim industrijama.
Amperska snaga
Na pravi dio provodnika $∆l$, kroz koji teče struja $I$, djeluje sila $F$ u magnetskom polju sa indukcijom $B$.
Da biste izračunali ovu silu, koristite izraz:
$F=B|I|∆lsinα$
gdje je $α$ ugao između vektora $B↖(→)$ i smjera segmenta provodnika sa strujom (strujni element); Za smjer strujnog elementa uzima se smjer u kojem struja teče kroz provodnik. Poziva se sila $F$ Amperska sila u čast francuskog fizičara A. M. Amperea, koji je prvi otkrio djelovanje magnetskog polja na provodnik sa strujom. (U stvari, Ampere je uspostavio zakon za silu interakcije između dva elementa provodnika sa strujom. On je bio zagovornik teorije dugog dometa i nije koristio koncept polja.
Međutim, prema tradiciji iu znak sjećanja na zasluge naučnika, izraz za silu koja djeluje na provodnik sa strujom iz magnetskog polja naziva se i Amperov zakon.)
Smjer Amperove sile određuje se pomoću pravila lijeve ruke.
Ako dlan svoje lijeve ruke postavite tako da linije magnetskog polja ulaze u njega okomito, a četiri ispružena prsta pokazuju smjer struje u provodniku, tada će ispruženi palac pokazati smjer sile koja djeluje na struju - noseći provodnik. Dakle, amperova sila je uvijek okomita i na vektor indukcije magnetskog polja i na smjer struje u vodiču, odnosno okomita na ravan u kojoj ova dva vektora leže.
Posljedica amperove sile je rotacija okvira sa strujom u konstantnom magnetskom polju. Ovo nalazi praktičnu primjenu u mnogim uređajima, npr. električni mjerni instrumenti- galvanometri, ampermetri, gdje se pokretni okvir sa strujom okreće u polju stalnog magneta i po kutu otklona pokazivača fiksno spojenog na okvir može se suditi o količini struje koja teče u kolu.
Zahvaljujući rotirajućem efektu magnetnog polja na okvir koji nosi struju, također je postalo moguće kreirati i koristiti električni motori- mašine u kojima se električna energija pretvara u mehaničku energiju.
Lorencova sila
Lorentzova sila je sila koja djeluje na električni naboj u pokretnoj tački u vanjskom magnetskom polju.
Holandski fizičar H. A. Lorenz krajem 19. stoljeća. utvrdio da je sila koju magnetsko polje djeluje na pokretnu nabijenu česticu uvijek okomita na smjer kretanja čestice i linije sile magnetskog polja u kojem se ta čestica kreće.
Smjer Lorentzove sile može se odrediti pomoću pravila lijeve ruke.
Ako dlan vaše lijeve ruke postavite tako da četiri ispružena prsta ukazuju na smjer kretanja naboja, a vektor polja magnetske indukcije uđe u dlan, tada će ispruženi palac pokazati smjer Lorentzove sile koja djeluje na pozitivnog naboja.
Ako je naboj čestice negativan, tada će Lorentzova sila biti usmjerena u suprotnom smjeru.
Modul Lorentzove sile se lako određuje iz Ampereovog zakona i iznosi:
gdje je $q$ naboj čestice, $υ$ je brzina njenog kretanja, $α$ je ugao između vektora brzine i indukcije magnetskog polja.
Ako pored magnetnog polja postoji i električno polje koje na naboj djeluje silom $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$, tada ukupna sila djeluje na naboj je jednako:
$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$
Često se ova ukupna sila naziva Lorentzova sila, a sila izražena formulom $F=|q|υBsinα$ se naziva magnetni dio Lorentzove sile.
Pošto je Lorentzova sila okomita na smjer kretanja čestice, ona ne može promijeniti svoju brzinu (ne radi), već samo može promijeniti smjer svog kretanja, odnosno savijati putanju.
Ovu zakrivljenost putanje elektrona u TV cijevu sa slikom lako je uočiti ako na njen ekran dovedete trajni magnet: slika će biti izobličena.
Kretanje nabijene čestice u jednoličnom magnetskom polju. Neka naelektrisana čestica leti brzinom $υ$ u jednolično magnetsko polje okomito na zatezne linije. Sila koju vrši magnetsko polje na česticu će uzrokovati da se ona ravnomjerno rotira u krugu radijusa r, što je lako pronaći koristeći drugi Newtonov zakon, izraz za centripetalno ubrzanje i formulu $F=|q|υBsinα$:
$(mυ^2)/(r)=|q|υB$
Odavde dobijamo
$r=(mυ)/(|q|B)$
gdje je $m$ masa čestice.
Primjena Lorentzove sile. Djelovanje magnetskog polja na pokretne naboje koristi se, na primjer, u maseni spektrografi, koji omogućavaju razdvajanje naelektrisanih čestica po njihovom specifičnom naelektrisanju, odnosno omjeru naboja čestice prema njenoj masi, a na osnovu dobijenih rezultata da se tačno odrede mase čestica.
Vakumska komora uređaja postavljena je u polje (vektor indukcije $B↖(→)$ je okomit na sliku). Nabijene čestice (elektroni ili joni) ubrzane električnim poljem, opisujući luk, padaju na fotografsku ploču, gdje ostavljaju trag koji omogućava da se radijus putanje $r$ izmjeri sa velikom preciznošću. Ovaj radijus određuje specifični naboj jona. Poznavajući naboj jona, lako je izračunati njegovu masu.
Magnetna svojstva supstanci
Kako bi objasnio postojanje magnetskog polja trajnih magneta, Ampere je sugerirao da mikroskopske kružne struje postoje u tvari s magnetskim svojstvima (nazvane su molekularni). Ova ideja je naknadno, nakon otkrića elektrona i strukture atoma, briljantno potvrđena: ove struje nastaju kretanjem elektrona oko jezgra i, orijentisane na isti način, u cjelini stvaraju polje oko i iznutra. magnet.
Na sl. ravni u kojima se nalaze elementarne električne struje su nasumično orijentirane zbog haotičnog toplinskog kretanja atoma, a supstanca ne pokazuje magnetna svojstva. U magnetiziranom stanju (pod utjecajem, na primjer, vanjskog magnetskog polja), ove ravni su identično orijentirane, a njihova djelovanja se zbrajaju.
Magnetna permeabilnost. Reakcija medija na utjecaj vanjskog magnetskog polja sa indukcijom $B_0$ (polje u vakuumu) određena je magnetskom susceptibilnošću $μ$:
gdje je $B$ indukcija magnetskog polja u tvari. Magnetska permeabilnost je slična dielektričnoj konstanti $ε$.
Na osnovu svojih magnetnih svojstava, tvari se dijele na Dijamagneti, paramagneti i feromagneti. Za dijamagnetne materijale, koeficijent $μ$, koji karakteriše magnetna svojstva medija, manji je od $1$ (na primjer, za bizmut $μ = 0,999824$); za paramagnete $μ > 1$ (za platinu $μ = 1,00036$); za feromagnete $μ >> 1$ (gvožđe, nikl, kobalt).
Dijamagneti se odbijaju magnetom, a paramagnetni materijali privlače. Po ovim karakteristikama mogu se razlikovati jedni od drugih. Za većinu tvari magnetska permeabilnost se praktički ne razlikuje od jedinice, samo je za feromagnete uvelike premašuje, dostižući nekoliko desetina tisuća jedinica.
Feromagneti. Feromagneti pokazuju najjača magnetna svojstva. Magnetna polja koja stvaraju feromagneti su mnogo jača od vanjskog magnetizirajućeg polja. Istina, magnetna polja feromagneta ne nastaju kao rezultat rotacije elektrona oko jezgara - orbitalni magnetni moment, a zbog vlastite rotacije elektrona - njegov vlastiti magnetni moment, tzv spin.
Curie temperatura ($T_c$) je temperatura iznad koje feromagnetni materijali gube svoja magnetna svojstva. Za svaki feromagnet je različit. Na primjer, za gvožđe $T_s = 753°$S, za nikl $T_s = 365°$S, za kobalt $T_s = 1000°$ S. Postoje feromagnetne legure sa $T_s
Prve detaljne studije magnetnih svojstava feromagneta sproveo je istaknuti ruski fizičar A. G. Stoletov (1839-1896).
Feromagneti se koriste vrlo široko: kao trajni magneti (u električnim mjernim instrumentima, zvučnicima, telefonima itd.), čelična jezgra u transformatorima, generatorima, elektromotorima (za pojačavanje magnetskog polja i uštedu električne energije). Magnetne trake napravljene od feromagnetnih materijala snimaju zvuk i sliku za magnetofone i video rekordere. Informacije se snimaju na tanke magnetne filmove za uređaje za skladištenje u elektronskim računarima.
Lenzovo pravilo
Lenzovo pravilo (Lenzov zakon) uspostavio je E. H. Lenz 1834. godine. Ono prerađuje zakon elektromagnetne indukcije, koji je 1831. otkrio M. Faraday. Lenzovo pravilo određuje smjer inducirane struje u zatvorenoj petlji dok se kreće u vanjskom magnetskom polju.
Smjer indukcione struje je uvijek takav da sile koje ona doživljava od magnetnog polja suprotstavljaju kretanju kola, a magnetski fluks $F_1$ stvoren ovom strujom teži da kompenzira promjene vanjskog magnetskog fluksa $F_e$.
Lenzov zakon je izraz zakona održanja energije za elektromagnetne pojave. Zaista, kada se zatvorena petlja kreće u magnetskom polju zbog vanjskih sila, potrebno je izvršiti određeni rad protiv sila koje nastaju kao rezultat interakcije inducirane struje s magnetskim poljem i usmjerene u smjeru suprotnom kretanju. .
Lenzovo pravilo je ilustrovano na slici. Ako se permanentni magnet pomakne u zavojnicu zatvorenu za galvanometar, indukovana struja u zavojnici će imati smjer koji će stvoriti magnetsko polje s vektorom $B"$ usmjerenim suprotno vektoru indukcije magnetnog polja $B$, tj. istisnut će magnet iz zavojnice ili ometati njegovo kretanje. Kada se magnet izvuče iz zavojnice, naprotiv, polje stvoreno indukcijskom strujom će privući zavojnicu, odnosno ponovo ometati njegovo kretanje.
Da biste primijenili Lenzovo pravilo za određivanje smjera inducirane struje $I_e$ u kolu, morate slijediti ove preporuke.
- Postavite smjer linija magnetske indukcije $B↖(→)$ vanjskog magnetskog polja.
- Saznajte da li se tok magnetne indukcije ovog polja kroz površinu ograničenu konturom ($∆F > 0$) povećava ili smanjuje ($∆F
- Postavite pravac linija magnetne indukcije $V"↖(→)$ magnetnog polja indukovane struje $I_i$. Ove linije treba da budu usmjerene, prema Lenzovom pravilu, suprotno od linija $V↖(→)$ , ako je $∆F > 0$, i imaju isti smjer kao i oni ako je $∆F
- Znajući smjer linija magnetske indukcije $B"↖(→)$, odredite smjer indukcione struje $I_i$ koristeći pravilo gimleta.
