Заманбап физиканын эң маанилүү бөлүмдөрүнүн бири – электромагниттик өз ара аракеттешүүлөр жана аларга тиешелүү бардык аныктамалар. Дал ушул өз ара аракеттенүү бардык электрдик кубулуштарды түшүндүрөт. Жарык электромагниттик нурлануу болгондуктан, электр теориясы көптөгөн башка тармактарды, анын ичинде оптиканы камтыйт. Бул макалада биз электр тогу менен магниттик күчтүн маңызын жеткиликтүү, түшүнүктүү тилде түшүндүрүүгө аракет кылабыз.
Магнитизм - пайдубалдардын негизи
Бала кезибизде чоңдор бизге магнит аркылуу ар кандай сыйкырчылыктарды көрсөтүшкөн. Бири-бирине тартылып, кичинекей оюнчуктарды тарта алган бул укмуштуудай фигуралар ар дайым балдардын көзүн кубантып келет. Магниттер деген эмне жана магниттик күч темир бөлүктөргө кандай таасир этет?
Илимий тил менен түшүндүрүп жатып, физиканын негизги мыйзамдарынын бирине кайрылууга туура келет. Кулон мыйзамы жана атайын салыштырмалуулук теориясы боюнча зарядга белгилүү бир күч аракет кылат, ал заряддын өзүнүн ылдамдыгына түз пропорционалдуу (v). Бул өз ара аракеттенүү деп аталатмагниттик күч.
Физикалык өзгөчөлүктөр
Жалпысынан алганда, кандайдыр бир магниттик кубулуш заряддар өткөргүчтүн ичинде кыймылдаганда же аларда ток болгондо гана болоорун түшүнүү керек. Магниттерди жана магнетизмдин аныктамасын изилдеп жатканда, алар электр тогунун кубулушу менен тыгыз байланышта экенин түшүнүү керек. Андыктан электр тогунун маңызын түшүнөлү.
Электр күчү – электрон менен протондун ортосунда аракеттенүүчү күч. Бул тартылуу күчүнүн маанисинен сан жагынан бир топ чоң. Ал электр зарядынан, тагыраак айтканда, өткөргүчтүн ичиндеги кыймылынан пайда болот. Заряддар, өз кезегинде, эки түрдүү болот: оң жана терс. Белгилүү болгондой, оң заряддуу бөлүкчөлөр терс заряддууларга тартылат. Бирок, бир белгидеги заряддар бири-бирин түртүп жиберет.
Ошентип, дал ушул заряддар өткөргүчтө кыймылдай баштаганда, анда электр тогу пайда болот, ал өткөргүчтөн 1 секундада өткөн заряддын санынын катышы катары түшүндүрүлөт. Магнит талаасында ток бар өткөргүчкө таасир этүүчү күч Ампер күчү деп аталат жана "сол кол" эрежеси боюнча табылат.
Эмпирикалык маалыматтар
Сиз күнүмдүк жашоодо туруктуу магниттер, индукторлор, реле же электр кыймылдаткычтары менен иштөөдө магниттик өз ара аракеттенүүгө туш боло аласыз. Алардын ар биринде көзгө көрүнбөгөн магнит талаасы бар. Аны анын аракетинен гана байкоого болоткыймылдуу бөлүкчөлөргө жана магниттелген денелерге таасир этет.
Магнит талаасында ток бар өткөргүчкө таасир этүүчү күч француз физиги Ампер тарабынан изилденген жана сүрөттөлгөн. Анын ысымы бул күч эле эмес, азыркы күчтүн чоңдугу менен да аталып калган. Мектепте Ампер мыйзамдары "сол" жана "оң" колдун эрежелери катары аныкталат.
Магниттик талаанын мүнөздөмөлөрү
Магнит талаасы дайыма электр тогунун булактарынын айланасында гана эмес, магниттердин айланасында да пайда болоорун түшүнүү керек. Ал, адатта, магниттик күч сызыктары менен сүрөттөлөт. Графикалык жактан алганда магнитке бир барак кагаз салынып, үстүнө темир талканы төгүлгөндөй көрүнөт. Алар төмөнкү сүрөттөгүдөй көрүнөт.
