Fizička tijela su " glumci» fizičke pojave. Upoznajmo neke od njih.
Mehaničke pojave
Mehaničke pojave su kretanje tijela (slika 1.3) i njihovo djelovanje jedno na drugo, na primjer odbijanje ili privlačenje. Djelovanje tijela jedno na drugo naziva se međudjelovanje.
U ovoj akademskoj godini pobliže ćemo se upoznati s mehaničkim pojavama.
Riža. 1.3. Primjeri mehaničkih pojava: kretanje i međudjelovanje tijela tijekom sportskih natjecanja (a, b. c); kretanje Zemlje oko Sunca i njezino okretanje oko vlastite osi (r)
Zvučni fenomeni
Zvučni fenomeni, kao što ime sugerira, su fenomeni koji uključuju zvuk. To uključuje, primjerice, širenje zvuka u zraku ili vodi, kao i refleksiju zvuka od raznih prepreka - recimo, planina ili zgrada. Kada se zvuk reflektira, pojavljuje se poznati eho.
Toplinske pojave
Toplinske pojave su zagrijavanje i hlađenje tijela, kao i npr. isparavanje (pretvorba tekućine u paru) i taljenje (pretvorba čvrsta u tekućinu).
Toplinski fenomeni iznimno su rašireni: npr. oni određuju kruženje vode u prirodi (slika 1.4).
Riža. 1.4. Kruženje vode u prirodi
Voda oceana i mora, zagrijana sunčevim zrakama, isparava. Kako se para diže, ona se hladi, pretvarajući se u kapljice vode ili kristale leda. Oni tvore oblake iz kojih se voda vraća na Zemlju u obliku kiše ili snijega.
Pravi “laboratorij” toplinskih pojava je kuhinja: kuha li se juha na štednjaku, kuha li voda u kuhalu za vodu, zamrzava li se hrana u hladnjaku - sve su to primjeri toplinskih pojava.
Rad automobilskog motora također je određen toplinskim pojavama: pri izgaranju benzina nastaje vrlo vrući plin koji gura klip (motorni dio). A kretanje klipa prenosi se posebnim mehanizmima na kotače automobila.
Električni i magnetski fenomeni
Najupečatljiviji (u doslovnom smislu riječi) primjer električnog fenomena je munja (slika 1.5, a). Električna rasvjeta i električni transport (slika 1.5, b) postali su mogući zahvaljujući korištenju električnih pojava. Primjeri magnetskih pojava su privlačenje željeznih i čeličnih predmeta stalnim magnetima, kao i međudjelovanje permanentnih magneta.
Riža. 1.5. Električni i magnetski fenomeni i njihova upotreba
Igla kompasa (slika 1.5, c) rotira tako da njen "sjeverni" kraj pokazuje sjever upravo zato što je igla mali trajni magnet, a Zemlja je ogroman magnet. Polarna svjetlost (slika 1.5, d) uzrokovana je činjenicom da električki nabijene čestice koje lete iz svemira međusobno djeluju sa Zemljom kao s magnetom. Električni i magnetski fenomeni određuju rad televizora i računala (slika 1.5, e, f).
Optički fenomeni
Kamo god pogledamo, posvuda ćemo vidjeti optičke pojave (sl. 1.6). To su fenomeni povezani sa svjetlom.
Primjer optičkog fenomena je refleksija svjetla od raznih predmeta. Zrake svjetlosti koje reflektiraju predmeti ulaze u naše oči, zahvaljujući kojima vidimo te predmete.
Riža. 1.6. Primjeri optičkih pojava: Sunce emitira svjetlost (a); Mjesec odbija sunčevu svjetlost (b); Ogledala (c) posebno dobro odbijaju svjetlost; jedan od najljepših optičkih fenomena - duga (d)
- 1. Magnetski fenomeni Chernova Albina 8E
- 2. 1.Zemljino magnetsko polje (detektirano djelovanjem na iglu kompasa). Zemljino vanjsko magnetsko polje - magnetosfera - proteže se u svemiru na više od 20 promjera Zemlje i pouzdano štiti naš planet od snažnog protoka kozmičkih čestica. Najupečatljivija manifestacija magnetosfere su magnetske oluje – brze kaotične oscilacije svih komponenti geomagnetskog polja. Često magnetske oluje pokriju cijelu kuglu zemaljsku: bilježe ih sve magnetske zvjezdarnice u svijetu - od Antarktika do Spitsbergena, a vrsta magnetograma dobivenih na najudaljenijim točkama Zemlje iznenađujuće je slična. Stoga nije slučajno da se takve magnetske oluje nazivaju globalnim.
- 3. 2. Trajni magneti (otkrivaju se djelovanjem na metalne predmete). Postoje dva magneta različiti tipovi. Neki su takozvani trajni magneti, napravljeni od “tvrdih magnetskih” materijala. Njihova magnetska svojstva nisu povezana s korištenjem vanjskih izvora ili struja. Druga vrsta uključuje takozvane elektromagnete s jezgrom od "mekog magnetskog" željeza. Magnetska polja koja stvaraju uglavnom su posljedica činjenice da električna struja prolazi kroz žicu namota koji okružuje jezgru. u motorima - elektromagneti - zvono na vratima, telefon, telegraf...
- 4. 3. Magnetska svojstva tvari (Antiferomagneti, Dijamagneti, Paramagneti, Feromagnetici, Ferimagnetici – koriste se u tehnici). 4. Generatori izmjenične struje (u nuklearnim elektranama, državnim elektranama...). 5. Instrumenti magnetoelektričnog sustava (galvanometar - osjetljivi uređaj za mjerenje slabih struja). 6. Prijenos informacija pomoću Elektromagnetski valovi. 7. Magnetske pojave uključuju magnetsku indukciju, Amperovu silu, Lorentzovu silu, elektromagnetsku indukciju. 8. Magnetski fluidi sintetizirani sredinom 20. stoljeća na raskrižju znanosti koloidna kemija, fizičari magnetskih fenomena i hidrodinamike, odnose se na magnetski kontrolirane materijale i dobili su široku praktičnu upotrebu u strojarstvu, medicini...
