กำลังเป็นแม่เหล็ก แรงที่กระทำต่อตัวนำในสนามแม่เหล็ก วิธีการกำหนดความแรงของสนามแม่เหล็ก

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ส่วนที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่คือการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้าและคำจำกัดความทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง มันคือปฏิสัมพันธ์ที่อธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าทั้งหมด ทฤษฎีไฟฟ้าครอบคลุมพื้นที่อื่นๆ มากมาย รวมทั้งทัศนศาสตร์ เนื่องจากแสงเป็นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในบทความนี้ เราจะพยายามอธิบายสาระสำคัญของกระแสไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กในภาษาที่เข้าถึงได้และเข้าใจได้

แม่เหล็กเป็นรากฐานของฐานราก

ตอนเด็กๆ ผู้ใหญ่แสดงให้พวกเราดูมายากลต่างๆ โดยใช้แม่เหล็ก รูปแกะสลักที่น่าทึ่งเหล่านี้ซึ่งดึงดูดซึ่งกันและกันและสามารถดึงดูดของเล่นชิ้นเล็ก ๆ ได้ทำให้ดวงตาของเด็ก ๆ พอใจเสมอ แม่เหล็กคืออะไรและแรงแม่เหล็กกระทำต่อชิ้นส่วนเหล็กอย่างไร

อธิบายเป็นภาษาวิทยาศาสตร์ ต้องเปิดกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ข้อใดข้อหนึ่ง ตามกฎของคูลอมบ์และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ แรงบางอย่างกระทำต่อประจุ ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วของประจุเอง (v) ปฏิสัมพันธ์นี้เรียกว่าแรงแม่เหล็ก

ลักษณะทางกายภาพ

โดยทั่วไป ควรเข้าใจว่าปรากฏการณ์แม่เหล็กใด ๆ เกิดขึ้นก็ต่อเมื่อประจุเคลื่อนที่ภายในตัวนำหรือในที่ที่มีกระแสอยู่ในนั้น เมื่อศึกษาแม่เหล็กและคำจำกัดความของสนามแม่เหล็ก ควรเข้าใจว่าพวกมันเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้า ดังนั้นมาทำความเข้าใจแก่นแท้ของกระแสไฟฟ้ากัน

แรงไฟฟ้าคือแรงที่กระทำระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน เป็นตัวเลขที่มากกว่าค่าของแรงโน้มถ่วงมาก มันถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าหรือโดยการเคลื่อนที่ภายในตัวนำ ในทางกลับกันค่าใช้จ่ายมีสองประเภท: บวกและลบ ดังที่คุณทราบ อนุภาคที่มีประจุบวกจะดึงดูดอนุภาคที่มีประจุลบ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายของเครื่องหมายเดียวกันมักจะขับไล่กัน

ดังนั้น เมื่อประจุเหล่านี้เริ่มเคลื่อนตัวในตัวนำ จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งอธิบายไว้ว่าเป็นอัตราส่วนของปริมาณประจุที่ไหลผ่านตัวนำใน 1 วินาที แรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสในสนามแม่เหล็กเรียกว่าแรงแอมแปร์และพบตามกฎ "มือซ้าย"

ข้อมูลเชิงประจักษ์

คุณสามารถพบกับปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กในชีวิตประจำวันเมื่อต้องรับมือกับแม่เหล็กถาวร ตัวเหนี่ยวนำ รีเลย์ หรือมอเตอร์ไฟฟ้า แต่ละคนมีสนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นด้วยตา สืบต่อได้โดยการกระทำของมันเท่านั้นซึ่งมันส่งผลต่ออนุภาคที่เคลื่อนที่และวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก

แรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไหลในสนามแม่เหล็กได้รับการศึกษาและอธิบายโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Ampère ไม่เพียงแต่พลังนี้ได้รับการตั้งชื่อตามเขา แต่ยังรวมถึงขนาดของความแข็งแกร่งในปัจจุบันด้วย ที่โรงเรียน กฎของแอมแปร์ถูกกำหนดให้เป็นกฎของมือ "ซ้าย" และ "มือขวา"

ลักษณะของสนามแม่เหล็ก

ควรเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กมักเกิดขึ้นไม่เพียงรอบแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นรอบแม่เหล็กด้วย เขามักจะวาดภาพด้วยเส้นแรงแม่เหล็ก ในกราฟิคดูเหมือนว่าแผ่นกระดาษวางบนแม่เหล็กและตะไบเหล็กถูกเทลงด้านบน พวกเขาจะมีลักษณะเหมือนกับภาพด้านล่าง

