La elektromagnetická síla nebo také známý Elektromagnetismus je zodpovědný za většinu interakcí, které vidíme v našem současném prostředí, elektřina je také schopna produkovat magnetické pole. Více o tomto tématu se dozvíte zde!
Elektromagnetismus
Elektromagnetismus je proces, při kterém se vytváří přitažlivé pole zavedením proudu do vedení, když má vodič elektrický náboj, generuje z vodiče magnetické siločáry.
Pokud například proud, tj. kladné náboje pohybující se v drátu, vytváří magnetické pole podél drátu, pak lze směr magnetických čar a sílu určit pomocí pravidla pravé ruky.
elektromagnetická síla
Elektromagnetická síla je nesena fotonem a je zodpovědná za atomovou strukturu, chemické reakce, přitažlivé a odpudivé síly spojené s elektrickým nábojem a magnetismem a všechny ostatní elektromagnetické jevy, stejně jako gravitace, elektromagnetická síla má nekonečný dosah a řídí se zákonem obrácené čtverce. .
Elektromagnetická síla je křehčí než energetická jaderná síla, je důležité si uvědomit, že je silnější než gravitace. Významní vědci Jsou toho názoru, že elektromagnetická síla a slabá jaderná síla jsou oba aspekty jediné síly zvané elektrodepresivní síla.
Před vynálezem elektromagnetismu si lidé nebo vědci mysleli, že elektřina a magnetismus jsou dva různé předměty, názor se změnil poté, co James Clerk Maxwell publikoval pojednání o elektřině a magnetismu v roce 1873.
V publikaci se uvádí, že interakce kladných a záporných nábojů je zprostředkována silou, toto pozorování položilo základ elektromagnetismu, později svými nápady v elektromagnetismu přispěli mnozí vědci jako Michael Faraday, Oliver Heaviside a Heinrich Hertz.
Magnet
Magnety jsou kameny nebo kovy, které kolem sebe vytvářejí neviditelné pole, toto pole přitahuje jiné magnety a určité kovy, přítomnost magnetického pole je důvodem, proč můžete kovové dveře lednice pokrýt magnety.
Magnetické pole je spojeno stranami konců magnetů, tyto konce jsou známé jako póly, všechny magnety mají dva póly, severní pól a jižní pól, magnetickou sílu oceníte, když budete držet dva magnety tak, aby jejich póly jsou vedle sebe.
Magnety se skládají z milionů molekul spojených dohromady ve skupinách zvaných domény, každá doména se chová jako minerální magnet, který má severní a jižní pól, při stejné orientaci domén se jejich síla spojuje a tvoří větší magnet.
Železo má mnoho domén, které lze orientovat jedním směrem, tedy magnetizovat, domény v plastu, gumě, dřevu a dalších materiálech jsou v neuspořádaném stavu, jejich magnetická pole jsou vícesměrná a proto tyto materiály nelze zmagnetizovat.
Staří Řekové byli mezi prvními, kdo objevili železo, magnetismus jim mohl připadat magický, přeci jen magnetické pole nevidíte, ale jeho účinky jsou cítit.
Během minulého století vědci zjistili, že tajemství magnetu spočívá v jeho struktuře. atomovýVšechny objekty ve vesmíru se skládají z atomů, každý atom má ve svém středu jádro, částice známé jako elektrony obíhají kolem jádra.
Tento proces vytváří kolem elektronů magnetická pole, magnetismus nastává, když se elektrony otáčejí stejným směrem jako všechny ostatní elektromagnetické síly elektronů, udělají z předmětu velký magnet.
historie magnetismu
Magnetismus byl studován již od starověku a v posledních dvou stoletích se stal základem moderní civilizace, lidstvo shromažďuje poznatky o magnetických jevech nejméně tři a půl tisíce let (první pozorování elektrických sil probíhalo v tisíciletí tehdy) .
Před čtyřmi sty lety, na úsvitu formování fyziky, byly magnetické vlastnosti látek odděleny od elektrických, načež byly obě dlouhou dobu studovány nezávisle, proto byl vytvořen základ.experimentální a teoretická teorie, která v r. poloviny devatenáctého století, se stal základem pro jednotnou teorii elektromagnetických jevů.