- 5. Takvi magnetski fenomeni također su poznati kao: Magnetizacija feromagnetskih materijala Paramagnetska rezonancija Feromagnetska rezonancija Antiferomagnetska rezonancija Fazni prijelaz u feromagnetsku fazu na Curievoj temperaturi Fazni prijelaz u antiferomagnetsku fazu na Neel-ovoj temperaturi. Kretanje strojeva visoke peći u vanjskom magnetskom polju Spin valovi Histereza krivulje preokreta magnetizacije feromagneta Formiranje magnetskog polja tijekom kretanja električni naboji Rezonancija domenskih stijenki u izmjeničnom magnetskom polju Precesija magnetskog momenta oko smjera magnetskog polja Izbacivanje dijamagnetskih materijala iz područja jakog magnetskog polja Povlačenje paramagnetskih materijala u područje jakog magnetskog polja Izbacivanje magnetskog polja od supravodiča
U ovoj lekciji, čija je tema "Elektromagnetsko polje", raspravljat ćemo o konceptu "elektromagnetskog polja", značajkama njegove manifestacije i parametrima ovog polja.
Razgovaramo mobitelom. Kako se prenosi signal? Kako se signal prenosi iz svemirska postaja, odletio na Mars? U praznini? Da, možda nema supstance, ali ovo nije praznina, postoji nešto drugo kroz što se prenosi signal. To se zvalo elektro magnetsko polje. Ovo nije izravno promatran, već stvarno postojeći objekt prirode.
Ako je zvučni signal promjena parametara tvari, primjerice zraka (slika 1), onda je radio signal promjena parametara EM polja.
Riža. 1. Širenje zvučnog vala u zraku
Riječi “električni” i “magnetski” su nam jasne, već smo odvojeno proučavali električne fenomene (slika 2) i magnetske fenomene (slika 3), ali zašto onda govorimo o elektromagnetskom polju? Danas ćemo to shvatiti.
Riža. 2. Električno polje
Riža. 3. Magnetsko polje
Primjeri elektromagnetskih pojava.
Mikrovalna pećnica stvara snažna, i što je najvažnije, vrlo brzo promjenjiva elektromagnetska polja koja djeluju na električni naboj. A kao što znamo, atomi i molekule tvari sadrže električni naboj (slika 4). Tu na njega djeluje elektromagnetsko polje koje tjera molekule na brže kretanje (slika 5) – temperatura se povećava i hrana se zagrijava. X-zrake, ultraljubičaste zrake i vidljiva svjetlost imaju istu prirodu.
Riža. 4. Molekula vode je dipol
Riža. 5. Gibanje molekula koje imaju električni naboj
U mikrovalnoj pećnici elektromagnetsko polje daje energiju tvari koja se koristi za zagrijavanje, vidljiva svjetlost prenosi energiju receptorima oka koja se koristi za aktiviranje receptora (slika 6), energija ultraljubičastih zraka koristi se za stvaraju melanin u koži (pojava tamnjenja, sl. 7), i energiju x-zrake uzrokuje da film postane crn, na kojem možete vidjeti sliku vašeg kostura (slika 8). Elektromagnetsko polje u svim tim slučajevima ima različite parametre, pa samim time i različite učinke.
Riža. 6. Uvjetni dijagram aktivacije očnog receptora energijom vidljive svjetlosti
Riža. 7. Tamnjenje kože
Riža. 8. Zatamnjenje filma tijekom rendgenskog snimanja
Dakle, s elektromagnetskim poljem susrećemo se mnogo češće nego što se čini, a odavno smo navikli na pojave koje su uz njega povezane.
Dakle, znamo da električno polje nastaje oko električnih naboja (slika 9). Ovdje je sve jasno.
Riža. 9. Električno polje oko električnog naboja
Ako se električni naboj kreće, tada, kao što smo proučavali, oko njega nastaje magnetsko polje (slika 10). Ovdje se već postavlja pitanje: električni naboj se kreće, oko njega je električno polje, kakve veze ima magnetsko polje s tim? Još jedno pitanje: kažemo "naboj se kreće". Ali gibanje je relativno i može se kretati u jednom referentnom okviru, a mirovati u drugom (slika 11). Znači li to da će magnetsko polje postojati u jednom referentnom okviru, ali ne i u drugom? Ali polje ne bi trebalo postojati ili ne postojati ovisno o izboru referentnog okvira.
Riža. 10. Magnetsko polje oko pokretnog električnog naboja
Riža. 11. Relativnost gibanja naboja
Činjenica je da postoji jedno elektromagnetsko polje, a ono ima jedan izvor - električni naboj. Ima dvije komponente. Električna i magnetska polja su odvojene manifestacije, odvojene komponente jednog elektromagnetsko polje, koji se različito manifestiraju u različitim referentnim sustavima (slika 12).
Riža. 12. Manifestacije elektromagnetskog polja
Možete odabrati referentni okvir u kojem će se pojaviti samo električno polje, ili samo magnetsko polje, ili oboje odjednom. Međutim, nemoguće je odabrati referentni sustav u kojem će i električna i magnetska komponenta biti nula, odnosno u kojem će elektromagnetsko polje prestati postojati.
Ovisno o referentnom sustavu, vidimo ili jednu komponentu polja, ili drugu, ili obje. To je kao kretanje tijela u krugu: ako takvo tijelo gledate odozgo, vidjet ćemo kretanje po krugu (Sl. 13), ako sa strane, vidjet ćemo oscilacije duž segmenta (Sl. 14). ). U svakoj projekciji na koordinatnu os kružno gibanje je oscilacija.
Riža. 13. Kretanje tijela u krug
Riža. 14. Oscilacije tijela duž segmenta
Riža. 15. Projekcija kružnih gibanja na koordinatnu os
Druga analogija je projekcija piramide na ravninu. Može se projicirati u trokut ili kvadrat. U avionu su to potpuno različite figure, ali sve je to piramida, koja se gleda s različitih strana. Ali ne postoji kut iz kojeg će piramida potpuno nestati. Samo će više izgledati kao kvadrat ili trokut (slika 16).