Elektrostatika se bavi fenomenima povezanim s električnim nabojima u mirovanju. Prisustvo snaga koje djeluju između takvih naboja zabilježeno je još u Homerovo vrijeme. Reč "elektricitet" dolazi od grčkog °lektron (ćilibar), budući da su prva zabeležena opažanja naelektrisanja trenjem povezana sa ovim materijalom. Godine 1733. Ch. Dufay (1698–1739) otkrio je da postoje dvije vrste električnih naboja. Naboji jedne vrste nastaju na pečatnom vosku ako se trlja vunenom krpom, naboji druge vrste nastaju na staklu ako se trlja svilom. Kao što se naboji odbijaju, različiti naboji privlače. Naboji različitih vrsta, kada se kombinuju, međusobno se neutrališu. Godine 1750. B. Franklin (1706–1790) razvio je teoriju električnih fenomena zasnovanu na pretpostavci da svi materijali sadrže neku vrstu “električne tekućine”. On je vjerovao da kada se dva materijala trljaju jedan o drugi, dio ovog električnog fluida prelazi s jednog na drugi (dok se ukupna količina električne tekućine održava). Višak električne tečnosti u organizmu daje mu naelektrisanje jedne vrste, a njegov nedostatak se manifestuje kao prisustvo naelektrisanja druge vrste. Frenklin je odlučio da kada trlja pečatni vosak na vunenu tkaninu, vuna oduzima deo električne tečnosti. Stoga je naboj pečatnog voska nazvao negativnim.
Franklinovi stavovi su vrlo bliski modernim idejama, prema kojima se naelektriziranje trenjem objašnjava protokom elektrona iz jednog od tijela koji se trlja u drugo. Ali pošto elektroni zapravo teku od vune ka vosku za pečat, u vosku se pojavljuje višak, a ne nedostatak, ove električne tekućine, koja je sada identificirana s elektronima. Franklin nije imao načina da odredi u kojem smjeru struji električna tekućina, a njegovom nesretnom izboru dugujemo to što su naboji elektrona ispali "negativni". Iako ovaj znak naboja izaziva određenu zbrku među onima koji počinju proučavati ovu temu, ova konvencija je previše čvrsto ukorijenjena u literaturi da bi se govorilo o promjeni predznaka naboja elektrona nakon što su njegova svojstva već dobro proučena.
Koristeći torzijske vage koje je razvio G. Cavendish (1731–1810), 1785. C. Coulomb (1736–1806) je pokazao da je sila koja djeluje između dva električna naboja proporcionalna proizvodu veličina ovih naboja i obrnuto proporcionalna kvadrat udaljenosti između njih, odnosno:
Gdje F– sila kojom je naboj q odbija naelektrisanje istog znaka qý, i r– udaljenost između njih. Ako su predznaci naboja suprotni, onda je sila F je negativan i naboji se ne odbijaju, već se privlače. Faktor proporcionalnosti K zavisi u kojim jedinicama se meri F, r, q I qў.
U početku nije postojala jedinica za mjerenje naboja, ali Coulombov zakon omogućava uvođenje takve jedinice. Ovoj mjernoj jedinici električnog naboja dat je naziv “kulon” i skraćenica Cl. Jedan kulon (1 C) predstavlja naboj koji ostaje na početno električno neutralnom tijelu nakon što se iz njega ukloni 6,242×10 18 elektrona.
Ako su u formuli (1) naboji q I q u izraženo u kulonima, F- u njutnima, i r– onda u metrima K» 8.9876H10 9 HChm 2 /Cl 2, tj. približno 9H10 9 NČm 2 /Kl 2. Obično umjesto toga K koristite konstantu e 0 = 1/4pK. Iako ovo čini izraz za Coulombov zakon malo komplikovanijim, to nam omogućava da bez faktora 4 str u drugim formulama koje se koriste češće od Coulombovog zakona.
Elektrostatičke mašine i Leyden tegla.
Mašinu za stvaranje velikog statičkog naboja trenjem izumio je oko 1660. godine O. Guericke (1602–1686) koji ju je opisao u knjizi Novi eksperimenti o praznom prostoru (De vacuo spa, 1672). Ubrzo su se pojavile i druge verzije takve mašine. Godine 1745. E. Kleist iz Cammina i, nezavisno, P. Muschenbroek iz Leidena, otkrili su da se staklena posuda obložena iznutra i izvana provodljivim materijalom može koristiti za akumulaciju i skladištenje električnog naboja. Staklene tegle iznutra i izvana obložene limenom folijom - takozvane Leyden tegle - bile su prvi električni kondenzatori. Franklin je pokazao da kada se Leyden tegla napuni, vanjski premaz od limene folije (spoljna obloga) dobija naelektrisanje jednog predznaka, a unutrašnja obloga dobija jednak naboj suprotnog predznaka. Ako se obje nabijene ploče dovedu u kontakt ili spoje vodičem, tada naboji potpuno nestaju, što ukazuje na njihovu međusobnu neutralizaciju. Iz toga slijedi da se naboji slobodno kreću kroz metal, ali se ne mogu kretati kroz staklo. Materijali poput metala, kroz koje se naelektrisanja slobodno kreću, nazivali su se provodnicima, a materijali poput stakla, kroz koje naelektrisanja ne prolaze, nazivani su izolatori (dielektrici).
Dielektrici.
Idealni dielektrik je materijal čiji su unutrašnji električni naboji tako čvrsto vezani da nije u stanju da provodi električnu struju. Stoga može poslužiti kao dobar izolator. Iako idealni dielektrici ne postoje u prirodi, provodljivost mnogih izolacijskih materijala na sobnoj temperaturi ne prelazi 10–23 provodljivosti bakra; u mnogim slučajevima takva provodljivost se može smatrati jednakom nuli.
Dirigenti.
Kristalna struktura i distribucija elektrona u čvrstim provodnicima i dielektricima su slične. Glavna razlika je u tome što su u dielektriku svi elektroni čvrsto vezani za svoja jezgra, dok u provodniku postoje elektroni smješteni u vanjskoj ljusci atoma, koji se mogu slobodno kretati po kristalu. Takvi elektroni se nazivaju slobodni elektroni ili elektroni provodljivosti jer nose električni naboj. Broj elektrona provodljivosti po atomu metala zavisi od elektronske strukture atoma i stepena poremećaja spoljašnjih elektronskih omotača atoma od strane njegovih suseda u kristalnoj rešetki. Za elemente prve grupe periodnog sistema elemenata (litijum, natrijum, kalijum, bakar, rubidijum, srebro, cezijum i zlato), unutrašnje elektronske ljuske su potpuno popunjene, a spoljna ljuska ima jedan elektron. Eksperiment je potvrdio da je u ovim metalima broj provodnih elektrona po atomu približno jednak jedan. Međutim, većinu metala drugih grupa u prosjeku karakteriziraju frakcijske vrijednosti broja elektrona provodljivosti po atomu. Na primjer, u prijelaznim elementima - niklu, kobaltu, paladiju, renijumu i većini njihovih legura - broj elektrona provodljivosti po atomu je približno 0,6. Broj nosilaca struje u poluprovodnicima je mnogo manji. Na primjer, u germaniju na sobnoj temperaturi je oko 10 –9. Izuzetno mali broj nosača u poluvodičima daje im mnoga zanimljiva svojstva. Cm. FIZIKA ČVRSTOG STANJA; POLUVODIČKI ELEKTRONSKI UREĐAJI; TRANSISTOR.
Toplotne vibracije kristalne rešetke u metalu podržavaju konstantno kretanje elektrona provodljivosti, čija brzina na sobnoj temperaturi dostiže 10 6 m/s. Pošto je ovo kretanje haotično, ne stvara električnu struju. Kada se primeni električno polje, pojavljuje se mali ukupni pomak. Ovaj drift slobodnih elektrona u provodniku je električna struja. Pošto su elektroni negativno nabijeni, smjer struje je suprotan smjeru njihovog drifta.
Razlika potencijala.
Da bismo opisali svojstva kondenzatora, potrebno je uvesti koncept razlike potencijala. Ako se na jednoj ploči kondenzatora nalazi pozitivan naboj, a na drugoj negativan naboj iste veličine, tada je za prijenos dodatnog dijela pozitivnog naboja s negativne ploče na pozitivnu potrebno izvršiti rad protiv sila privlačenja negativnih naboja i odbijanja pozitivnih. Razlika potencijala između ploča definirana je kao omjer rada obavljenog za prijenos probnog naboja i veličine ovog naboja; pretpostavlja se da je ispitni naboj znatno manji od naboja koji je u početku bio na svakoj od ploča. Blagom modifikacijom formulacije možemo definirati razliku potencijala između bilo koje dvije točke, koje se mogu nalaziti bilo gdje: na žici koja vodi struju, na različitim pločama kondenzatora ili jednostavno u prostoru. Ova definicija je sljedeća: razlika potencijala između dvije tačke u prostoru jednaka je omjeru rada utrošenog na pomicanje probnog naboja iz tačke sa nižim potencijalom u tačku sa većim potencijalom i veličinom probnog naboja. Opet, pretpostavlja se da je probni naboj dovoljno mali da ne poremeti distribuciju naboja stvarajući izmjerenu potencijalnu razliku. Razlika potencijala V mjereno u voltima (V) pod uslovom da rad W izražava se u džulima (J), a ispitni naboj q– u privjescima (Cl).
Kapacitet.
Kapacitet kondenzatora jednak je omjeru apsolutne vrijednosti naboja na bilo kojoj od njegove dvije ploče (sjetite se da se njihova naboja razlikuju samo po predznaku) i potencijalne razlike između ploča:
Kapacitet C mjereno u faradima (F), ako je naboj Q se izražava u kulonima (C), a razlika potencijala u voltima (V). Dve merne jedinice koje smo upravo pomenuli, volti i faradi, nazvani su po naučnicima A. Volti i M. Faradaju.
Pokazalo se da je farad toliko velika jedinica da se kapacitet većine kondenzatora izražava u mikrofaradima (10–6 F) ili pikofaradima (10–12 F).
Električno polje.
U blizini električnih naboja postoji električno polje čija je veličina u datoj tački u prostoru jednaka, po definiciji, omjeru sile koja djeluje na tačkasto probno naelektrisanje postavljeno u ovoj tački i veličini probnog naboja, opet pod uslovom da je probni naboj dovoljno mali i da ne mijenja distribuciju naboja koji stvaraju polje. Prema ovoj definiciji, sila koja djeluje na naboj q sila F i jačina električnog polja E povezane relacijom
Faraday je predstavio ideju o linijama električnog polja koje počinju pozitivnim i završavaju negativnim nabojem. U ovom slučaju, gustoća (debljina) linija polja je proporcionalna jačini polja, a smjer polja u datoj tački poklapa se sa smjerom tangente na liniju polja. Kasnije je K. Gauss (1777–1855) potvrdio valjanost ove pretpostavke. Na osnovu zakona inverznog kvadrata (1) koji je ustanovio Coulomb, on je matematički rigorozno pokazao da su linije sile, ako su konstruirane u skladu s Faradayjevim idejama, kontinuirane u praznom prostoru, počevši od pozitivnih naboja i završavajući na negativnim. Ova generalizacija se zove Gaussova teorema. Ako je ukupan broj linija sile koje izlaze iz svakog naboja Q, jednako Q/e 0, tada je gustoća linija u bilo kojoj tački (tj. omjer broja linija koje prelaze zamišljenu malu površinu postavljenu u ovoj tački okomito na njih, prema površini ove površine) jednaka veličini električnog jačina polja u ovoj tački, izražena u N/C ili u V/m.