Neobvyklé vlastnosti přírodního nerostu magnetitu byly pravděpodobně známy v Mezopotámii již v době bronzové a po objevení se hutnictví železa si nešlo nevšimnout, že magnetovec přitahuje železné výrobky.
Důvodem této přitažlivosti se zabýval již otec řecké filozofie Thales z Milétu (asi 640-546 př. n. l.), který jej vysvětlil zvláštní animací tohoto minerálu. Thales také věděl, že jantar natřený na vlnu přitahuje suché listy a drobné třísky, a tak ji obdařil duchovní silou.
Řecký básník Nikander se zmínil o pastýři Magnisovi, který se objevil u skály, který k němu přitáhl železný hrot své hole, ale to je se vší pravděpodobností prostě krásná legenda.
Pozdější řečtí myslitelé hovořili o neviditelných párech, které obalují magnetit a železo a přitahují je k sobě, není divu, že samotné slovo magnet má také řecké kořeny.
Existují různé informace o první zmínce o magnetech, obecně považovaných v historii starověkého světa v souvislosti s kompasem nebo náboženskými kulty, podle některých odhadů byl magnetovec nebo magnetické železo poprvé objeven v Číně před čtyřmi tisíci lety. Kristus.
Je třeba poznamenat, že západní badatelé mají tendenci dávat přednost objevu magnetismu starověkým Řekům, první zmínky o použití magnetických materiálů se datují do třetího tisíciletí před naším letopočtem, kdy legendární čínský císař Huang-di používal během bitvy kompas.
Podle jiné verze však používal tzv. vozy směřující na jih, čínští námořníci konce druhého tisíciletí př. n. l. používali k námořní navigaci kompas.
Během středověku prakticky chybělo hromadění nových poznatků a teorií o povaze magnetismu, pouze mniši učinili nějaké teologické předpoklady, ale v lidovém umění různých zemí byly někdy zmiňovány magnetické hory nebo ostrovy, které mohou přitahovat veškerý kov. objektů.
Podle jedné z evropských legend vynalezl chudý klenotník Flavio Joya magnetický kompas, aby se oženil s dcerou bohatého rybáře Domenica, otec takového zetě nechtěl a stanovil podmínku naučit se plavat. v přímé linii v mlze v noci.
Vynalézavý klenotník si všiml, že korek s magnetickým kamenem na něm umístěným v hrnku s vodou, orientovaný vždy jedním směrem, se mu podařilo splnit nelehký úkol, ve skutečnosti byl klenotníkem papežský sekretář Flavio Biondo, který v roce 1450 popsal znalosti obyvatel Amalfi o kompasu.
magnetické pole a magnetický tok
Tato magnetická pole jsou vektorová pole v populaci magnetů, elektrických proudů nebo nestálých elektrických polí, ve kterých jsou viditelné magnetické síly, magnetické pole pochází z míchání elektrických nábojů a intimních magnetických period základních částic souvisejících s esenciálním kvantovým členstvím známým jako spin. .
Magnetické pole a elektrické pole jsou vzájemně propojeny a jsou zařízeními elektromagnetické síly, jedním ze čtyř Základní přírodní síly.
Problém je v tom, že nemůžeme detekovat magnetické pole našimi vlastními smysly, takže musíme použít kompas, který nám pomůže pole „vidět“, kompas není nic jiného než malý magnet zavěšený tak, aby se mohl volně otáčet v reakci na magnetické pole.
Stejně jako všechny magnety má střelka severní a jižní pól, které jsou přitahovány a odpuzovány póly jiných magnetů. Když je kompas umístěn v silném magnetickém poli, přitažlivé a odpudivé síly otáčí střelkou, dokud se nepohne. dokonale lícuje s směr pole.