Riža. 16. Projekcije piramide na ravninu
Zamislite vodič kroz koji teče struja. U njemu se negativni naboji kompenziraju pozitivnim, električno polje oko njega je nula (slika 17). Magnetsko polje nije nula (slika 18), razmatrali smo pojavu magnetskog polja oko vodiča s strujom. Odaberimo referentni sustav u kojem će elektroni koji tvore električnu struju biti stacionarni. Ali u ovom referentnom okviru u odnosu na elektrone, pozitivno nabijeni ioni vodiča će se kretati obrnuta strana: magnetsko polje se i dalje pojavljuje (slika 18).
Riža. 17. Vodič s strujom čije je električno polje jednako nuli
Riža. 18. Magnetsko polje oko vodiča sa strujom
Da su elektroni u vakuumu, u ovom referentnom okviru oko njih bi nastalo električno polje, jer nisu kompenzirani pozitivnim nabojima, ali ne bi bilo magnetskog polja (slika 19).
Riža. 19. Električno polje oko elektrona u vakuumu
Pogledajmo još jedan primjer. Uzmimo trajni magnet. Oko njega postoji magnetsko polje, ali ne i električno. Doista, električno polje protona i elektrona je kompenzirano (slika 20).
Riža. 20. Magnetsko polje oko stalnog magneta
Uzmimo referentni okvir u kojem se kreće magnet. Oko stalnog magneta koji se kreće pojavit će se vrtložno električno polje (slika 21). Kako ga identificirati? Postavimo metalni prsten (nepokretan u ovom referentnom okviru) na putanju magneta. U njemu će se pojaviti struja - to je dobro poznati fenomen elektromagnetske indukcije: kada se magnetski tok promijeni, nastaje električno polje, što dovodi do kretanja naboja, do pojave struje (slika 22). U jednom referentnom okviru nema električnog polja, ali se u drugom pojavljuje.
Riža. 21. Vrtložno električno polje oko stalnog magneta koji se kreće
Riža. 22. Fenomen elektromagnetske indukcije
Magnetsko polje permanentnog magneta
U bilo kojoj tvari, elektroni koji kruže oko jezgre mogu se zamisliti kao mala električna struja koja teče u krugu (slika 23). To znači da oko njega nastaje magnetsko polje. Ako tvar nije magnetska, to znači da su ravnine rotacije elektrona proizvoljno usmjerene i da se magnetska polja pojedinih elektrona međusobno kompenziraju, jer su usmjerena kaotično.
Riža. 23. Prikaz rotacije elektrona oko jezgre
U magnetskim tvarima ravnine rotacije elektrona približno su jednako orijentirane (slika 24). Stoga se magnetska polja svih elektrona zbrajaju i dobiva se magnetsko polje različito od nule na skali cijelog magneta.
Riža. 24. Rotacija elektrona u magnetskim tvarima
Oko stalnog magneta postoji magnetsko polje, odnosno magnetska komponenta elektromagnetskog polja (slika 25). Možemo li pronaći referentni okvir u kojem magnetska komponenta postaje nula, a magnet gubi svoja svojstva? Još uvijek ne. Zaista, elektroni rotiraju u istoj ravnini (vidi sliku 24); ni u jednom trenutku brzine elektrona nisu usmjerene u istom smjeru (slika 26). Stoga je nemoguće pronaći referentni okvir u kojem se svi zamrzavaju i magnetsko polje nestaje.
Riža. 25. Magnetsko polje oko stalnog magneta
Dakle, električna i magnetska polja su različite manifestacije jedno elektromagnetsko polje. Ne može se reći da u određenoj točki prostora postoji samo magnetsko ili samo električno polje. Može postojati jedno ili drugo. Sve ovisi o referentnom okviru iz kojeg promatramo tu točku.
Zašto smo ranije govorili odvojeno o električnom i magnetskom polju? Prvo, to se dogodilo povijesno: ljudi već dugo znaju za magnete, ljudi su dugo promatrali krzno naelektrizirano na jantaru, a nitko nije shvaćao da su ti fenomeni iste prirode. I drugo, ovo je zgodan model. U problemima gdje nas ne zanima odnos između električne i magnetske komponente, zgodno ih je razmatrati odvojeno. Dva naboja koji miruju u zadanom referentnom okviru međusobno djeluju kroz električno polje - na njih primjenjujemo Coulombov zakon, ne zanima nas činjenica da se ti isti elektroni mogu gibati u nekom referentnom okviru i stvarati magnetsko polje, a mi uspješno rješavamo problem (slika 27) .
Riža. 27. Coulombov zakon
Učinak magnetskog polja na pokretni naboj razmatran je u drugom modelu, koji u okviru svoje primjenjivosti također savršeno funkcionira u rješavanju niza problema (slika 28).
Riža. 28. Pravilo lijeve ruke
Pokušajmo razumjeti kako su komponente elektromagnetskog polja međusobno povezane.
Vrijedno je napomenuti da je točan odnos prilično složen. Razvio ga je britanski fizičar James Maxwell. Izveo je poznate 4 Maxwellove jednadžbe (slika 29), koje se proučavaju na sveučilištima i zahtijevaju znanje viša matematika. Nećemo ih proučavati, naravno, ali u nekoliko jednostavnim riječima Hajdemo shvatiti što oni znače.
Riža. 29. Maxwellove jednadžbe
Maxwell se oslanjao na rad drugog fizičara - Faradaya (slika 30), koji je jednostavno kvalitativno opisao sve pojave. Napravio je crteže (sl. 31) i bilješke koje su uvelike pomogle Maxwellu.
Riža. 31. Crteži Michaela Faradaya iz knjige “Elektrika” (1852.)
Faraday je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije (slika 32). Prisjetimo se što je to. Izmjenično magnetsko polje stvara induciranu emf u vodiču. Drugim riječima, izmjenično magnetsko polje (da, u ovom slučaju, ne električni naboj) stvara električno polje. Ovo električno polje je vrtložno, odnosno njegove linije su zatvorene (slika 33).