Najjednostavniji kondenzator sastoji se od dvije paralelne provodne ploče koje se nalaze blizu jedna drugoj. Prilikom punjenja kondenzatora, ploče dobivaju jednake, ali suprotne naboje, ravnomjerno raspoređene po svakoj ploči, s izuzetkom rubova. Prema Gaussovoj teoremi, jačina polja između takvih ploča je konstantna i jednaka E = Q/e 0A, Gdje Q je naboj na pozitivno nabijenoj ploči, i A– površina ploča. Na osnovu definicije razlike potencijala, imamo , gdje d– razmak između ploča. dakle, V = Qd/e 0A, a kapacitet takvog ravno-paralelnog kondenzatora je jednak:
Gdje C se izražava u faradima, i A I d, odnosno u m 2 i m.
D.C
L. Galvani (1737–1798) je 1780. primijetio da je naelektrisanje koje je elektrostatička mašina primijenjeno na nogu mrtve žabe izazvalo naglo trzanje noge. Štaviše, noge žabe, pričvršćene iznad gvozdene ploče na mesinganu žicu umetnutu u njenu kičmenu moždinu, trzale su se svaki put kada bi dodirnula ploču. Galvani je to ispravno objasnio rekavši da električni naboji koji prolaze kroz nervna vlakna uzrokuju kontrakciju mišića žabe. Ovo kretanje naelektrisanja nazvano je galvanska struja.
Nakon eksperimenata koje je izveo Galvani, Volta (1745–1827) izumio je takozvani voltaični stup - galvansku bateriju od nekoliko elektrohemijskih elemenata povezanih u nizu. Njegova baterija se sastojala od naizmjeničnih krugova od bakra i cinka razdvojenih vlažnim papirom i omogućila je da se posmatraju iste pojave kao elektrostatička mašina.
Ponavljajući Voltine eksperimente, Nicholson i Carlyle su 1800. godine otkrili da je pomoću električne struje moguće taložiti bakar iz rastvora bakar sulfata na bakarni provodnik. Wollaston (1766–1828) je dobio iste rezultate koristeći elektrostatičku mašinu. M. Faraday (1791–1867) je 1833. pokazao da je masa elementa proizvedenog elektrolizom proizvedenom datom količinom naboja proporcionalna njegovoj atomskoj masi podijeljenoj s njegovom valentnošću. Ova pozicija se sada zove Faradejev zakon za elektrolizu.
Budući da je električna struja prijenos električnih naboja, prirodno je definirati jedinicu struje kao naboj u kulonima koji prolazi kroz datu oblast svake sekunde. Jačina struje od 1 C/s nazvana je amper u čast A. Amperea (1775–1836), koji je otkrio mnoge važne efekte povezane s djelovanjem električne struje.
Ohmov zakon, otpor i otpornost.
Godine 1826. G. Ohm (1787–1854) izvijestio je o novom otkriću: struja u metalnom provodniku, kada se svaki dodatni dio naponskog stupa uvede u kolo, povećava se za isti iznos. Ovo je sažeto opisano kao Ohmov zakon. Budući da je razlika potencijala koju stvara naponski stub proporcionalna broju spojenih sekcija, ovaj zakon kaže da je razlika potencijala V između dvije tačke na provodniku, podijeljeno sa strujom I u provodniku, konstantna je i ne zavisi od V ili I. Stav
naziva se otpor provodnika između dvije tačke. Otpor se mjeri u omima (Ω) ako je razlika potencijala V izraženo u voltima i struji I– u amperima. Otpor metalnog provodnika je proporcionalan njegovoj dužini l i obrnuto proporcionalno površini A njegov poprečni presek. Ostaje konstantan sve dok mu je temperatura konstantna. Obično se ove odredbe izražavaju formulom
Gdje r– otpornost (Ohm), u zavisnosti od materijala provodnika i njegove temperature. Temperaturni koeficijent otpornosti definira se kao relativna promjena vrijednosti r kada se temperatura promeni za jedan stepen. Tabela prikazuje otpornost i temperaturne koeficijente nekih uobičajenih materijala mjerene na sobnoj temperaturi. Otpornosti čistih metala su generalno niže od otpornosti legura, a temperaturni koeficijenti su viši. Otpornost dielektrika, posebno sumpora i liskuna, mnogo je veća od otpornosti metala; omjer dostiže vrijednost od 10 23. Temperaturni koeficijenti dielektrika i poluprovodnika su negativni i imaju relativno velike vrijednosti.
|
OTPORNOSTI I TEMPERATURNI KOEFICIJENTI KONVENCIONALNIH MATERIJALA NA SOBNOJ TEMPERATURI |
||
| Element |
otpornost, |
Temperaturni koeficijent, 1/°C |
| Srebro | ||
| Zlato | ||
| Bakar | ||
| Aluminijum | ||
| Tungsten | ||
| Nikl | ||
| Karbon | ||
| Sumpor | ||
| Legura ili spoj |
otpornost, |
Temperaturni koeficijent, 1/°S |
| Constantan 45 Ni–55 Cu |
||
| Nihrom Ni–Cr–Fe | ||
| Bakelit | ||
| Staklo | ||
| Mica | ||
Toplotni efekat električne struje.
Toplotni efekat električne struje prvi put je uočen 1801. godine, kada je električna struja uspela da rastopi različite metale. Prva industrijska primjena ovog fenomena datira iz 1808. godine, kada je predložen električni upaljač za barut. Prvi ugljenični luk namijenjen grijanju i osvjetljenju bio je izložen u Parizu 1802. godine. Elektrode uglja bile su spojene na polove naponskog stupa koji je sadržavao 120 elemenata, a kada su dvije ugljične elektrode dovedene u kontakt i potom razdvojene, došlo je do “briljantnog pražnjenja”. izuzetna osvetljenost."
Istražujući toplotni efekat električne struje, J. Joule (1818–1889) je izveo eksperiment koji je pružio čvrstu osnovu za zakon održanja energije. Džoul je prvi pokazao da je hemijska energija koja se troši na održavanje struje u provodniku približno jednaka količini toplote koja se oslobađa u provodniku tokom prolaska struje. Takođe je ustanovio da je toplota koja se stvara u provodniku proporcionalna kvadratu struje. Ovo zapažanje je u skladu sa oba Ohmova zakona ( V = IR), i sa određivanjem potencijalne razlike ( V = W/q). U slučaju jednosmjerne struje u vremenu t naelektrisanje prolazi kroz provodnik q = To. Dakle, električna energija pretvorena u toplotu u provodniku jednaka je:
Ova energija se zove džulova toplota i izražava se u džulima (J) ako je struja I izraženo u amperima, R– u omima, i t– u sekundi.
Izvori električne energije za kola jednosmjerne struje.
Kada jednosmjerna električna struja teče kroz kolo, dolazi do jednako konstantne konverzije električne energije u toplinu. Da bi se održala struja, potrebno je da se električna energija proizvodi u nekim dijelovima kola. Voltaični stub i drugi izvori hemijske struje pretvaraju hemijsku energiju u električnu energiju. Drugi uređaji koji proizvode električnu energiju razmatraju se u narednim poglavljima. Svi oni djeluju kao električne „pumpe“ koje pomiču električne naboje protiv sila koje stvara konstantno električno polje.
Važan parametar izvora struje je elektromotorna sila (EMF). EMF izvora struje definira se kao razlika potencijala na njegovim terminalima u odsustvu struje (sa otvorenim vanjskim krugom) i mjeri se u voltima.
Termoelektričnost.
1822. T. Seebeck je otkrio da u kolu sastavljenom od dva različita metala nastaje struja ako je jedna tačka njihove veze toplija od druge. Takav krug se naziva termoelement. J. Peltier je 1834. ustanovio da kada struja prođe kroz spoj dva metala, toplota se apsorbuje u jednom pravcu, a oslobađa u drugom. Veličina ovog reverzibilnog efekta zavisi od materijala spoja i njegove temperature. Svaki spoj termoelementa ima emf ej = W j/q, Gdje W j– toplinska energija pretvorena u električnu energiju u jednom smjeru kretanja naboja q, ili električna energija koja se pretvara u toplinu kada se naboj pomjeri u drugom smjeru. Ove emfs su suprotne u smjeru, ali obično nisu jednake jedna drugoj ako su temperature spoja različite.
W. Thomson (1824–1907) je ustanovio da se ukupna emf termoelementa sastoji ne od dvije, već od četiri emf. Osim emf koji nastaje na spojevima, postoje dvije dodatne emf uzrokovane temperaturnom razlikom na provodnicima koji formiraju termoelement. Dobili su naziv Thomsonov EMF.
Seebeck i Peltier efekti.
Termopar je "toplotni motor", sličan u određenim aspektima generatoru struje koji pokreće parna turbina, ali bez pokretnih dijelova. Poput turbo generatora, on pretvara toplinu u električnu energiju tako što je uklanja iz "grijača" na višoj temperaturi i prenosi dio te topline u "frižider" s nižom temperaturom. U termoelementu, koji radi kao toplotni motor, "grijač" se nalazi na toplom spoju, a "hladnjak" na hladnom spoju. Činjenica da se toplota gubi na nižoj temperaturi ograničava teorijsku efikasnost pretvaranja toplotne energije u električnu energiju na ( T 1 – T 2)/T 1 gdje T 1 i T 2 – apsolutne temperature “grijača” i “hladnjača”. Dodatno smanjenje efikasnosti termoelementa je zbog gubitka toplote usled prenosa toplote sa „grejača“ na „hladnjak“. Cm. HEAT; TERMODINAMIKA.
Pretvaranje topline u električnu energiju koja se događa u termoelementu obično se naziva Seebeckov efekt. Termoparovi, zvani termoparovi, koriste se za mjerenje temperature, posebno na teško dostupnim mjestima. Ako je jedan spoj u kontrolisanoj tački, a drugi na sobnoj temperaturi, što je poznato, onda termo-emf služi kao mera temperature u kontrolisanoj tački. Učinjeni su veliki koraci u korištenju termoelemenata za direktnu konverziju topline u električnu energiju u industrijskim razmjerima.
Ako struja iz vanjskog izvora prolazi kroz termoelement, hladni spoj će apsorbirati toplinu, a vrući će je otpustiti. Ovaj fenomen se naziva Peltierov efekat. Ovaj efekat se može koristiti ili za hlađenje pomoću hladnih spojeva ili za grijanje pomoću vrućih spojeva. Toplotna energija koju oslobađa topli spoj veća je od ukupne količine topline dovedene u hladni spoj za količinu koja odgovara isporučenoj električnoj energiji. Dakle, vrući spoj stvara više topline nego što bi odgovaralo ukupnoj količini električne energije koja se isporučuje uređaju. U principu, veliki broj termoelemenata povezanih u seriju, sa hladnim spojevima izvana i toplim spojevima u zatvorenom prostoru, može se koristiti kao toplotna pumpa, pumpajući toplotu iz područja niže temperature u područje više temperature. Teoretski, dobitak u toplinskoj energiji u odnosu na cijenu električne energije može biti T 1 /(T 1 – T 2).