Pro náš experiment si představíme, že máme tyčový magnet velikosti školního autobusu, který sedí v otevřeném prostoru. To by vám mělo pomoci vizualizovat chůzi kolem magnetu a přesvědčit vás, že máme co do činění s velmi silným magnetickým polem! S kompasem v ruce začneme vedle severního pólu a zaznamenáme orientaci střelky.
Co bychom viděli, je, že jehla míří přímo ven a pryč od magnetu, pokud bychom začali chodit ve směru, kterým jehla ukazovala, zjistili bychom, že když se od tyče vzdalujeme, jehla by se začala otáčet. do strany, pokračující jehlou, bychom nakonec obešli magnet a dosáhli jižního pólu, zde by jehla směřovala přímo na magnet.
Magnetický tok je definován jako počet magnetických siločar procházejících uzavřeným povrchem, v důsledku míry celkového magnetického pole procházejícího danou povrchovou plochou, zde uvažovaná oblast může mít libovolnou velikost a libovolnou orientaci vzhledem k do směru magnetického pole.
Faradayovy skvělé myšlenky spočívaly v nalezení jednoduchého matematického vztahu k vysvětlení série experimentů, které provedl na elektromagnetické indukci.
Faraday přispěl četnými příspěvky do vědy a je široce známý jako největší experimentální vědec XNUMX. století, než začneme oceňovat jeho práci, pojďme pochopit koncept magnetického toku, který hraje důležitou roli v elektromagnetické indukci.
Pro výpočet magnetického toku uvažujeme siločárový obraz magnetu nebo soustavy magnetů, jak je znázorněno na obrázku níže, magnetický tok rovinou plochy dané A, která je umístěna v poli Rovnoměrné magnetické pole o velikosti daný B je dán jako bodový součin magnetického pole a plochy A.
Magnetické vlastnosti hmoty
Veškerá hmota vykazuje magnetické vlastnosti, když je umístěna do vnějšího magnetického pole, dokonce i látky jako měď a hliník, o kterých se normálně nepředpokládá, že mají magnetické vlastnosti, jsou ovlivněny přítomností magnetického pole, jaké vytváří kterýkoli pól tyčového magnetu.
V závislosti na tom, zda existuje přitažlivost nebo odpuzování k pólu magnetu, je hmota klasifikována jako paramagnetická nebo diamagnetická Některé materiály, zejména železo, vykazují silnou přitažlivost k pólu permanentního tyčového magnetu; Materiály tohoto typu se nazývají feromagnetické.
V roce 1845 se Faraday stal prvním, kdo klasifikoval látky jako diamagnetické nebo paramagnetické, tuto klasifikaci založil na svém pozorování síly působící na látky v nehomogenním magnetickém poli.
Látky, u kterých je magnetická susceptibilita kladná, jsou klasifikovány jako paramagnetické, v některých případech (včetně většiny kovů) je susceptibilita nezávislá na teplotě, ale u většiny sloučenin je silně závislá na teplotě a zvyšuje se s klesající teplotou.
Pod touto teplotou materiál vykazuje spontánní magnetizaci, to znamená, že se stává feromagnetickým, přičemž jeho magnetické vlastnosti jsou velmi odlišné od vlastností paramagnetické nebo vysokoteplotní fáze.
Zejména, i když lze jeho magnetický moment změnit působením magnetického pole, není hodnota dosaženého momentu v daném poli vždy stejná, záleží na předchozím magnetickém, tepelném a mechanickém zpracování vzorku.
Ve věci volných magnetických dipólových momentů je orientace momentů normálně náhodná a v důsledku toho látka nemá žádnou čistou magnetizaci, když je aplikováno magnetické pole, dipóly již nejsou zcela náhodně orientovány; více dipólů ukazuje s polem než proti poli.
Když to vede k čisté pozitivní magnetizaci ve směru pole, látka má pozitivní susceptibilitu a je klasifikována jako paramagnetická, existuje třetí kategorie hmoty, ve které se vlastní momenty normálně nevyskytují, ale objevují se pod vlivem vnějšího magnetického pole. pole.
Magnetická hysterezní křivka
Jev hustoty toku B zaostávající za magnetizační silou H v magnetickém materiálu je známý jako magnetická hystereze, Slovo hystereze je odvozeno z řeckého slova hysterein, což znamená zaostávat.