Riža. 32. Crteži Michaela Faradaya za pokus
Riža. 33. Pojava inducirane EMF u vodiču
Osim toga, znamo da magnetsko polje nastaje pokretnim električnim nabojem. Ispravnije bi bilo reći da ga stvara izmjenično električno polje. Kako se naboj kreće, električno polje u svakoj točki se mijenja, a ta promjena stvara magnetsko polje (slika 34).
Riža. 34. Pojava magnetskog polja
Možete primijetiti pojavu magnetskog polja između ploča kondenzatora. Kada se puni ili prazni, između ploča se stvara izmjenično električno polje, koje zauzvrat stvara magnetsko polje. U tom slučaju će silnice magnetskog polja ležati u ravnini okomitoj na silnice električnog polja (slika 35).
Riža. 35. Pojava magnetskog polja između ploča kondenzatora
Pogledajmo sada Maxwellove jednadžbe (Sl. 29), njihovo kratko objašnjenje je dano u nastavku za vašu referencu.
Ikona divergencije je matematički operator; ona ističe onu komponentu polja koja ima izvor, odnosno linije polja počinju i završavaju u nečemu. Pogledajte drugu jednadžbu: ova komponenta magnetskog polja je nula: linije magnetskog polja ne počinju niti završavaju ni na čemu, nema magnetskog naboja. Pogledajte prvu jednadžbu: ova komponenta električnog polja proporcionalna je gustoći naboja. Električno polje nastaje električnim nabojem.
Najzanimljivije su sljedeće dvije jednadžbe. Ikona rotora je matematički operator koji ističe vrtložnu komponentu polja. Treća jednadžba znači da je vrtložno električno polje stvoreno vremenski promjenjivim magnetskim poljem (to je derivacija koja, kao što znate iz matematike, znači brzinu promjene magnetskog polja). Odnosno, govorimo o elektromagnetskoj indukciji.
Četvrta jednadžba pokazuje, ako ne obratite pažnju na koeficijente proporcionalnosti: vrtložno magnetsko polje nastaje promjenjivim električnim poljem, kao i električnom strujom (- gustoća struje). Govorimo o onome što dobro znamo: magnetsko polje nastaje pokretnim električnim nabojem i.
Kao što vidite, izmjenično magnetsko polje može generirati izmjenično električno polje, a izmjenično električno polje, zauzvrat, generira izmjenično magnetsko polje, i tako dalje (slika 36).
Riža. 36. Izmjenično magnetsko polje može generirati izmjenično električno polje, i obrnuto
Zbog toga se u prostoru može stvoriti elektromagnetski val (slika 37). Ti valovi imaju različite manifestacije - to su radio valovi, vidljiva svjetlost, ultraljubičasto i tako dalje. O tome ćemo govoriti u sljedećim lekcijama.
Riža. 37. Elektromagnetski val
Bibliografija
- Kasyanov V.A. Fizika. 11. razred: Obrazovni. za opće obrazovanje institucija. - M.: Bustard, 2005.
- Myakishev G.Ya. Fizika: Udžbenik. za 11. razred opće obrazovanje institucija. - M.: Obrazovanje, 2010.
- Internet portal “studopedia.su” ()
- Internet portal “worldofschool.ru” ()
Domaća zadaća
- Je li moguće detektirati magnetsko polje u referentnom okviru povezanom s jednim od jednoliko gibajućih elektrona u protoku koji se stvara u TV slikovnoj cijevi?
- Koje se polje pojavljuje oko elektrona koji se kreće u zadanom referentnom okviru s stalna brzina?
- Kakvo se polje može detektirati oko nepomičnog jantara nabijenog statičkim elektricitetom? Oko pokretne? Obrazložite svoje odgovore.
Slajd 2
Faze rada
Postavite ciljeve i ciljeve Praktični dio. Istraživanje i promatranje. Zaključak.
Slajd 3
Svrha: eksperimentalno proučavati svojstva magnetskih pojava. Ciljevi: - Proučavanje literature. - Provođenje pokusa i promatranja.
Slajd 4
Magnetizam
Magnetizam je oblik međudjelovanja pokretnih električnih naboja koji se odvija na daljinu kroz magnetsko polje. Magnetska interakcija igra važnu ulogu u procesima koji se odvijaju u svemiru. Evo dva primjera koji potvrđuju rečeno. Poznato je da magnetsko polje zvijezde stvara zvjezdani vjetar, sličan sunčevom, koji smanjenjem mase i momenta tromosti zvijezde mijenja tijek njezina razvoja. Također je poznato da nas Zemljina magnetosfera štiti od pogubnog djelovanja kozmičkih zraka. Da nije postojao, evolucija živih bića na našem planetu očito bi krenula drugim putem, a možda život na Zemlji uopće ne bi ni nastao.
Slajd 5
Slajd 6
Zemljino magnetsko polje
Glavni razlog prisutnosti Zemljinog magnetskog polja je to što se Zemljina jezgra sastoji od vrućeg željeza (dobar vodič električnih struja koje nastaju unutar Zemlje). Grafički, Zemljino magnetsko polje je slično magnetskom polju stalnog magneta. Zemljino magnetsko polje tvori magnetosferu koja se proteže 70-80 tisuća km u smjeru Sunca. Štiti površinu Zemlje, štiti od štetnih učinaka nabijenih čestica, visokih energija i kozmičkih zraka te određuje prirodu vremena. Sunčevo magnetsko polje je 100 puta veće od Zemljinog.
Slajd 7
Promjena magnetskog polja
Razlog stalnih promjena je prisutnost mineralnih naslaga. Postoje područja na Zemlji gdje je njezino vlastito magnetsko polje uvelike izobličeno pojavom željezne rude. Na primjer, magnetska anomalija Kursk, koja se nalazi u regija Kursk. Razlog kratkotrajnih promjena Zemljinog magnetskog polja je djelovanje "sunčevog vjetra", tj. djelovanje struje nabijenih čestica koje emitira Sunce. Magnetsko polje ovog toka stupa u interakciju s magnetskim poljem Zemlje i nastaju "magnetske oluje".