Nažalost, za većinu materijala efekat je toliko mali da bi u praksi bilo potrebno previše termoparova. Osim toga, primjena Peltierovog efekta donekle ograničava prijenos topline od vrućeg spoja do hladnog spoja zbog toplinske provodljivosti u slučaju metalnih materijala. Istraživanja poluvodiča dovela su do stvaranja materijala s dovoljno velikim Peltierovim efektima za brojne praktične primjene. Peltierov efekat je posebno vrijedan kada je potrebno ohladiti teško dostupna područja gdje su konvencionalne metode hlađenja neprikladne. Takvi uređaji se koriste za hlađenje, na primjer, instrumenata u svemirskim letjelicama.
Elektrohemijski efekti.
G. Helmholtz je 1842. godine pokazao da se u izvoru struje kao što je naponski stup, hemijska energija pretvara u električnu energiju, a u procesu elektrolize električna energija se pretvara u hemijsku energiju. Hemijski izvori energije kao što su suhe ćelije (konvencionalne baterije) i punjive baterije pokazali su se izuzetno praktičnim. Prilikom punjenja baterije optimalnom električnom strujom, većina električne energije koja joj se prenosi pretvara se u kemijsku energiju, koja se može koristiti kada se baterija isprazni. I pri punjenju i pri pražnjenju baterije, dio energije se gubi u obliku topline; Ovi gubici toplote nastaju zbog unutrašnjeg otpora baterije. EMF takvog izvora struje jednak je razlici potencijala na njegovim terminalima u uvjetima otvorenog kola, kada nema pada napona IR na unutrašnji otpor.
DC kola.
Da biste izračunali jednosmjernu struju u jednostavnom krugu, možete koristiti zakon koji je otkrio Ohm kada proučavate naponski stup:
Gdje R– otpor kola i V– EMF izvora.
Ako nekoliko otpornika sa otporima R 1 , R 2 itd. spojeni u seriju, zatim u svakom od njih struja I je isti a ukupna razlika potencijala jednaka je zbiru pojedinačnih potencijalnih razlika (slika 1, A). Ukupni otpor se može definirati kao otpor R s serijski spoj grupe otpornika. Razlika potencijala na ovoj grupi je jednaka
Ako su otpornici povezani paralelno, tada se razlika potencijala u grupi poklapa s razlikom potencijala na svakom pojedinačnom otporniku (slika 1, b). Ukupna struja kroz grupu otpornika jednaka je zbiru struja kroz pojedinačne otpornike, tj.
Zbog I 1 = V/R 1 , I 2 = V/R 2 , I 3 = V/R 3, itd., grupni otpor paralelne veze Rp određena je relacijom
Prilikom rješavanja problema s jednosmjernim kolima bilo koje vrste, prvo morate pojednostaviti problem što je više moguće koristeći relacije (9) i (10).
Kirchhoffovi zakoni.
G. Kirchhoff (1824–1887) je detaljno proučavao Ohmov zakon i razvio opću metodu za izračunavanje jednosmjernih struja u električnim krugovima, uključujući ona koja sadrže nekoliko izvora emf. Ova metoda se zasniva na dva pravila koja se nazivaju Kirchhoffovi zakoni:
1. Algebarski zbir svih struja u bilo kojem čvoru u krugu jednak je nuli.
2. Algebarski zbir svih potencijalnih razlika IR u bilo kojoj zatvorenoj petlji jednak je algebarskom zbiru svih emfs u ovoj zatvorenoj petlji.
MAGNETOSTATIKA
Magnetostatika se bavi silama koje nastaju između tijela s trajnom magnetizacijom.
Svojstva prirodnih magneta izvještavaju o djelima Talesa iz Mileta (oko 600. pne.) i Platona (427.–347. pne.). Riječ "magnet" nastala je zbog činjenice da su prirodne magnete otkrili Grci u Magneziji (Tesalija). Do 11. veka. odnosi se na poruku Kineza Shen Kua i Chu Yu o proizvodnji kompasa od prirodnih magneta i njihovoj upotrebi u navigaciji. Ako je duga igla napravljena od prirodnog magneta balansirana na osi koja joj omogućava da se slobodno rotira u horizontalnoj ravni, tada je uvijek okrenuta jednim krajem prema sjeveru, a drugim prema jugu. Označavanjem kraja koji pokazuje sjever, možete koristiti takav kompas za određivanje smjera. Magnetski efekti bili su koncentrisani na krajevima takve igle, pa su se nazivali polovi (sjeverni, odnosno južni).
Rad W. Gilberta O magnetu (De magnete, 1600) bio je prvi nama poznat pokušaj proučavanja magnetskih fenomena iz naučne perspektive. Ovaj rad sadrži tada dostupne podatke o elektricitetu i magnetizmu, kao i rezultate vlastitih eksperimenata.
Štapovi napravljeni od željeza, čelika i nekih drugih materijala postaju magnetizirani kada su u kontaktu s prirodnim magnetima, a njihova sposobnost da privlače male komadiće željeza, poput prirodnih magneta, obično se javlja u blizini polova koji se nalaze na krajevima štapova. Poput električnih naboja, postoje dvije vrste polova. Kao što se polovi međusobno odbijaju, a suprotni polovi se privlače. Svaki magnet ima dva pola jednake snage i suprotnih predznaka. Za razliku od električnih naboja, koji se mogu odvojiti jedan od drugog, pokazalo se da su parovi polova nerazdvojni. Ako se magnetizirana šipka pažljivo ispile u sredini između polova, tada se pojavljuju dva nova pola iste snage. Budući da električni naboji ne utječu na magnetske polove i obrnuto, električni i magnetski fenomeni dugo se smatraju potpuno različitim po prirodi.
Coulomb je uspostavio zakon za sile privlačenja i odbijanja polova, koristeći skale slične onima koje je koristio da bi otkrio zakon za sile koje djeluju između dva točkasta naboja. Ispostavilo se da je sila koja djeluje između točkastih polova proporcionalna njihovoj "veličini" i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Ovaj zakon je napisan u formi
Gdje str I str v – “veličine” polova, r je udaljenost između njih, i Km– koeficijent proporcionalnosti, koji zavisi od korišćenih mernih jedinica. U savremenoj fizici, razmatranje veličine magnetnih polova je napušteno (iz razloga objašnjenih u sledećem odeljku), tako da je ovaj zakon uglavnom od istorijskog interesa.
MAGNETNI EFEKTI ELEKTRIČNE STRUJE
Godine 1820. G. Oersted (1777–1851) otkrio je da provodnik sa strujom djeluje na magnetsku iglu i okreće je. Samo nedelju dana kasnije, Amper je pokazao da se dva paralelna provodnika sa strujom u istom smeru privlače jedan prema drugom. Kasnije je sugerirao da su sve magnetne pojave uzrokovane strujama, a magnetska svojstva trajnih magneta povezana su sa strujama koje stalno kruže unutar ovih magneta. Ova pretpostavka je u potpunosti u skladu sa modernim idejama. Cm. MAGNETI I MAGNETNA SVOJSTVA SUPSTANCI.
Električna polja koja stvaraju električni naboji u okolnom prostoru karakterizirana je silom koja djeluje na jedinični test naboj. Magnetna polja nastaju oko magnetiziranih materijala i vodiča koji vode električnu struju, a koji su u početku bili karakterizirani silom koja djeluje na „jedan“ ispitni pol. Iako se ova metoda određivanja jačine magnetnog polja više ne koristi, ovaj pristup je zadržan u određivanju smjera magnetskog polja. Ako je mala magnetna igla okačena u svom centru mase i može se slobodno rotirati u bilo kojem smjeru, tada će njena orijentacija ukazati na smjer magnetskog polja.
Upotreba magnetnih polova za određivanje karakteristika magnetnih polja morala je biti napuštena iz više razloga: prvo, nemoguće je izolovati poseban pol; drugo, ni položaj ni veličina pola ne mogu se tačno odrediti; treće, magnetni polovi su u suštini fiktivni koncepti, budući da su u stvari magnetni efekti uzrokovani kretanjem električnih naboja. U skladu s tim, magnetna polja sada karakterizira sila kojom djeluju na provodnike sa strujom. Na sl. 2 prikazuje strujni provodnik I, koji leži u ravni crteža; smjer struje I označeno strelicom. Provodnik se nalazi u jednoličnom magnetskom polju čiji je pravac paralelan ravnini crteža i čini ugao f sa smjerom strujnog provodnika. Veličina indukcije magnetskog polja B je dato izrazom
Gdje F– sila kojom polje b djeluje na provodni element dužine l sa strujom I. Smjer sile F okomito i na smjer magnetskog polja i na smjer struje. Na sl. 2 ova sila je okomita na ravan crteža i usmjerena od čitača. Veličina B se u principu može odrediti okretanjem provodnika do F neće dostići maksimalnu vrednost na kojoj B = F max/ Il. Smjer magnetskog polja se također može podesiti okretanjem provodnika do jačine F neće ići na nulu, tj. provodnik će biti paralelan B. Iako je ova pravila teško primijeniti u praksi, na njima se temelje eksperimentalne metode za određivanje veličine i smjera magnetskih polja. Sila koja djeluje na provodnik sa strujom obično je zapisana u obliku
J. Biot (1774–1862) i F. Savard (1791–1841) izveli su zakon koji omogućava da se izračuna magnetsko polje stvoreno poznatom raspodjelom električnih struja, tj.
Gdje B– magnetska indukcija koju stvara provodnički element kratke dužine l sa strujom I. Smjer magnetskog polja koji stvara ovaj strujni element prikazan je na Sl. 3, gdje su i količine objašnjene r I f. Faktor proporcionalnosti k zavisi od izbora mernih jedinica. Ako I izraženo u amperima, l I r- u metrima i B– u Tesli (T), zatim k = m 0/4str= 10 –7 H/m. Za određivanje veličine i smjera B u bilo kojoj tački u prostoru koja stvara provodnik velike dužine i proizvoljnog oblika, trebali biste mentalno podijeliti provodnik na kratke segmente i izračunati vrijednosti b i odredite smjer polja kreiranih pojedinačnim segmentima, a zatim dodajte ova pojedinačna polja vektorski. Na primjer, ako je struja I u provodniku koji formira krug poluprečnika a, je usmjeren u smjeru kazaljke na satu, tada se polje u centru kruga lako izračunava. U formuli (13) udaljenost r od svakog elementa provodnika do centra kruga jednaka je a I f= 90°. Osim toga, polje koje stvara svaki element je okomito na ravan kružnice i usmjereno od čitača. Zbrajanjem svih polja dobijamo magnetnu indukciju u centru:
Pronaći polje u blizini provodnika koje stvara veoma dugačak pravi provodnik sa strujom I, da biste sumirali polja morat ćete pribjeći integraciji. Polje pronađeno na ovaj način jednako je:
Gdje r– okomita udaljenost od provodnika. Ovaj izraz se koristi u trenutno prihvaćenoj definiciji ampera.
Galvanometri.