Jinými slovy, když je magnetický materiál zmagnetizován nejprve v jednom směru a poté v druhém směru, čímž se dokončí jeden magnetizační cyklus, zjistí se, že hustota toku B zaostává za aplikovanou magnetizační silou H.
https://youtu.be/BL4F-Afugio
Existují různé druhy magnetických materiálů, jako jsou paramagnetické, diamagnetické, feromagnetické, feromagnetické a antiferomagnetické materiály, feromagnetické materiály jsou zodpovědné především za generování hysterezní smyčky.
Při neaplikaci magnetického pole se feromagnetický materiál chová jako paramagnetický materiál, to znamená, že v počáteční fázi není dipól feromagnetického materiálu vyrovnán, jsou umístěny náhodně, jakmile je magnetické pole aplikováno na feromagnetický materiál. materiál, jejich dipólové momenty se zarovnají v určitém směru, jak je znázorněno na obrázku výše, což má za následek mnohem silnější magnetické pole.
Magnetické pole vytvořené elektrickým proudem
Elektrický proud v dlouhém rovném drátu vytváří magnetické pole, jehož siločáry jsou tvořeny kruhy uprostřed drátu, toto magnetické pole lze detekovat umístěním magnetického kompasu v blízkosti drátu, směr magnetického pole B lze určit pomocí pravidlo pravé ruky.
Pro vytvoření silnějšího magnetického pole pomocí elektrických proudů je několik smyček seskupeno do toho, co se nazývá solenoid, solenoid vytváří nejen silné magnetické pole, ale také jednotné se severním pólem a jižním pólem podobným magnetům.
Solenoidy mají mnoho aplikací, magnetické pole vytvářené elektromagnety lze ovládat ovládáním proudu v elektromagnetu, proud v elektromagnetu lze zapínat nebo vypínat a také zvýšením nebo snížením elektrického proudu v elektromagnetu můžeme ovládat sílu magnetického pole.
Elektromagnetická síla, nazývaná také Lorentzova síla, vysvětluje, jak se stacionární a pohybující se nabité částice vzájemně ovlivňují, tzv. elektromagnetická síla protože zahrnuje dříve odlišnou elektrickou sílu a magnetickou sílu, magnetické síly a elektrické síly jsou ve skutečnosti stejnou základní silou, je elektromagnetická síla jednou ze čtyř základních sil.
Einstein rozvinul svou teorii relativity z myšlenky, že pokud se pozorovatel pohybuje s nabitými částicemi, magnetická pole se transformují na elektrická pole a naopak, což je zvláštní případ elektromagnetické síly, kdy všechny náboje jsou bodové náboje. (nebo mohou rozdělit na bodové poplatky), je Coulombův zákon.
Faraday-Lenz, elektromagnetická indukce
Lenzův zákon elektromagnetické indukce stanoví, že orientace proudu indukovaného ve vodiči nekonstantním magnetickým polem je taková, že magnetické pole vytvořené způsobeným proudem čelí počátečnímu proměnnému magnetickému poli, které jej vytvořilo, směr tohoto toku proudu je dán podle Flemingova pravidla pravé ruky.
To může být zpočátku obtížné pochopit, takže se podívejme na příklad problému, nezapomeňte, že když magnetické pole indukuje proud, magnetické pole, které produkuje tento indukovaný proud, vytvoří své vlastní magnetické pole, toto magnetické pole bude vždy takové, že je v protikladu k magnetickému poli, které jej původně vytvořilo.
Když se magnetické pole "B" zmenšuje, indukované magnetické pole se mu opět postaví, ale tentokrát "proti" znamená, že působí tak, že pole zvětšuje, protože působí proti klesající rychlosti změny.
Lenzův zákon je založen na Faradayově indukčním zákonu, Faradayův zákon nám říká, že měnící se magnetické pole bude indukovat proud ve vodiči, Lenzův zákon nám říká směr tohoto indukovaného proudu, který je proti původnímu měnícímu se magnetickému poli, které jej vytvořilo, to je ve vzorci pro Faradayův zákon označeno záporným znaménkem.