Slajd 8
Čovjek i magnetske oluje
Kardiovaskularni i krvožilni sustav, krvni tlak se povećava, koronarna cirkulacija se pogoršava. Magnetske oluje uzrokuju egzacerbacije u tijelu osobe koja pati od bolesti kardiovaskularnog sustava (infarkt miokarda, moždani udar, hipertenzivna kriza itd.). Dišni organi Pod utjecajem magnetske oluje mijenjaju se bioritmovi. Stanje nekih pacijenata pogoršava se prije magnetskih oluja, a drugih - nakon. Prilagodljivost takvih pacijenata uvjetima magnetskih oluja vrlo je niska.
Slajd 9
Praktični dio
Cilj: prikupiti podatke o broju poziva hitne pomoći za 2008. godinu i donijeti zaključak. Utvrditi korelaciju između dječjeg morbiditeta i magnetskih oluja.
14. Indukcija magnetskog polja. Princip superpozicije magnetskih polja. Amperska snaga. Lorentzova sila. Električni mjerni instrumenti. Magnetska svojstva tvari.
Magnetski fenomeni
I električni i magnetski fenomeni su međudjelovanje tijela na udaljenosti. Ta se međudjelovanja očituju u nastanku mehaničkih sila i momenata sila koji djeluju između tijela.Razlika između električnog i magnetskog međudjelovanja očituje se, na primjer, u činjenici da za razdvajanje električnih naboja možete trljati razne predmete jedan od drugog, a za dobivanje magneta trljanje predmeta jedan o drugi je beskorisno. Umotavanjem nabijenog predmeta u mokru krpu možete uništiti njegov električni naboj. Isti postupak u odnosu na magnet neće dovesti do nestanka magnetska svojstva. Magnetiziranje magnetskih materijala u prisutnosti drugih magneta ne dovodi do odvajanja električnih naboja. Ove dvije vrste interakcije objekata na udaljenosti ne mogu se svesti jedna na drugu.
Eksperimentalna istraživanja magneta i raznih materijala pokazuju da neki objekti konstantno imaju magnetska svojstva, odnosno da su "stalni magneti", dok druga tijela poprimaju magnetska svojstva samo u prisustvu permanentnih magneta. Postoje i materijali koji nemaju izražena magnetska svojstva, odnosno ne privlače ih niti odbijaju jaki trajni magneti. Intrinzična i inducirana magnetska svojstva objekata dovode do sličnih učinaka. Na primjer, trajni trakasti magneti, čiji se uzorci obično nalaze u svakoj učionici fizike u bilo kojoj školi, kada su obješeni u vodoravnom položaju, usmjereni su tako da njihovi krajevi pokazuju sjever i jug. Samo ovo svojstvo magneta mnogo je služilo čovjeku. Kompas je izumljen davno, ali su kvantitativna istraživanja magnetskih svojstava objekata i matematička analiza tih svojstava provedena tek u 18. i 19. stoljeću.
Zamislimo da imamo “dugačke” magnete koji imaju polove široko udaljene jedan od drugog. Ako su dva pola dva različita magneta smještena blizu jedan drugome, a drugi polovi istih magneta udaljeni su jedan od drugoga, tada je međudjelovanje sila između bliskih polova opisano istim formulama kao u Coulombovom zakonu za elektrostatičko polje. Svakom polu magneta može se dodijeliti magnetski naboj, koji će karakterizirati njegov "sjever" ili "jug". Moguće je smisliti postupak koji uključuje mjerenje sila ili momenata sila, što bi omogućilo usporedbu magnetskih "naboja" bilo kojeg magneta sa standardom. Ta nam mentalna konstrukcija omogućuje rješavanje praktičnih problema, pod uvjetom da si još ne postavimo pitanje: kako radi magnet s dugačkom trakom, odnosno što se nalazi unutar magneta u području prostora koji povezuje dva magnetska pola.
Možete unijeti jedinicu magnetskog naboja. Najjednostavniji postupak za određivanje takve jedinice je pretpostaviti da je sila međudjelovanja između dva "točkasta" magnetska pola jediničnog magnetskog naboja, koji se nalaze na udaljenosti od 1 metra jedan od drugog, jednaka 1 Newtonu. Budući da su pokušaji razdvajanja magnetskih polova uvijek bili neuspješni, odnosno da su se na mjestu gdje je trakasti magnet prerezana uvijek pojavljivala dva suprotna magnetska pola čije su veličine bile točno jednake veličinama krajnjih polova, zaključeno je da magnetski polovi uvijek postoje samo u parovima. Prema tome, svaki dugi trakasti magnet može se prikazati kao kraći magneti raspoređeni u lanac. Slično, bilo koji magnet konačnih dimenzija može se prikazati u obliku velika količina kratki magneti raspoređeni po cijelom prostoru.
Za opisivanje međudjelovanja sila električnih i magnetski naboji koristi se ista ideja o postojanju u prostoru nekog vektorskog polja sila. U "električnom" slučaju odgovarajući vektor naziva se vektor napetosti električno polje E . Za “magnetski” slučaj, odgovarajući vektor se naziva vektor indukcija magnetsko polje U . (1)
Polja se u oba slučaja mogu opisati raspodjelom “vektora sile” u prostoru. Za sjeverni magnetski pol, smjer sile koja na njega djeluje iz magnetskog polja poklapa se sa smjerom vektora U , i za Južni pol sila je usmjerena suprotno od ovog vektora. Ako je veličina "magnetskog naboja", uzimajući u obzir njegov predznak ("sjever" ili "jug") označena simbolom N, tada je sila koja djeluje na magnetski naboj iz magnetskog polja jednaka F =N B .
Slično kao što smo učinili kada smo opisivali međudjelovanje električnih naboja kroz polje, radimo i kada smo opisivali međudjelovanje magnetskih naboja. Magnetsko polje koje stvara točkasti magnetski naboj u okolnom prostoru opisuje se potpuno istom formulom kao i u slučaju električnog polja.
B = K m N R /R 3 .
Konstanta K m je koeficijent proporcionalnosti koji ovisi o izboru sustava jedinica. Za međudjelovanje magnetskih naboja također vrijedi Coulombov zakon, a vrijedi i princip superpozicije.