ในหนังสือฟิสิกส์ยอดนิยมหลายเล่ม แรงแม่เหล็กถูกนำมาใช้จากการสังเกตการทดลอง ถือเป็นพลังพื้นฐานของธรรมชาติที่แยกจากกัน แนวคิดดังกล่าวมีความผิดพลาด อันที่จริง การมีอยู่ของแรงแม่เหล็กเป็นไปตามหลักการสัมพัทธภาพ การขาดงานของเธอจะเป็นการละเมิดหลักการนี้

ไม่มีอะไรพื้นฐานเกี่ยวกับแรงแม่เหล็ก - มันเป็นเพียงผลสืบเนื่องของกฎของคูลอมบ์

ใช้แม่เหล็ก

ตามตำนานเล่าว่า ในศตวรรษแรกบนเกาะแมกนีเซีย ชาวกรีกโบราณได้ค้นพบหินแปลกตาซึ่งมีคุณสมบัติที่น่าทึ่ง พวกเขาดึงดูดตัวเองสิ่งที่ทำจากเหล็กหรือเหล็กกล้า ชาวกรีกเริ่มนำพวกเขาออกจากเกาะและศึกษาคุณสมบัติของพวกเขา และเมื่อก้อนหินตกไปอยู่ในมือของถนนนักมายากลพวกเขากลายเป็นผู้ช่วยที่ขาดไม่ได้ในการแสดงทั้งหมด การใช้พลังของหินแม่เหล็ก ทำให้พวกเขาสามารถสร้างการแสดงที่ยอดเยี่ยมและดึงดูดผู้ชมจำนวนมากได้

เมื่อก้อนหินกระจายไปทั่วทุกมุมโลก ตำนานและตำนานต่างๆ ก็เริ่มแพร่กระจายไปทั่ว เมื่อหินไปสิ้นสุดที่ประเทศจีนซึ่งพวกเขาได้รับการตั้งชื่อตามเกาะที่พบ แม่เหล็กกลายเป็นหัวข้อของการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ทุกคนในสมัยนั้น สังเกตได้ว่าหากคุณวางแท่งเหล็กแม่เหล็กบนทุ่นไม้ ให้ซ่อมแล้วหมุนมันจะพยายามกลับสู่ตำแหน่งเดิม พูดง่ายๆ ก็คือ แรงแม่เหล็กที่กระทำกับมันจะเปลี่ยนแร่เหล็กในทางใดทางหนึ่ง

นักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์เข็มทิศโดยใช้คุณสมบัติของแม่เหล็ก บนรูปทรงกลมที่ทำจากไม้หรือไม้ก๊อก มีการดึงเสาหลักสองเสาและติดตั้งเข็มแม่เหล็กขนาดเล็ก การออกแบบนี้ถูกหย่อนลงในชามขนาดเล็กที่เต็มไปด้วยน้ำ เมื่อเวลาผ่านไป แบบจำลองเข็มทิศได้รับการปรับปรุงและแม่นยำยิ่งขึ้น พวกมันไม่ได้ถูกใช้โดยกะลาสีเท่านั้นแต่ยังใช้โดยนักท่องเที่ยวทั่วไปที่ชอบสำรวจทะเลทรายและภูเขาด้วย

ประสบการณ์ที่น่าสนใจ

นักวิทยาศาสตร์ Hans Oersted อุทิศชีวิตให้กับไฟฟ้าและแม่เหล็กเกือบทั้งชีวิต วันหนึ่ง ในระหว่างการบรรยายที่มหาวิทยาลัย เขาแสดงให้นักเรียนเห็นถึงประสบการณ์ต่อไปนี้ เขาส่งกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำทองแดงธรรมดา หลังจากนั้นครู่หนึ่งตัวนำก็ร้อนขึ้นและเริ่มงอ มันเป็นปรากฏการณ์ความร้อนกระแสไฟฟ้า. นักเรียนทำการทดลองต่อไป และหนึ่งในนั้นสังเกตเห็นว่ากระแสไฟฟ้ามีคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่ง เมื่อกระแสไหลในตัวนำ ลูกศรของเข็มทิศที่อยู่ใกล้เคียงก็เริ่มเบี่ยงเบนทีละน้อย จากการศึกษาปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียดยิ่งขึ้น นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบแรงที่เรียกว่าแรงที่กระทำต่อตัวนำในสนามแม่เหล็ก

กระแสแอมแปร์ในแม่เหล็ก

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามค้นหาประจุแม่เหล็ก แต่ไม่พบขั้วแม่เหล็กที่แยกออกมา สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีประจุแม่เหล็กต่างจากไฟฟ้า ท้ายที่สุด มิฉะนั้น ก็สามารถแยกประจุต่อหนึ่งหน่วยได้โดยเพียงแค่แยกปลายด้านหนึ่งของแม่เหล็กออก อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เกิดขั้วตรงข้ามใหม่ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