Relacija (12) vam omogućava da uporedite jačinu električnih struja. Uređaj kreiran za ovu svrhu naziva se galvanometar. Prvi takav uređaj napravio je I. Schweiger 1820. godine. Bio je to namotaj žice, unutar kojeg je visila magnetna igla. Izmjerena struja je prošla kroz zavojnicu i stvorila magnetsko polje oko igle. Pokazivač je bio podvrgnut obrtnom momentu proporcionalnom jačini struje, koji je bio uravnotežen zbog elastičnosti navoja ovjesa. Zemljino magnetsko polje unosi izobličenja, ali se njegov uticaj može eliminisati okružujući iglu trajnim magnetima. Godine 1858. W. Thomson, poznatiji kao Lord Kelvin, pričvrstio je ogledalo na pokazivač i uveo niz drugih poboljšanja koja su značajno povećala osjetljivost galvanometra. Takvi galvanometri spadaju u klasu uređaja sa pokretnim pokazivačem.
Iako se galvanometar s pokretnim pokazivačem može učiniti izuzetno osjetljivim, gotovo ga je u potpunosti zamijenio uređaj s pokretnim zavojnicama ili okvirom postavljenim između polova trajnog magneta. Pokazalo se da je magnetno polje velikog potkovičastog magneta u galvanometru toliko jako u poređenju sa magnetnim poljem Zemlje da se uticaj potonjeg može zanemariti (slika 4). Galvanometar sa pokretnim okvirom predložio je 1836. W. Sturgeon (1783–1850), ali nije dobio dužno priznanje sve dok J. D'Arsonval nije stvorio modernu verziju ovog uređaja 1882. godine.
Elektromagnetna indukcija.
Nakon što je Oersted ustanovio da jednosmjerna struja stvara moment koji djeluje na magnet, učinjeno je mnogo pokušaja da se otkrije struja uzrokovana prisustvom magneta. Međutim, magneti su bili preslabi, a metode za mjerenje struje suviše grube da bi se otkrio bilo kakav efekat. Konačno, dva istraživača - J. Henry (1797–1878) u Americi i M. Faraday (1791–1867) u Engleskoj - nezavisno su otkrili 1831. da kada se magnetsko polje promijeni, u obližnjim provodnim krugovima nastaju kratkotrajne struje, ali tamo nema efekta ako magnetsko polje ostane konstantno.
Faraday je vjerovao da su ne samo električna, već i magnetna polja linije sile koje ispunjavaju prostor. Broj linija magnetnog polja koje prelaze proizvoljnu površinu s, odgovara vrijednosti F, koja se naziva magnetni fluks:
Gdje Bn– projekcija magnetnog polja B na normalu na element površine ds. Jedinica magnetskog fluksa naziva se weber (Wb); 1 Wb = 1 TlChm 2.
Faraday je formulirao zakon EMF induciranog u zatvorenoj petlji žice promjenjivim magnetskim poljem (zakon magnetne indukcije). Prema ovom zakonu, takva emf je proporcionalna brzini promjene ukupnog magnetskog fluksa kroz zavojnicu. U SI jedinicama, koeficijent proporcionalnosti je 1 i stoga je emf (u voltima) jednak brzini promjene magnetnog fluksa (u Wb/s). Matematički se to izražava formulom
pri čemu znak minus pokazuje da su magnetna polja struja stvorena ovim EMF-om usmjerena na takav način da smanjuju promjenu magnetskog fluksa. Ovo pravilo za određivanje pravca indukovanog EMF-a je u skladu sa opštijim pravilom koje je 1833. godine formulisao E. Lenz (1804–1865): indukovani EMF je usmeren na takav način da se suprotstavlja uzroku koji ga uzrokuje. U slučaju zatvorenog kola u kojem nastaje struja, ovo pravilo se može izvesti direktno iz zakona održanja energije; Ovo pravilo određuje smjer induciranog EMF-a u slučaju otvorenog kola, kada inducirana struja ne nastaje.
Ako se zavojnica sastoji od N zavoje žice, od kojih svaki prodire magnetni tok F, zatim
Ovaj odnos vrijedi bez obzira na razlog zbog kojeg se mijenja magnetni tok koji prolazi kroz kolo.
Generatori.
Princip rada generatora električne mašine prikazan je na Sl. 5. Pravougaoni namotaj žice rotira suprotno od kazaljke na satu u magnetskom polju između polova magneta. Krajevi zavojnice se izvode na klizne prstenove i spajaju na eksterno kolo preko kontaktnih četkica. Kada je ravnina zavojnice okomita na polje, magnetni tok koji prolazi kroz petlju je maksimalan. Ako je ravnina zavojnice paralelna s poljem, tada je magnetni tok nula. Kada je ravnina zavojnice opet okomita na polje, nakon rotacije za 180°, magnetni tok kroz zavojnicu je maksimalan u suprotnom smjeru. Dakle, kako se zavojnica rotira, magnetski fluks koji prodire u njega kontinuirano se mijenja i, u skladu s Faradayjevim zakonom, mijenja se napon na stezaljkama.
Da bismo analizirali šta se dešava u jednostavnom alternatoru, smatraćemo da je magnetni tok pozitivan kada je ugao q je u rasponu od 0° do 180°, a negativan kada q kreće se od 180° do 360°. Ako B– indukcija magnetnog polja i A je površina zavojnice, tada će magnetni tok kroz zavojnicu biti jednak:
Ako se zavojnica rotira frekvencijom f o/min (tj. 2 pf rad/s), zatim nakon nekog vremena t od trenutka kada rotacija počne, kada q bila jednaka 0, dobijamo q = 2pft drago. Dakle, izraz za tok kroz zavoj poprima oblik
Prema Faradejevom zakonu, inducirani napon se dobija razlikovanjem fluksa:
Oznake na četkama na slici pokazuju polaritet induciranog napona u odgovarajućem trenutku. Kosinus varira od +1 do -1, tako da je magnituda 2 pfAB postoji jednostavno amplituda napona; možemo ga označiti sa i zapisati
(Istovremeno smo izostavili znak minus, zamijenivši ga odgovarajućim izborom polariteta terminala generatora na slici 5.) Na Sl. Slika 6 prikazuje graf promjene napona tokom vremena.
Napon koji generira opisani jednostavni generator povremeno mijenja svoj smjer; isto se odnosi i na struje koje u električnim krugovima stvara ovaj napon. Takav generator naziva se alternator.
Struja koja uvijek održava isti smjer naziva se konstantnom. U nekim slučajevima, na primjer za punjenje baterija, ova struja je neophodna. Postoje dva načina za dobijanje jednosmerne struje iz naizmenične struje. Jedan je uključiti ispravljač u vanjsko kolo koji omogućava struji da teče samo u jednom smjeru. Ovo vam omogućava da isključite generator na jedan poluperiod i da ga uključite samo tokom tog poluperioda kada napon ima željeni polaritet. Drugi način je prebacivanje kontakata koji povezuju zavoj na eksterno kolo svakih pola ciklusa kada napon promijeni polaritet. Tada će struja u vanjskom kolu uvijek biti usmjerena u jednom smjeru, iako napon induciran u zavojnici mijenja svoj polaritet. Prebacivanje kontakata se vrši pomoću kolektorskih poluprstenova postavljenih umjesto kliznih prstenova, kao što je prikazano na sl. 7, A. Kada je ravnina zavojnice okomita, brzina promjene magnetnog fluksa, a time i inducirani napon pada na nulu. U tom trenutku četkice klize preko otvora koji razdvaja dva poluprstena, a vanjski krug se prebacuje. Napon koji nastaje u vanjskom kolu mijenja se kao što je prikazano na sl. 7, b.
Međusobna indukcija.
Ako se dva zatvorena namota žice nalaze u blizini, ali nisu međusobno električni, onda kada se struja u jednom od njih promijeni, u drugom se inducira emf. Budući da je magnetni tok kroz drugi kalem proporcionalan struji u prvom namotu, promjena ove struje povlači promjenu magnetskog fluksa, izazivajući odgovarajuću emf. Zavojnice se mogu zamijeniti, a onda kada se struja promijeni u drugoj zavojnici, emf će se inducirati u prvom. EMF inducirana u jednoj zavojnici određena je brzinom promjene struje u drugoj i ovisi o veličini i broju zavoja svake zavojnice, kao i o udaljenosti između zavojnica i njihovoj orijentaciji jedna prema drugoj. Ove zavisnosti su relativno jednostavne ako u blizini nema magnetnih materijala. Odnos emf inducirane u jednom kalemu i brzine promjene struje u drugom se naziva koeficijent međusobne indukcije dva namotaja koji odgovaraju njihovoj datoj lokaciji. Ako je indukovana emf izražena u voltima, a brzina promjene struje u amperima po sekundi (A/s), tada će se međusobna induktivnost izraziti u henriju (H). EMF indukovana u zavojnicama je data sledećim formulama:
Gdje M– koeficijent međusobne indukcije dva namotaja. Zavojnica spojena na izvor struje obično se naziva primarna zavojnica ili namotaj, a druga se naziva sekundarna. Jednosmjerna struja u primarnom namotu ne stvara napon u sekundarnom, iako se u trenutku uključivanja i isključivanja struje u sekundarnom namotu nakratko pojavljuje EMF. Ali ako je EMF spojen na primarni namotaj, stvarajući naizmjeničnu struju u ovom namotu, tada se naizmjenični EMF inducira u sekundarnom namotu. Dakle, sekundarni namotaj može napajati AC otporna opterećenja ili druga kola bez direktnog povezivanja na izvor EMF.
Transformers.
Međusobna induktivnost dva namotaja može se značajno povećati namotavanjem na zajedničko jezgro od feromagnetnog materijala kao što je željezo. Takav uređaj se naziva transformator. U modernim transformatorima, feromagnetno jezgro formira zatvoreni magnetni krug tako da gotovo sav magnetni tok prolazi unutar jezgre i stoga kroz oba namotaja. Izmjenični izvor emf spojen na primarni namotaj stvara naizmjenični magnetni tok u željeznoj jezgri. Ovaj tok inducira promjenjivu EMF u primarnom i sekundarnom namotu, a maksimalne vrijednosti svakog EMF-a proporcionalne su broju zavoja u odgovarajućem namotu. U dobrim transformatorima otpor namotaja je toliko mali da se EMF inducirana u primarnom namotu gotovo poklapa s primijenjenim naponom, a razlika potencijala na terminalima sekundarnog namota gotovo se podudara s EMF induciranim u njemu.
Dakle, omjer pada napona na opterećenju sekundarnog namota i napona primijenjenog na primarnom namotu jednak je omjeru broja zavoja u sekundarnom i primarnom namotu, koji se obično zapisuje kao jednakost
Gdje V 1 – pad napona N 1 zavoj primarnog namotaja, i V 2 – pad napona N 2 zavoja sekundarnog namotaja. Ovisno o omjeru broja zavoja u primarnom i sekundarnom namotaju, razlikuju se pojačani i silazni transformatori. Stav N 2 /N 1 je veći od jedan u pojačanim transformatorima i manji od jedan u opadajućim transformatorima. Zahvaljujući transformatorima moguć je ekonomičan prijenos električne energije na velike udaljenosti.
Samoindukcija.
Električna struja u pojedinačnoj zavojnici također stvara magnetni tok koji teče kroz samu zavojnicu. Ako se struja u zavojnici mijenja s vremenom, tada će se mijenjati i magnetni tok kroz zavojnicu, indukujući u njemu EMF na isti način kao što se dešava kada transformator radi. Pojava EMF-a u zavojnici kada se struja u njemu promijeni naziva se samoindukcija. Samoindukcija utječe na struju u zavojnici na isti način kao što inercija utječe na kretanje tijela u mehanici: usporava uspostavljanje jednosmjerne struje u kolu kada se uključi i sprječava da se trenutno zaustavi kada se isključi. Također uzrokuje iskre između kontakata prekidača kada se krug otvori. U kolu naizmjenične struje, samoindukcija stvara reaktanciju koja ograničava amplitudu struje.