Podsjetimo se da je Coulombov zakon (ili zakon Univerzalna gravitacija) i Gaussov teorem su braća blizanci. Budući da magnetski polovi ne postoje pojedinačno, a svaki magnet se može prikazati kao kombinacija parova polova suprotnog polariteta i jednakih veličina, tada u slučaju magnetskog polja, tok vektora indukcije magnetskog polja kroz bilo koju zatvorenu površinu je uvijek nula.
Raspravljamo o magnetskim fenomenima i koristimo ideju magnetskih naboja kao da oni stvarno postoje. Zapravo, ovo je samo jedan način opisivanja magnetskog polja u prostoru (opisivanje magnetske interakcije). Kada detaljnije saznamo svojstva magnetskog polja, prestat ćemo koristiti ovu metodu. Treba nam kao šumskim graditeljima da podignemo zgradu. Po završetku izgradnje skela se demontira i više nije vidljiva niti potrebna.
Najzanimljivije je da magnetsko polje (statičko) ne utječe na stacionarni električni naboj (ili dipol), a električno polje (statičko) ne utječe na stacionarne magnetske naboje (ili dipole). Situacija je kao da polja postoje neovisno jedno o drugom. Međutim, mir je, kao što znamo, relativan pojam. Prilikom odabira drugog referentnog sustava, tijelo koje "odmara" može postati "pokretno". Pokazalo se da su električno i magnetsko polje nešto jedinstveno, a svako od polja predstavlja, takoreći, različite strane istog novčića.
Sada lako govorimo o odnosu između električnog i magnetskog polja, ali sve do početka 19. stoljeća električni i magnetski fenomeni nisu se smatrali povezanima. Nagađali su o ovoj vezi i tražili eksperimentalnu potvrdu. Na primjer, francuski fizičar Arago prikupljao je podatke o brodovima koji su skrenuli s kursa nakon što je grom udario u brod. “Munja je pokvaren kompas” – postoji veza, ali kako ponoviti eksperiment? Još nisu znali reproducirati munje, pa je bilo nemoguće provesti sustavno istraživanje.
Polazište za razumijevanje povezanosti ovih pojava bilo je otkriće Danca Hansa Christiana Oersteda 1820. godine. Utvrđen je utjecaj električne struje koja teče kroz dugačku ravnu žicu na orijentaciju pomične magnetske igle smještene uz žicu. Strelica je težila biti okomita na žicu. Suprotan fenomen: utjecaj magnetskog polja na električnu struju eksperimentalno je otkrio Ampere.
Mala ravna zavojnica sa strujom doživljava i silu i orijentacijski učinak u magnetskom polju. Ako je magnetsko polje jednoliko, tada je ukupna sila koja strujom djeluje na zavojnicu jednaka nuli, a zavojnica je usmjerena (zauzima ravnotežni položaj) u kojem je njegova ravnina okomita na smjer vektora indukcije magnetskog polja. Za određivanje jedinice indukcije magnetskog polja može se koristiti i ovaj mehanički fenomen.
Tijekom sljedećih nekoliko godina nakon 1820. razjašnjene su glavne značajke interakcije vodiča s strujom međusobno i s trajnim magnetima. Neki od njih sada se nazivaju zakonima. Ovi zakoni povezani su s imenima fizičara Amperea, Biota, Savarta, Laplacea. Pokazalo se da su najopćenitiji zaključci iz utvrđenih zakona interakcije sljedeći:
- Nabijene čestice stvaraju električno polje u prostoru oko sebe.
- Električno polje ima isti učinak na nabijene čestice, koje se kreću ili miruju.
- Nabijene čestice koje se kreću stvaraju magnetsko polje u prostoru oko sebe.
- Magnetsko polje djeluje silom na nabijene čestice u gibanju, a ne djeluje na nabijene čestice u mirovanju.
- Električno i magnetsko polje koje stvara nabijena čestica, kada se promijeni njezin položaj i stanje gibanja, ne mijenjaju se trenutno u cijelom prostoru, već postoji kašnjenje.
Pri proučavanju mehanike ti i ja koristili smo se Newtonovim zakonima iz kojih proizlazi da materijalna točka, koji se kreće s akceleracijom u bilo kojem inercijalnom referentnom okviru, ima istu akceleraciju u svim ostalim ISO-ima, bez obzira na izbor. Sada je postalo jasno da magnetsko polje djeluje samo na pokretne nabijene čestice. Zamislimo da se u nekom ISO-u nabijena čestica giba u magnetskom polju, ali nema električnog polja. Prijeđimo na drugi inercijalni referentni sustav, u kojemu u određenom trenutku dotična čestica ima brzinu nula. Utjecaj sile od magnetskog polja je nestao, a čestica se i dalje mora gibati ubrzano!!! Nešto nije u redu u Kraljevini Danskoj! Da bi nabijena čestica koja u određenom trenutku miruje imala akceleraciju, mora biti u električnom polju!
Dakle, ispada da električno i magnetsko polje nisu apsolutni, već ovise o izboru referentnog sustava. Prisutnost interakcije je apsolutna, ali kako će se ona opisati, na “električni” ili “magnetski” način, ovisi o izboru referentnog sustava. Stoga moramo shvatiti da električno i magnetsko polje nisu neovisna jedno o drugome. Zapravo, bilo bi ispravno razmotriti jedno elektromagnetsko polje. Imajte na umu da je točan opis polja dan u teoriji Jamesa Clerka Maxwella. Jednadžbe u ovoj teoriji napisane su tako da im se oblik ne mijenja kada se kreće od jedne inercijski sustav brojeći drugome. Ovo je prva "relativistička" teorija u fizici.