Физика боюнча көптөгөн популярдуу китептерде магниттик күч эксперименталдык байкоолордун натыйжасында киргизилген. Ал табияттын өзүнчө негизги күчү болуп эсептелет. Мындай пикир туура эмес, чындыгында магниттик күчтүн болушу салыштырмалуулук принцибинен келип чыгат. Анын жоктугу бул принципти бузат.
Магниттик күчтүн негизги эч нерсеси жок - бул Кулон мыйзамынын релятивисттик натыйжасы.
Магниттерди колдонуу
Уламыш боюнча, биздин замандын биринчи кылымында Магнезия аралында байыркы гректер укмуштуудай касиетке ээ өзгөчө таштарды табышкан. Алар темирден же болоттон жасалган бардык нерсени өздөрүнө тартып алышкан. Гректер аларды аралдан алып чыгып, касиеттерин изилдей башташты. Ал эми таштар көчөнүн колуна түшкөндөсыйкырчылар, алар ездерунун бардык спектаклдеринде ажыралгыс жардамчы болуп калышты. Магниттик таштардын күчүн колдонуп, алар көптөгөн көрүүчүлөрдү өзүнө тарткан бүтүндөй фантастикалык шоу түзө алышты.
Таштар дүйнөнүн бардык булуң-бурчтарына тараган сайын алар жөнүндө уламыштар, ар кандай уламыштар тарай баштаган. Бир жолу таштар Кытайга келип, алар табылган аралдын атынан аталган. Магниттер ошол кездеги бардык улуу окумуштуулардын изилдөө предмети болуп калды. Магниттик темир ташты жыгачтан жасалган сүзгүчкө коюп, аны оңдоп, анан бурсаңыз, ал өзүнүн баштапкы абалына кайтууга аракет кылаары байкалган. Жөнөкөй сөз менен айтканда, ага таасир эткен магниттик күч темир рудасын белгилүү бир жол менен айлантат.
Магниттердин бул касиетин колдонуп, окумуштуулар компасты ойлоп табышты. Жыгачтан же тыгындан жасалган тегерек формага эки негизги мамы чийилип, кичинекей магниттик ийне орнотулган. Бул дизайн суу менен толтурулган кичинекей идишке түшүрүлгөн. Убакыттын өтүшү менен компас моделдери жакшырып, так болуп калды. Аларды деңизчилер гана эмес, чөлдүү жана тоолуу аймактарды изилдөөнү жакшы көргөн катардагы туристтер да колдонушат.
Кызыктуу окуялар
Окумуштуу Ганс Эрстед дээрлик бүт өмүрүн электр жана магниттерге арнаган. Күндөрдүн биринде университетте лекция окуп жатып, студенттерине төмөнкүдөй окуяны көрсөттү. Ал кадимки жез өткөргүчтөн ток өткөргөн, бир аздан кийин өткөргүч ысып, ийилип баштаган. Бул термикалык көрүнүш болгонэлектр тогу. Окуучулар бул эксперименттерди улантып, алардын бири электр тогунун дагы бир кызыктуу касиети бар экенин байкады. Өткөргүчтө ток өткөндө, жакын жайгашкан компастын жебеси аз-аздан четтей баштады. Бул кубулушту кеңири изилдеп, илимпоз магнит талаасындагы өткөргүчкө таасир этүүчү күч деп аталган нерсени ачкан.
Магниттердеги ампердик токтар
Окумуштуулар магниттик зарядды табууга аракет кылышты, бирок обочолонгон магниттик уюл табылган жок. Бул электрдик заряддардан айырмаланып, магниттик заряддардын жок экендиги менен түшүндүрүлөт. Анткени, антпесе магниттин учтарынын бирин үзүп алуу менен бирдик зарядды бөлүп алууга болот эле. Бирок, бул экинчи четинде жаңы карама-каршы уюлду жаратат.