U nedostatku magnetnih materijala u blizini stacionarne zavojnice, magnetni tok koji prolazi kroz njega proporcionalan je struji u kolu. Prema Faradejevom zakonu (16), emf samoindukcije u ovom slučaju treba biti proporcionalan brzini promjene struje, tj.
Gdje L– koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva samoinduktivnost ili induktivnost kola. Formula (18) se može smatrati definicijom količine L. Ako je emf indukovana u zavojnici izraženo u voltima, struja i– u amperima i vremenu t– onda u sekundi Lće se mjeriti u henryju (H). Znak minus označava da se indukovana emf suprotstavlja povećanju struje i, kako slijedi iz Lenzovog zakona. Eksterni EMF koji prevazilazi samoindukovani EMF mora imati predznak plus. Stoga je u krugovima naizmjenične struje pad napona na induktivitetu jednak L di/dt.
ALTERNATIVNE STRUJE
Kao što je već spomenuto, naizmjenične struje su struje čiji se smjer periodično mijenja. Broj perioda ciklične promjene struje u sekundi naziva se frekvencija naizmjenične struje i mjeri se u hercima (Hz). Električna energija se obično isporučuje potrošaču u obliku naizmjenične struje frekvencije od 50 Hz (u Rusiji i evropskim zemljama) ili 60 Hz (u SAD).
Budući da naizmjenična struja varira s vremenom, jednostavne metode rješavanja problema prikladne za jednosmjerna strujna kola ovdje nisu direktno primjenjive. Na vrlo visokim frekvencijama, naelektrisanja mogu biti podvrgnuta oscilatornom kretanju - strujati s jednog mjesta u kolu na drugo i nazad. U ovom slučaju, za razliku od jednosmjernih strujnih kola, struje u serijski spojenim provodnicima možda neće biti iste. Kapacitivnosti prisutne u AC krugovima pojačavaju ovaj efekat. Osim toga, kada se struja promijeni, javljaju se efekti samoindukcije, koji postaju značajni čak i na niskim frekvencijama ako se koriste zavojnice visoke induktivnosti. Na relativno niskim frekvencijama, AC kola se još uvijek mogu izračunati korištenjem Kirchhoffovih pravila, koja se, međutim, moraju u skladu s tim modificirati.
Kolo koje uključuje različite otpornike, prigušnice i kondenzatore može se posmatrati kao da se sastoji od generaliziranog otpornika, kondenzatora i induktora povezanih u seriju. Razmotrimo svojstva takvog kola spojenog na sinusni generator naizmjenične struje (slika 8). Da biste formulirali pravila za izračunavanje AC krugova, morate pronaći odnos između pada napona i struje za svaku od komponenti takvog kola.
Kondenzator igra potpuno različite uloge u AC i DC krugovima. Ako, na primjer, na kolo na sl. 8 spojite elektrohemijski element, kondenzator će se početi puniti sve dok napon na njemu ne postane jednak emf elementa. Tada će punjenje prestati i struja će pasti na nulu. Ako je krug spojen na generator izmjenične struje, tada će u jednom polu-ciklusu elektroni istjecati iz lijeve ploče kondenzatora i akumulirati se na desnoj, au drugom, obrnuto. Ovi elektroni koji se kreću predstavljaju naizmjeničnu struju, čija je jačina jednaka na obje strane kondenzatora. Sve dok frekvencija naizmjenične struje nije jako visoka, struja kroz otpornik i induktor je također ista.
Pretpostavljeno je iznad da je naizmjenična struja u kolu uspostavljena. U stvarnosti, kada je kolo spojeno na izvor naizmjeničnog napona, u njemu se javljaju prolazni procesi. Ako otpor kola nije zanemariv, prolazne struje oslobađaju svoju energiju u obliku topline u otporniku i opadaju dovoljno brzo, nakon čega se uspostavlja stabilno stanje naizmjenične struje, kao što je pretpostavljeno gore. U mnogim slučajevima, prelazni procesi u AC krugovima mogu se zanemariti. Ako ih treba uzeti u obzir, onda je potrebno proučiti diferencijalnu jednačinu koja opisuje ovisnost struje o vremenu.
Efektivne vrijednosti.
Glavni zadatak prvih regionalnih elektrana bio je osigurati potreban intenzitet žarulja za rasvjetne lampe. Stoga se postavilo pitanje efikasnosti korištenja istosmjerne i naizmjenične struje za ova kola. Prema formuli (7), za električnu energiju pretvorenu u toplinu u otporniku, oslobađanje topline je proporcionalno kvadratu struje. U slučaju naizmjenične struje, stvaranje topline kontinuirano fluktuira zajedno sa trenutnom vrijednošću kvadrata struje. Ako se struja mijenja po sinusoidnom zakonu, tada je vremenski prosječna vrijednost kvadrata trenutne struje jednaka polovini kvadrata maksimalne struje, tj.
iz čega se vidi da se sva snaga troši na zagrevanje otpornika, dok se u kondenzatoru i induktivitetu nikakva snaga ne apsorbuje. Istina, pravi induktori i dalje apsorbiraju određenu snagu, posebno ako imaju željezno jezgro. Tokom neprekidnog preokretanja magnetizacije, gvozdeno jezgro se zagreva - delom strujama indukovanim u gvožđu, a delom zbog unutrašnjeg trenja (histereze), što sprečava preokret magnetizacije. Dodatno, induktivnost može inducirati struje u obližnjim krugovima. Kada se mjere u AC krugovima, svi ovi gubici izgledaju kao gubici snage u otporu. Stoga je otpor istog kola za izmjeničnu struju obično nešto veći nego za jednosmjernu struju, a određuje se kroz gubitke snage:
Da bi elektrana radila ekonomično, gubici toplote u dalekovodu (PTL) moraju biti dovoljno mali. Ako P c – struja koja se isporučuje potrošaču, zatim P c = V c I i za jednosmernu i za naizmeničnu struju, budući da se uz pravilan proračun vrednost cos q može biti jednaka jedinici. Gubici u dalekovodima će biti P l = R l I 2 = R l P c 2 /Vc 2. Budući da električni vodovi zahtijevaju najmanje dva vodiča dužine l, njegov otpor R l = r 2l/A. U ovom slučaju gubitak linije
Ako su provodnici napravljeni od bakra, otpornost ršto je minimalno, onda u brojniku ne ostaju vrijednosti koje bi se mogle značajno smanjiti. Jedini praktičan način za smanjenje gubitaka je povećanje Vc 2, budući da se koriste vodiči velikog poprečnog presjeka A neprofitabilan. To znači da se energija treba prenositi koristeći što veći napon. Konvencionalni generatori struje električnih mašina koje pokreću turbine ne mogu proizvesti vrlo visoke napone koje njihova izolacija ne može izdržati. Osim toga, izuzetno visoki naponi su opasni za osoblje koje radi. Međutim, izmjenični napon koji stvara elektrana može se povećati za prijenos preko dalekovoda pomoću transformatora. Na drugom kraju dalekovoda, potrošač koristi opadajuće transformatore, koji pružaju sigurniji i praktičniji niskonaponski izlaz. Trenutno napon u dalekovodima dostiže 750.000 V.
književnost:
Rogers E. Fizika za radoznale, tom 3. M., 1971
Orir J. fizika, tom 2. M., 1981
Giancoli D. fizika, tom 2. M., 1989
Nabijena tijela su sposobna stvoriti još jednu vrstu polja pored električnog. Ako se naboji kreću, tada se u prostoru oko njih stvara posebna vrsta materije tzv magnetsko polje. Posljedično, električna struja, koja je uređeno kretanje naboja, također stvara magnetsko polje. Poput električnog polja, magnetno polje nije ograničeno u prostoru, širi se vrlo brzo, ali ipak konačnom brzinom. Može se otkriti samo po njegovom učinku na pokretna nabijena tijela (i, kao posljedica toga, struje).
Da bismo opisali magnetsko polje, potrebno je uvesti karakteristiku sile za polje, sličnu vektoru intenziteta E električno polje. Takva karakteristika je vektor B magnetna indukcija. U SI sistemu jedinica, jedinica magnetne indukcije je 1 Tesla (T). Ako je u magnetskom polju sa indukcijom B postavite dužinu provodnika l sa strujom I, tada je pozvana sila Amperska sila, koji se izračunava po formuli:
gdje: IN– indukcija magnetnog polja, I– jačina struje u provodniku, l– njegovu dužinu. Amperova sila je usmjerena okomito na vektor magnetske indukcije i smjer struje koja teče kroz provodnik.
Za određivanje smjera Ampera se obično koristi sila Pravilo "lijeve ruke".: ako lijevu ruku postavite tako da indukcijske linije ulaze u dlan, a ispruženi prsti budu usmjereni duž struje, tada će otmeti palac ukazati na smjer Amperove sile koja djeluje na provodnik (vidi sliku).
Ako je ugao α između smjerova vektora magnetske indukcije i struje u vodiču razlikuje se od 90°, tada je za određivanje smjera amperove sile potrebno uzeti komponentu magnetskog polja koja je okomita na smjer struje . Probleme ove teme potrebno je rješavati na isti način kao u dinamici ili statici, tj. opisivanjem sila duž koordinatnih osa ili dodavanjem sila prema pravilima vektorskog sabiranja.
Moment sila koje djeluju na okvir sa strujom
Neka je okvir sa strujom u magnetskom polju, a ravan okvira okomita na polje. Amperove sile će komprimirati okvir, a njihova rezultanta će biti jednaka nuli. Ako promijenite smjer struje, tada će sile Ampera promijeniti svoj smjer, a okvir se neće komprimirati, već rastegnuti. Ako linije magnetske indukcije leže u ravnini okvira, tada se javlja rotacijski moment Amperovih sila. Moment rotacije Amperovih sila jednak:
gdje: S- površina okvira, α - ugao između normale na okvir i vektora magnetske indukcije (normala je vektor okomit na ravan okvira), N– broj okreta, B– indukcija magnetnog polja, I– jačina struje u okviru.
Lorencova sila
Amperska sila koja djeluje na segment provodnika dužine Δ l sa jačinom struje I, koji se nalazi u magnetnom polju B može se izraziti kao sile koje djeluju na pojedinačne nosače naboja. Ove sile se nazivaju Lorentzove snage. Lorentzova sila koja djeluje na česticu s nabojem q u magnetnom polju B, krećući se brzinom v, izračunava se pomoću sljedeće formule:
Ugao α u ovom izrazu jednak je kutu između brzine i vektora magnetske indukcije. Smjer djelovanja Lorentzove sile pozitivno nabijena čestica, kao i smjer Amperove sile, mogu se pronaći pomoću pravila lijeve ruke ili pravila gimleta (poput Amperove sile). Vektor magnetne indukcije treba mentalno umetnuti u dlan vaše lijeve ruke, četiri zatvorena prsta treba usmjeriti prema brzini kretanja nabijene čestice, a savijeni palac će pokazati smjer Lorentzove sile. Ako čestica ima negativan naboja, tada će smjer Lorentzove sile, utvrđen pravilom lijeve strane, trebati zamijeniti suprotnim.