Elektromagnetická indukce v cívce
Jeden z Faradayových experimentů v tomto důležitém roce představoval permanentní magnet a galvanometr připojený ke cívce drátu navinutého kolem papírového válce, podobné těm, které jsou znázorněny v tomto návodu.
Chcete-li simulovat Faradayův experiment, přetáhněte tyčový magnet sem a tam v cívce a všimněte si, že voltmetr připojený k cívce indikuje přítomnost proudu pouze tehdy, když se magnet skutečně pohybuje, a že jeho jehla se pohybuje. vychyluje se jedním směrem, když magnet se pohybuje směrem k cívce a v opačném směru, když je cívka tažena.
Všimněte si také siločar magnetického pole, znázorněných modře, vycházejících z magnetu a toho, jak se mění směr proudu v závislosti na tom, jakým směrem se magnet pohybuje.
Jak můžete vidět, když severní konec magnetu vstoupí do cívky, indukuje se proud, který prochází kolem cívky proti směru hodinových ručiček, když je magnet vytažen z cívky, směr se obrátí ve směru hodinových ručiček.
Všimněte si také, že produkovaný proud je silnější, když se magnetem pohybuje rychle spíše než postupně, upravte posuvník počtu závitů a znovu pohybujte magnetem dovnitř a ven z cívky, abyste určili poměr závitů drátu v cívce. proud indukovaný v této cívce.
Jak ukazuje voltmetr, vyšší napětí může být indukováno v cívkách vyrobených z většího počtu závitů drátu, použijte modré tlačítko na magnetu, abyste viděli, jak se věci mění, když jižní konec magnetu, vykazující různé siločáry, interaguje s cívky drátu.
Při této demonstraci elektromagnetické indukce se mechanická energie pohybujícího se magnetu přeměňuje na elektřinu, protože pohybující se magnetické pole, vstupující do vodiče, indukuje tok proudu ve vodiči, co se také stane, je, že proud, který byl indukován ve vodiči , podle pořadí, generuje další magnetické pole kolem drátu.
vířivé proudy
Vířivé proudy jsou proudy, které procházejí vodiči jako víry v proudu, jsou způsobeny změnou magnetických polí a proudí v uzavřených smyčkách, kolmo k rovině magnetického pole.
Mohou být vytvořeny, když se vodič pohybuje magnetickým polem, nebo když se magnetické pole kolem stacionárního vodiče změní, tj. cokoli, co způsobí, že vodič zažije změnu v síle nebo směru magnetického pole, může produkovat vířivé proudy.
Velikost proudu je v souladu s velikostí magnetického pole, plochou smyčky a rychlostí změny magnetického toku a je nepřímo úměrná měrnému odporu vodiče, stejně jako jakýkoli proud, který destiluje přes vodič, proudový parazit vytvoří své vlastní magnetické pole.
Lenzův zákon říká, že směr magneticky indukovaného proudu, jako je vířivý proud, bude takový, že vytvořené magnetické pole bude působit proti změně magnetického pole, která jej vytvořila.
Tento odpor vytvořený protilehlými magnetickými poli se rozpadá při brzdění vířivými proudy, které se běžně používá jako metoda zastavení rotujícího elektrického nářadí.
Příklady elektromagnetické síly
Nejběžnější příklady, které lze uvést, jsou následující:
- Veškeré světlo ze Slunce a dalších zdrojů se skládá z fotonů, které jsou nositeli elektromagnetické síly.
- Magnety a magnetické pole Země, které nás chrání před škodlivým zářením, jsou aspekty elektromagnetické síly.
- Gama záření je elektromagnetický mechanismus, který umožňuje atomovému jádru ztrácet energii Thomsonův atomový model.
- Elektrostatické odpuzování mezi podobnými náboji zabránilo Slunci rychle sloučit veškerý svůj vodík.
- Elektromagnetická síla, která má také široký rozsah, je nejrozmanitější a nejvlivnější ze všech základních sil.