อันที่จริงแล้ว แม่เหล็กใดๆ ก็ตามที่เป็นโซลินอยด์ บนพื้นผิวที่มีกระแสภายในอะตอมหมุนเวียน เรียกว่ากระแสแอมแปร์ ปรากฎว่าแม่เหล็กถือได้ว่าเป็นแท่งโลหะที่มีกระแสไฟตรงไหลเวียนอยู่ ด้วยเหตุนี้เองที่การนำแกนเหล็กเข้าไปในโซลินอยด์จะเพิ่มสนามแม่เหล็กอย่างมาก

พลังงานแม่เหล็กหรือ EMF

เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ทางกายภาพใดๆ สนามแม่เหล็กมีพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ประจุ มีแนวคิดของ EMF (แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นงานย้ายประจุไฟฟ้าจากจุด A₀ ไปยังจุด A_1.

EMF อธิบายโดยกฎหมายของฟาราเดย์ ซึ่งใช้ทางกายภาพที่แตกต่างกันสามแบบสถานการณ์:

1. วงจรที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่สร้างขึ้น ในกรณีนี้ เขาพูดถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าแม่เหล็ก
2. รูปร่างหยุดนิ่ง แต่แหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็กกำลังเคลื่อนที่ นี่เป็นปรากฏการณ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าแล้ว
3. สุดท้าย วงจรและที่มาของสนามแม่เหล็กจะหยุดนิ่ง แต่กระแสที่สร้างสนามแม่เหล็กกำลังเปลี่ยนไป

ในเชิงตัวเลข EMF ตามสูตรของฟาราเดย์คือ: EMF=W/q.

ดังนั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าจึงไม่ใช่แรงในความหมายตามตัวอักษร เนื่องจากวัดเป็นจูลต่อคูลอมบ์หรือในโวลต์ ปรากฎว่ามันเป็นตัวแทนของพลังงานที่ส่งไปยังอิเล็กตรอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเมื่อข้ามวงจร ทุกครั้งที่ทำรอบต่อไปของเฟรมหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเป็นตัวเลขเท่ากับ EMF พลังงานเพิ่มเติมนี้ไม่เพียงแต่สามารถถ่ายโอนได้ในระหว่างการชนกันของอะตอมในสายโซ่ชั้นนอกเท่านั้น แต่ยังถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของความร้อนจูลด้วย

แรงลอเรนทซ์และแม่เหล็ก

แรงที่กระทำต่อกระแสในสนามแม่เหล็กถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้: q|v||B|sin a (ผลคูณของประจุสนามแม่เหล็ก โมดูลความเร็วของอนุภาคเดียวกัน, เวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามและไซน์ของมุมระหว่างทิศทางของพวกมัน) แรงที่กระทำต่อหน่วยเคลื่อนที่จะมีประจุในสนามแม่เหล็กเรียกว่าแรงลอเรนซ์ ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจคือกฎข้อที่ 3 ของนิวตันใช้ไม่ได้สำหรับแรงนี้ มันปฏิบัติตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเท่านั้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมปัญหาทั้งหมดในการค้นหาแรงลอเรนซ์จึงควรได้รับการแก้ไขโดยอิงจากแรงดังกล่าว มาดูวิธีการกันคุณสามารถกำหนดความแรงของสนามแม่เหล็กได้

ปัญหาและตัวอย่างวิธีแก้ปัญหา

ในการหาแรงที่เกิดขึ้นรอบตัวนำที่มีกระแส คุณจำเป็นต้องรู้ปริมาณหลายๆ อย่าง ได้แก่ ประจุ ความเร็ว และค่าของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ปัญหาต่อไปนี้จะช่วยให้คุณเข้าใจวิธีคำนวณแรงลอเรนซ์

กำหนดแรงที่กระทำต่อโปรตอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 10 มม./วินาทีในสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ 0.2 C (มุมระหว่างพวกมันคือ 90^o เนื่องจากอนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับเส้นเหนี่ยวนำ) การแก้ปัญหาเกิดขึ้นเพื่อค้นหาประจุ เมื่อดูจากตารางประจุ เราพบว่าโปรตอนมีประจุ 1.610^-19 Cl ต่อไป เราคำนวณแรงโดยใช้สูตร: 1, 610^-19100, 21 (ไซน์ของมุมฉากคือ 1)=3, 2 10^{- 19 นิวตัน}