Električne struje i magnetsko polje
Vratimo se na početak 19. stoljeća. Tijekom demonstracija na predavanjima na Sveučilištu G.H. Oersted je sam ili uz pomoć učenika primijetio da magnetska igla koja se slučajno našla u blizini žice mijenja svoj položaj kada struja prolazi kroz žicu. Temeljitija studija fenomena pokazala je da su, ovisno o veličini i smjeru struje u dugoj ravnoj žici, magnetske igle bile usmjerene kao što je prikazano na slici:
Indukcijski vodovi su zatvoreni, au slučaju dugog ravnog vodiča kroz koji teče struja, ti zatvoreni vodovi imaju oblik kružnica smještenih u ravninama okomitim na vodič kroz koji teče struja. Središta ovih kružnica su na osi vodiča sa strujom. Smjer vektora magnetske indukcije u dana točka prostor (tangenta na liniju magnetske indukcije) određen je pravilom “pravog vijka” (gimlet, vijak, vadičep). Smjer kretanja vadičepa prikazanog na slici pri rotaciji oko svoje osi odgovara smjeru struje u dugačkoj ravnoj žici, a smjer kretanja krajnjih točaka njegove ručke odgovara smjeru vektora magnetske indukcije. na onim mjestima gdje se nalaze ti krajevi drške .
Za shematski crtež s koncentričnim krugovima, nabijene čestice u žici koja se nalazi okomito na ravninu crteža kreću se duž te žice, a ako bi se pozitivno nabijene čestice kretale, one bi se kretale "od nas izvan ove ravnine". Ako se negativno nabijeni elektroni kreću u žici, onda se i oni kreću duž žice, ali "prema nama ispod ravnine crteža".
Faktor smetnje bilo je Zemljino magnetsko polje. Što je struja u žici bila veća, to su strelice točnije bile usmjerene u smjeru tangente na krug sa središtem na mjestu žice. Zaključak je sasvim očit - oko vodiča s kojim teče struja pojavilo se magnetsko polje. Magnetske strelice nižu se duž vektora indukcije magnetskog polja.
Prema trećem Newtonovom zakonu, magnetska igla (magnet ili njegovo magnetsko polje) također djeluje na vodič kroz koji teče struja. Pokazalo se da na ravnom dijelu vodiča duljine L, kroz koji teče struja I, sa strane jednolikog magnetskog polja s indukcijom U djeluje sila proporcionalna L, I i B, a smjer sile ovisi o relativnoj orijentaciji vektora L I U . Vektor L poklapa se po smjeru sa smjerom brzine pozitivno nabijenih čestica koje stvaraju električnu struju u ovom komadu žice. Ova je sila dobila ime po jednom od aktivnih istraživača magnetskih fenomena - A.M. Amper.
F =K I [ L × B ].
Ovdje je K koeficijent proporcionalnosti. Uglate zagrade označavaju vektorski proizvod dva vektora. Ako vodič nije ravan i magnetsko polje nije jednoliko, tada u ovom slučaju, da biste pronašli silu koja djeluje na vodič kroz koji prolazi struja, trebate ga (mentalno) podijeliti na mnogo malih segmenata. Za svakoga mali segment možemo pretpostaviti da je u uniformnom polju. Ukupna sila se nalazi zbrajanjem Amperovih sila na svim tim segmentima.
Međudjelovanje vodiča sa strujom
Struja u žici stvara magnetsko polje u okolnom prostoru, a to magnetsko polje zauzvrat djeluje silom na drugu žicu s strujom. (2) U SI sustavu jedinica jedinica struje 1 amper određena je iz međudjelovanja sila paralelnih vodiča sa strujom. Dva tanka dugačka paralelna vodiča, smještena na udaljenosti od 1 metar jedan od drugog, kroz koje teku identične konstantne struje istog smjera snagom od 1 ampera, privlače se međusobno silom od 2 × 10 -7 Newtona za svaki metar dužine vodiča.U SI sustavu, u formuli za Amperovu silu, koeficijent proporcionalnosti K odabran je jednak jedinici:
F =ja [ L × B ].
Lorentzova sila
Ako u formulu za Ampereovu silu zamijenimo izraz za veličinu struje, sastavljen od članova koje stvara svaka pokretna nabijena čestica, tada možemo zaključiti da u magnetskom polju na svaku pokretnu nabijenu česticu djeluje sila:F = q [ v × U ].
U prisutnosti i električnog i magnetskog polja u prostoru, nabijena čestica doživljava silu:
F = q [ v × U ] + q E .
Sila koja djeluje na nabijenu česticu u elektromagnetskom polju naziva se Lorentzova sila. Ovaj izraz za silu vrijedi uvijek, a ne samo za stacionarna polja.
Ako izračunamo rad Lorentzove sile koji ona izvrši tijekom elementarnog gibanja čestice, tada se izraz za silu mora skalarno pomnožiti s umnoškom v Δt. Prvi član u formuli za Lorentzovu silu je vektor okomit na brzinu čestice, pa ga pomnožimo s v Δt daje nulu.
Dakle, magnetska komponenta Lorentzove sile ne vrši nikakav rad pri pomicanju nabijene čestice, budući da su odgovarajući elementarni pomaci i magnetska komponenta sile uvijek okomite jedna na drugu.
Koje magnetsko polje stvara struja?
Biotovi i Savartovi pokusi i teorijski rad Laplace (svi francuski fizičari) doveli su do razvoja formule za pronalaženje doprinosa svakog malog odsječka vodiča s strujom "zajedničkom uzroku" - stvaranju vektora indukcije magnetskog polja u danoj točki u prostoru. .Prilikom povlačenja (točnije: odabira) opća formula Pretpostavljeno je da je ukupno polje sastavljeno od pojedinačnih dijelova, te je ispunjeno načelo superpozicije, odnosno da se polja koja stvaraju različiti odsječci vodiča sa strujom zbrajaju kao vektori. Svaki dio vodiča kroz koji teče struja, zapravo svaka pokretna nabijena čestica, stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Rezultirajuće polje u danoj točki nastaje kao rezultat zbrajanja vektora magnetske indukcije koje stvara svaki dio vodiča kojim teče struja.
Elementarna komponenta vektora magnetske indukcije Δ U , stvoren malim dijelom vodiča Δ l sa strujom I u točki u prostoru koja se po položaju razlikuje od ovog odsječka vodiča za vektor R , u skladu je s formulom:
Δ U = (μ 0 /4π) I [Δ l × R ]/R 3 .
Ovdje [Δ l × R ] je vektorski produkt dva vektora. Dimenzionalni koeficijent (μ 0 /4π) upravo je u ovom obliku uveden u SI sustav zbog pogodnosti, koji, ponavljamo, u školska fizika uopće se ne pojavljuju.