Чынында, ар кандай магнит электромагнит болуп саналат, анын бетинде атом ичиндеги токтар айланып турат, алар Ампер токтору деп аталат. Көрсө, магнитти түз ток айланып турган металл таякча катары кароого болот экен. Дал ушул себептен улам, электромагнитке темир өзөктүн киргизилиши магнит талаасын бир топ жогорулатат.
Магниттик энергия же EMF
Баардык физикалык кубулуштар сыяктуу эле, магнит талаасы зарядды жылдыруу үчүн керектүү энергияга ээ. EMF (электр кыймылдаткыч күчү) деген түшүнүк бар, ал бирдик зарядды A0 чекитинен A1 чекитине жылдыруу иши катары аныкталат.
EMF Фарадей мыйзамдары менен сүрөттөлөт, алар үч түрдүү физикалык жактан колдонулатжагдайлар:
- Өткөрүлгөн схема түзүлгөн бирдиктүү магнит талаасында кыймылдайт. Бул учурда, алар магниттик эмф жөнүндө сөз кылышат.
- Контур эс алууда, бирок магнит талаасынын булагы өзү жылып жатат. Бул электрдик эмф көрүнүшү.
- Акыры, чынжыр жана магнит талаасынын булагы кыймылсыз, бирок магнит талаасын пайда кылган ток өзгөрүүдө.
Сандык жактан алганда, Фарадей формуласы боюнча EMF: EMF=W/q.
Демек, электр кыймылдаткыч күч түз мааниде күч эмес, анткени ал Джоул/ Кулон же Вольт менен өлчөнөт. Ал чынжырды айланып өткөндө өткөрүүчү электронго берилген энергияны билдирет экен. Генератордун айлануучу рамкасынын кезектеги айлампасын жасаган сайын электрон сан жагынан EMFге барабар энергияга ээ болот. Бул кошумча энергия тышкы чынжырдагы атомдордун кагылышуусу учурунда гана берилбестен, Джоуль жылуулук түрүндө да бөлүнүп чыгышы мүмкүн.
Лоренц күчү жана магниттер
Магниттик талаадагы токко таасир этүүчү күч төмөнкү формула менен аныкталат: q|v||B|sin a (магнит талаасынын зарядынын көбөйтүлүшү, ошол эле бөлүкчөнүн ылдамдык модулдары, талаа индукция вектору жана алардын багыттарынын ортосундагы бурчтун синусу). Магнит талаасында кыймылдуу бирдик зарядга таасир этүүчү күч Лоренц күчү деп аталат. Кызыктуу жагдай, бул күч үчүн Ньютондун 3-закону жараксыз. Ал импульстун сакталуу мыйзамына гана баш ийет, ошондуктан Лоренц күчүн табуудагы бардык маселелер анын негизинде чечилиши керек. Келгиле, кантип карап көрөлүмагнит талаасынын күчүн аныктай аласыз.
Көйгөйлөр жана чечүү мисалдары
Ток бар өткөргүчтүн айланасында пайда болуучу күчтү табуу үчүн бир нече чоңдуктарды: зарядды, анын ылдамдыгын жана пайда болгон магнит талаасынын индукциясынын маанисин билүү керек. Төмөнкү маселе Лоренц күчүн кантип эсептөө керектигин түшүнүүгө жардам берет.
Индукциясы 0,2 С болгон магнит талаасында 10 мм/сек ылдамдыкта кыймылдаган протонго таасир этүүчү күчтү аныктагыла (алардын ортосундагы бурч 90o, заряддуу бөлүкчө индукция сызыктарына перпендикуляр кыймылдагандыктан). Чечим зарядды табууга келет. Заряддар таблицасын карап, протондун заряды 1,610-19 Cl экенин көрөбүз. Андан кийин, формуланы колдонуп күчтү эсептейбиз: 1, 610-19100, 21 (тик бурчтун синусу 1)=3, 2 10- 19 Ньютон.