Lorentzova sila je usmjerena okomito na vektore brzine i indukcije magnetskog polja. Kada se naelektrisana čestica kreće u magnetskom polju Lorencova sila ne radi. Stoga se veličina vektora brzine ne mijenja kada se čestica kreće. Ako se nabijena čestica kreće u jednoličnom magnetskom polju pod utjecajem Lorentzove sile, a njena brzina leži u ravni koja je okomita na vektor indukcije magnetskog polja, tada će se čestica kretati u krug, čiji se polumjer može izračunati pomoću sljedeća formula:
Lorentzova sila u ovom slučaju igra ulogu centripetalne sile. Period okretanja čestice u jednoličnom magnetskom polju jednak je:
Posljednji izraz pokazuje da za nabijene čestice date mase m period okretanja (a samim tim i frekvencija i ugaona brzina) ne zavisi od brzine (a samim tim i od kinetičke energije) i radijusa putanje R.
Teorija magnetnog polja
Ako dvije paralelne žice vode struju u istom smjeru, one se privlače; ako su u suprotnim smjerovima, onda se odbijaju. Ampere je eksperimentalno ustanovio zakone ovog fenomena. Interakcija struja uzrokovana je njihovim magnetnim poljima: magnetsko polje jedne struje djeluje kao amperova sila na drugu struju i obrnuto. Eksperimenti su pokazali da je modul sile koji djeluje na segment dužine Δ l svaki od provodnika je direktno proporcionalan jačini struje I 1 i I 2 u provodnicima, dužina reza Δ l i obrnuto proporcionalno udaljenosti R između njih:
gdje: μ 0 je konstantna vrijednost tzv magnetna konstanta. Uvođenje magnetne konstante u SI pojednostavljuje pisanje niza formula. Njegova brojčana vrijednost je:
μ 0 = 4π ·10 –7 H/A 2 ≈ 1,26·10 –6 H/A 2 .
Upoređujući upravo dat izraz za silu interakcije dva provodnika sa strujom i izraz za Amperovu silu, nije teško dobiti izraz za indukcija magnetnog polja koju stvara svaki od ravnih provodnika koji vodi struju na daljinu R Od njega:
gdje: μ – magnetska permeabilnost supstance (više o tome u nastavku). Ako struja teče kružno, onda centar indukcije magnetnog polja zavoja određena formulom:
Električni vodovi Magnetno polje se naziva linija duž tangente na koju se nalaze magnetne strelice. Magnetna igla koji se naziva dugim i tankim magnetom, njegovi polovi su točkasti. Magnetna igla okačena na konac uvijek se okreće u jednom smjeru. Štaviše, jedan kraj je usmjeren prema sjeveru, a drugi - prema jugu. Otuda i naziv polova: sjever ( N) i južni ( S). Magneti uvijek imaju dva pola: sjeverni (označen plavom bojom ili slovom N) i južni (crvenim ili slovnim). S). Magneti su u interakciji na isti način kao i naelektrisanja: poput polova se odbijaju, a za razliku od polova privlače. Nemoguće je dobiti magnet sa jednim polom. Čak i ako je magnet slomljen, svaki dio će imati dva različita pola.
Vektor magnetne indukcije
Vektor magnetne indukcije- vektorska fizička veličina koja je karakteristika magnetnog polja, numerički jednaka sili koja djeluje na element struje od 1 A i dužine 1 m, ako je smjer linije polja okomit na provodnik. Određeno IN, jedinica mjere - 1 Tesla. 1 T je vrlo velika vrijednost, stoga se u realnim magnetnim poljima magnetna indukcija mjeri u mT.
Vektor magnetske indukcije je usmjeren tangencijalno na linije sile, tj. poklapa se sa smjerom sjevernog pola magnetne igle smještene u datom magnetskom polju. Smjer vektora magnetske indukcije ne poklapa se sa smjerom sile koja djeluje na provodnik, stoga linije magnetskog polja, strogo govoreći, nisu linije sile.
Linija magnetnog polja trajnih magneta usmjereno u odnosu na same magnete kao što je prikazano na slici:
Kada magnetno polje električne struje da biste odredili smjer linija polja, koristite pravilo "Desna ruka": ako uzmete provodnik u desnu ruku tako da je palac usmjeren uz struju, tada četiri prsta koji drže provodnik pokazuju smjer linija sile oko provodnika:
U slučaju jednosmjerne struje, vodovi magnetne indukcije su kružnice čije su ravni okomite na struju. Vektori magnetske indukcije usmjereni su tangencijalno na kružnicu.
Solenoid- provodnik namotan na cilindričnu površinu kroz koju teče električna struja I slično polju direktnog permanentnog magneta. Unutar dužine solenoida l i broj okreta N stvara se jednolično magnetsko polje sa indukcijom (njegov smjer je također određen pravilom desne ruke):
Linije magnetnog polja izgledaju kao zatvorene linije- Ovo je zajedničko svojstvo svih magnetnih linija. Takvo polje se naziva vrtložno polje. U slučaju trajnih magneta, linije se ne završavaju na površini, već prodiru u magnet i zatvorene su iznutra. Ova razlika između električnog i magnetnog polja objašnjava se činjenicom da, za razliku od električnih, magnetni naboji ne postoje.
Magnetna svojstva materije
Sve supstance imaju magnetna svojstva. Karakteriziraju se magnetska svojstva tvari relativna magnetna permeabilnost μ , za koje vrijedi sljedeće:
Ova formula izražava korespondenciju vektora indukcije magnetnog polja u vakuumu iu datom okruženju. Za razliku od električne interakcije, tokom magnetne interakcije u mediju može se uočiti i povećanje i slabljenje interakcije u odnosu na vakuum koji ima magnetnu permeabilnost μ = 1. U dijamagnetnih materijala magnetna permeabilnost μ nešto manje od jedan. Primjeri: voda, dušik, srebro, bakar, zlato. Ove tvari donekle slabe magnetsko polje. Paramagneti- kiseonik, platina, magnezijum - donekle pojačavaju polje, imajući μ malo više od jednog. U feromagneti- gvožđe, nikl, kobalt - μ >> 1. Na primjer, za željezo μ ≈ 25000.
Magnetski fluks. Elektromagnetna indukcija
Fenomen elektromagnetna indukcija otkrio je izvanredni engleski fizičar M. Faraday 1831. godine. Sastoji se od pojave električne struje u zatvorenom provodnom kolu kada se magnetni tok koji prodire u kolo mijenja s vremenom. Magnetski fluks Φ preko trga S kontura se zove vrijednost:
gdje: B– modul vektora magnetske indukcije, α – ugao između vektora magnetske indukcije B i normalno (okomito) na ravan konture, S– područje konture, N– broj zavoja u krugu. SI jedinica magnetskog fluksa naziva se Weber (Wb).
Faraday je eksperimentalno utvrdio da kada se magnetni tok promijeni u provodnom kolu, indukovana emf ε ind, jednaka brzini promjene magnetskog fluksa kroz površinu ograničenu konturom, uzetu sa predznakom minus:
Promjena magnetskog fluksa koji prolazi kroz zatvorenu petlju može se dogoditi iz dva moguća razloga.
- Magnetski tok se mijenja zbog kretanja kola ili njegovih dijelova u vremenski konstantnom magnetskom polju. To je slučaj kada se provodnici, a s njima i slobodni nosioci naboja, kreću u magnetskom polju. Pojava inducirane emf objašnjava se djelovanjem Lorentzove sile na slobodna naelektrisanja u pokretnim provodnicima. Lorentzova sila u ovom slučaju igra ulogu vanjske sile.
- Drugi razlog za promjenu magnetskog fluksa koji prodire u kolo je promjena vremena magnetskog polja kada je kolo nepomično.
Prilikom rješavanja problema važno je odmah utvrditi zašto se magnetski tok mijenja. Moguće su tri opcije:
- Magnetno polje se mijenja.
- Područje konture se mijenja.
- Orijentacija okvira u odnosu na polje se mijenja.
U ovom slučaju, prilikom rješavanja problema, EMF se obično izračunava po modulu. Obratimo pažnju i na jedan poseban slučaj u kojem se javlja fenomen elektromagnetne indukcije. Dakle, maksimalna vrijednost inducirane emf u krugu koji se sastoji od N skretanja, površina S, rotirajući ugaonom brzinom ω u magnetskom polju sa indukcijom IN:
Kretanje provodnika u magnetskom polju
Prilikom pomicanja provodnika s dužinom l u magnetnom polju B sa brzinom v na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala uzrokovana djelovanjem Lorentzove sile na slobodne elektrone u vodiču. Ova razlika potencijala (strogo govoreći, emf) se nalazi po formuli:
gdje: α - ugao koji se mjeri između smjera brzine i vektora magnetske indukcije. EMF se ne javlja u stacionarnim dijelovima kola.
Ako je štap dugačak L rotira u magnetnom polju IN oko jednog od njegovih krajeva sa ugaonom brzinom ω , tada će na njegovim krajevima nastati razlika potencijala (EMF), koja se može izračunati pomoću formule:
Induktivnost. Samoindukcija. Energija magnetnog polja
Samoindukcija je važan poseban slučaj elektromagnetne indukcije, kada promjenjivi magnetni tok, koji uzrokuje inducirani emf, stvara struja u samom krugu. Ako se struja u krugu koji se razmatra iz nekog razloga promijeni, tada se mijenja i magnetsko polje ove struje, a time i vlastiti magnetski tok koji prodire u krug. U kolu nastaje samoinduktivna emf koja, prema Lenzovom pravilu, sprječava promjenu struje u kolu. Samo magnetni tok Φ , probijanje strujnog kola ili zavojnice, proporcionalno je jačini struje I:
Faktor proporcionalnosti L u ovoj formuli se naziva koeficijent samoindukcije ili induktivnost kalemovi. SI jedinica induktivnosti naziva se Henry (H).
Zapamtite: Induktivnost kola ne zavisi ni od magnetskog fluksa ni od jačine struje u njemu, već je određena samo oblikom i veličinom kola, kao i svojstvima okoline. Stoga, kada se struja u krugu promijeni, induktivnost ostaje nepromijenjena. Induktivnost zavojnice može se izračunati pomoću formule:
gdje: n- koncentracija zavoja po jedinici dužine zavojnice:
Samoindukovana emf, koji nastaje u zavojnici sa konstantnom vrijednošću induktivnosti, prema Faradeyevoj formuli je jednako:
Dakle, EMF samoindukcije je direktno proporcionalan induktivnosti zavojnice i brzini promjene struje u njoj.
Magnetno polje ima energiju. Kao što postoji rezerva električne energije u napunjenom kondenzatoru, postoji rezerva magnetne energije u zavojnici kroz koju struja teče. Energija W m magnetno polje zavojnice sa induktivnošću L, kreiran od strane struje I, mogu se izračunati pomoću jedne od formula (one slijede jedna iz druge, uzimajući u obzir formulu Φ = LI):
Povezujući formulu za energiju magnetnog polja zavojnice sa njegovim geometrijskim dimenzijama, možemo dobiti formulu za zapreminska gustina energije magnetnog polja(ili energija po jedinici zapremine):
Lenzovo pravilo
Inercija- pojava koja se javlja i u mehanici (pri ubrzavanju automobila naginjemo se unazad, suprotstavljajući se povećanju brzine, a pri kočenju se naginjemo naprijed, suzbijajući smanjenje brzine), i u molekularnoj fizici (kada se tečnost zagrije, brzina isparavanja se povećava, najbrži molekuli napuštaju tekućinu, smanjujući brzinu zagrijavanja) i tako dalje. U elektromagnetizmu, inercija se manifestira u suprotnosti s promjenama u magnetskom fluksu koji prolazi kroz kolo. Ako se magnetski tok poveća, tada se inducirana struja koja nastaje u strujnom kolu usmjerava tako da spriječi povećanje magnetskog toka, a ako se magnetski tok smanji, tada se inducirana struja koja nastaje u kolu usmjerava tako da spriječi magnetni tok od opadanja.
Na toj web stranici. Da biste to učinili, ne trebate baš ništa, naime: svaki dan posvetite tri do četiri sata pripremama za CT iz fizike i matematike, proučavanju teorije i rješavanju problema. Činjenica je da je CT ispit na kojem nije dovoljno samo poznavati fiziku ili matematiku, potrebno je biti u stanju brzo i bez grešaka riješiti veliki broj zadataka različitih tema i različite složenosti. Ovo poslednje se može naučiti samo rešavanjem hiljada problema.
Uspješna, marljiva i odgovorna implementacija ove tri tačke omogućit će vam da na CT-u pokažete odličan rezultat, maksimum onoga za što ste sposobni.
Našli ste grešku?
Ako mislite da ste pronašli grešku u materijalima za obuku, napišite o tome putem e-pošte. Također možete prijaviti grešku na društvenoj mreži (). U pismu naznačite predmet (fizika ili matematika), naziv ili broj teme ili testa, broj zadatka ili mjesto u tekstu (stranici) na kojem, po vašem mišljenju, postoji greška. Također opišite o čemu se sumnja na grešku. Vaše pismo neće proći nezapaženo, greška će biti ili ispravljena, ili će Vam biti objašnjeno zašto nije greška.
Elektronski udžbenik fizike
KSTU-KKhTI. Odsjek za fiziku. Starostina I.A., Kondratjeva O.I., Burdova E.V.
Za navigaciju kroz tekst elektronskog udžbenika možete koristiti:
Pritisnite 1 taster PgDn, PgUp,, za kretanje između stranica i redova;
2- klik lijevom tipkom miša na odabranotekst da odete na traženi odeljak;
3- kliknite levim tasterom miša na označenu ikonu@ da pređete na sadržaj.
MAGNETIZAM
MAGNETIZAM
1. OSNOVE MAGNETOSTATIKA. MAGNETNO POLJE U VAKUUMU
1.1. Magnetno polje i njegove karakteristike.@
1.2. Amperov zakon.@
1.3. Biot-Savart-Laplaceov zakon i njegova primjena na proračun magnetnog polja. @
1.4. Interakcija dva paralelna provodnika sa strujom. @
1.5. Utjecaj magnetskog polja na pokretnu nabijenu česticu. @
1.6. Zakon ukupne struje za magnetno polje u vakuumu (teorema o kruženju vektora B). @
1.7. Vektorski fluks magnetne indukcije. Gaussova teorema za magnetno polje. @
1. 8. Okvir sa strujom u jednoličnom magnetskom polju. @
2. MAGNETSKO POLJE U TVARI. @
2.1. Magnetski momenti atoma. @
2.2. Atom u magnetnom polju. @
2.3. Magnetizacija supstance. @
2.4. Vrste magneta. @
2.5. dijamagnetizam. Dijamagneti. @
2.6. Paramagnetizam. Paramagnetski materijali. @
2.7. feromagnetizam. Feromagneti. @
2.8. Domenska struktura feromagneta. @
2.9. Antiferomagneti i ferit. @
3. FENOMEN ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE. @
3.1. Osnovni zakon elektromagnetne indukcije. @
3.2. Fenomen samoindukcije. @
3.3. Fenomen međusobne indukcije. @
3.4. Energija magnetnog polja. @
4. MAXWELLOVE JEDNAČINE. @
4.1. Maxwellova teorija za elektromagnetno polje. @
4.2. Maxwellova prva jednačina. @
4.3. Bias current. @
4.4. Maxwellova druga jednačina. @
4.5. Maxwellov sistem jednačina u integralnom obliku. @
4.6. Elektromagnetno polje. Elektromagnetski talasi. @
MAGNETIZAM
Magnetizam- grana fizike koja proučava interakciju između električnih struja, između struja i magneta (tijela s magnetskim momentom) i između magneta.
Dugo se magnetizam smatrao potpuno nezavisnom naukom od elektriciteta. Međutim, brojna najznačajnija otkrića 19.-20. stoljeća A. Amperea, M. Faradaya i drugih dokazala su vezu između električnih i magnetskih fenomena, što je omogućilo da se doktrina magnetizma smatra sastavnim dijelom doktrina elektriciteta.
1. OSNOVE MAGNETOSTATIKA. MAGNETNO POLJE U VAKUUMU
1.1. Magnetno polje i njegove karakteristike. @
Po prvi put, magnetske fenomene dosljedno je ispitivao engleski liječnik i fizičar William Gilbert u svom djelu “O magnetu, magnetnim tijelima i velikom magnetu – Zemlji”. Tada se činilo da elektricitet i magnetizam nemaju ništa zajedničko. Tek početkom 19. stoljeća danski naučnik G.H. Ørsted iznio je ideju da magnetizam može biti jedan od skrivenih oblika elektriciteta, što je eksperimentalno potvrđeno 1820. godine. Ovo iskustvo dovelo je do lavine novih otkrića koja su bila od velikog značaja.
Brojni eksperimenti početkom 19. vijeka pokazali su da svaki provodnik i trajni magnet mogu djelovati silom kroz prostor na druge provodnike ili magnete koji vode struju. To se događa zbog činjenice da se oko provodnika i magneta koji nose struju stvara polje, koje se naziva magnetna.
Za proučavanje magnetnog polja koristi se mala magnetna igla, okačena na konac ili balansirana na vrhu (slika 1.1). U svakoj tački magnetnog polja, proizvoljno će se nalaziti strelica
Sl.1.1. Smjer magnetnog polja
Razmotrimo niz eksperimenata koji su omogućili utvrđivanje osnovnih svojstava magnetnog polja:
Na osnovu ovih eksperimenata zaključeno je da magnetsko polje stvaraju samo pokretni naboji ili pomičuća nabijena tijela, kao i trajni magneti. Po tome se magnetsko polje razlikuje od električnog polja, koje stvaraju i pokretni i stacionarni naboji i djeluje i na jedno i na drugo.
Glavna karakteristika magnetnog polja je vektor magnetske indukcije 
. Za pravac magnetne indukcije u datoj tački polja uzima se pravac duž kojeg se u datoj tački nalazi osa magnetne igle od S do N (slika 1.1). Grafički, magnetna polja su predstavljena linijama magnetne indukcije, odnosno krivuljama čije se tangente u svakoj tački poklapaju sa smjerom vektora B.
Ove linije sile se mogu vidjeti pomoću željeznih strugotina: na primjer, ako raspršite piljevinu oko dugog pravog vodiča i propuštate struju kroz njega, strugotine će se ponašati kao mali magneti, postavljeni duž linija magnetskog polja (slika 1.2).
Kako odrediti smjer vektora 
u blizini provodnika sa strujom? To se može učiniti pomoću pravila desne ruke, koje je ilustrovano na Sl. 1.2. Palac desne ruke je orijentisan u smjeru struje, a zatim preostali prsti u savijenom položaju pokazuju smjer linija magnetskog polja. U slučaju prikazanom na slici 1.2, linije 
su koncentrični krugovi. Vektorske linije magnetne indukcije su uvijek zatvoreno i pokriti strujni provodnik. Po tome se razlikuju od linija električnog polja koje počinju na pozitivnim, a završavaju na negativnim, tj. otvoren. Linije magnetne indukcije trajnog magneta napuštaju jedan pol, koji se zove sjever (N) i ulaze u drugi, južni (S) (Sl. 1.3a). U početku se čini da postoji potpuna analogija sa linijama jačine električnog polja E, pri čemu polovi magneta igraju ulogu magnetnih naboja. Međutim, ako izrežete magnet, slika je sačuvana; dobijate manje magnete sa svojim sjevernim i južnim polom, tj. Nemoguće je razdvojiti polove jer slobodni magnetni naboji, za razliku od električnih, ne postoje u prirodi. Utvrđeno je da unutar magneta postoji magnetno polje i linije magnetne indukcije ovog polja su nastavak linija magnetne indukcije izvan magneta, tj. zatvorite ih. Poput trajnog magneta, magnetsko polje solenoida je zavojnica od tanke izolovane žice dužine mnogo veće od prečnika kroz koji struja teče (slika 1.3b). Kraj solenoida, s kojeg se vidi struja u zavojnici kako teče u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, poklapa se sa sjevernim polom magneta, a drugi s južnim. Magnetna indukcija 
u SI sistemu se mjeri u N/(A∙m), ovoj veličini je dat poseban naziv - tesla.
WITH 
Prema pretpostavci francuskog fizičara A. Amperea, magnetizirano željezo (posebno igle kompasa) sadrži naelektrisanja koja se neprekidno kreću, tj. električne struje na atomskoj skali. Takve mikroskopske struje, uzrokovane kretanjem elektrona u atomima i molekulama, postoje u svakom tijelu. Ove mikrostruje stvaraju vlastito magnetsko polje i same se mogu rotirati u vanjskim poljima koja stvaraju provodnici sa strujom.Na primjer, ako je provodnik sa strujom postavljen blizu tijela, tada pod utjecajem njegovog magnetnog polja mikrostruje u svim atomima se orijentisan na određeni način, stvarajući dodatno magnetsko polje. Amper u to vrijeme nije mogao reći ništa o prirodi i karakteru ovih mikrostruja, budući da je doktrina o strukturi materije bila još u početnoj fazi. Amperova hipoteza briljantno je potvrđena tek 100 godina kasnije, nakon otkrića elektrona i razjašnjenja strukture atoma i molekula.
Magnetna polja koja postoje u prirodi razlikuju se po obimu i efektima koje izazivaju. Zemljino magnetsko polje, koje formira Zemljinu magnetosferu, prostire se na udaljenosti od 70 - 80 hiljada km u pravcu Sunca i mnogo miliona kilometara u suprotnom smeru. U svemiru blizu Zemlje, magnetno polje formira magnetnu zamku za nabijene čestice visoke energije. Poreklo Zemljinog magnetnog polja povezano je sa kretanjem provodljive tečne materije u Zemljinom jezgru. Od ostalih planeta u Sunčevom sistemu, samo Jupiter i Saturn imaju primetna magnetna polja. Magnetno polje Sunca ima presudnu ulogu u svim procesima koji se dešavaju na Suncu – bljeskova, pojava mrlja i prominencija, rađanja sunčevih kosmičkih zraka.
Magnetna polja se široko koriste u raznim industrijama, posebno pri čišćenju brašna u pekarama od metalnih nečistoća. Specijalna sita za brašno opremljena su magnetima koji privlače male komadiće željeza i njegovih spojeva koji se mogu nalaziti u brašnu.