Polje koje stvara vodič proizvoljnog oblika, kao i obično, nalazi se zbrajanjem elementarnih vektora magnetske indukcije koje stvaraju mali dijelovi ovog vodiča. Svi eksperimentalni rezultati s istosmjernim strujama potvrđuju predviđanja dobivena pomoću gore napisane formule koja nosi naziv: Biot - Savart - Laplace.
Prisjetimo se definicije struje koju smo predstavili prošlog semestra. Struja je tok vektora gustoće struje kroz odabranu površinu. Formula za pronalaženje gustoće struje uključuje zbroj svih pokretnih nabijenih čestica:
J = Σq i v i /V, I=( JS )
Formula Biot–Savart–Laplace stoga uključuje proizvod (Δ l S ), a to je volumen vodiča u kojem se gibaju nabijene čestice.
Možemo zaključiti da magnetsko polje koje stvara područje sa strujom nastaje kao rezultat zajedničkog djelovanja svih nabijenih čestica u ovom području. Doprinos svake čestice koja ima naboj q i kreće se brzinom v jednak:
U = (μ 0 /4π) q [ v × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × E ],
Gdje E = q R /(4πε 0 R 3).
Ovdje R je radijus vektor, čiji se početak nalazi u točki gdje se nalazi čestica, a kraj vektora nalazi se u točki prostora gdje se traži magnetsko polje. Drugi dio formule pokazuje kako su električno i magnetsko polje koje stvara nabijena čestica u istoj točki prostora međusobno povezana.
E - električno polje koje stvara ista čestica u istoj točki prostora. μ 0 =
4π×10 -7 H/m - magnetska konstanta.
“Necentralnost” sila elektromagnetskog međudjelovanja
Ako uzmemo u obzir međudjelovanje dviju točkastih pokretnih nabijenih identičnih čestica, tada se skreće pozornost na činjenicu da sile koje opisuju to međudjelovanje nisu usmjerene duž ravne crte koja povezuje čestice. Doista, električni dio sila interakcije usmjeren je duž ove ravne linije, ali magnetski dio nije.Neka su sve ostale čestice jako udaljene od ovog para čestica. Kako bismo opisali interakciju, odabiremo referentni sustav povezan sa središtem mase tih čestica.
Zbroj unutarnjih električnih sila očito je jednak nuli, budući da su usmjerene u suprotnim smjerovima, smještene duž iste ravne linije i jednake su jedna drugoj po veličini.
Zbroj magnetskih sila također je nula:
Qμ 0 ε 0 [ v 2 [v 1 × E 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ v 1 [v 2 × E 2 ]] = 0
v 2 = – v 1 ; E 1 = – E 2 .
Ali zbroj momenata unutarnjih sila ne mora biti jednak nuli:
Qμ 0 ε 0 [ R 12 [v 2 [v 1 × E 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × E 1 ](R 12 v 2 ).
Može se činiti da je pronađen primjer koji pobija treći Newtonov zakon. No, valja napomenuti da je sam treći zakon formuliran u modelnom obliku, pod uvjetom da u interakciji postoje samo dva sudionika, te ni na koji način ne razmatra prirodu prijenosa interakcije na daljinu. U ovom slučaju postoje tri sudionika događaja: dvije čestice i elektromagnetsko polje u prostoru oko njih. Ako je sustav izoliran, tada je za njega kao cjelinu zakon o održanju količine gibanja i kutne količine gibanja zadovoljen, jer ne samo čestice, već i samo elektromagnetsko polje ima te karakteristike gibanja. Iz toga proizlazi da je potrebno razmotriti međudjelovanje pokretnih nabijenih čestica uzimajući u obzir promjene elektromagnetskog polja u prostoru. Raspravljat ćemo (u jednom od sljedećih odjeljaka) o nastanku i širenju elektromagnetskih valova u prostoru tijekom ubrzanog gibanja nabijenih čestica.
Odaberemo li neki drugi referentni sustav u kojem su moduli brzina ovih čestica v 1 i v 2, tada je omjer modula magnetske komponente sile međudjelovanja između čestica i električne komponente manji ili jednak vrijednost:
To znači da pri brzinama čestica mnogo manjim od brzine svjetlosti električna komponenta međudjelovanja igra glavnu ulogu.
U situacijama kada se električni naboji u žicama međusobno kompenziraju, električni dio međudjelovanja sustava koji se sastoji od veliki broj nabijene čestice postaju znatno manje od magnetskog dijela. Ova okolnost omogućuje proučavanje magnetske interakcije "odvojeno" od električne.
Mjerila i zvučnici
Nakon otkrića Oersteda i Amperea, fizičari su dobili instrumente za bilježenje struje: galvanometre. Ovi uređaji koriste interakciju struje i magnetskog polja. Neki od modernih uređaja koriste trajne magnete, a neki koriste struju za stvaranje magnetskog polja. Sada se nazivaju drugačije - ampermetar, voltmetar, ohmmetar, vatmetar itd. ali u osnovi su svi uređaji ove vrste isti. U njima magnetsko polje djeluje na zavojnicu kojom teče struja.U mjerni instrumenti Zavojnica kojom teče struja smještena je tako da na nju djeluje mehanički zakretni moment sa strane magnetskog polja. Zavojna opruga pričvršćena na zavojnicu stvara mehanički moment koji djeluje na zavojnicu. Ravnotežni položaj se postiže zakretanjem okvira sa strujom za kut koji odgovara struji koja teče. Na zavojnicu je pričvršćena strelica; kut zakretanja strelice služi kao mjera struje.
U uređajima magnetoelektričnog sustava magnetsko polje je konstantno. Stvara ga stalni magnet. U uređajima elektromagnetskog sustava, magnetsko polje stvara struja koja teče kroz stacionarnu zavojnicu. Mehanički zakretni moment proporcionalan je umnošku struje pokretne zavojnice i indukcije magnetskog polja, koja je pak proporcionalna struji u zavojnici koja miruje. Ako su, na primjer, struje u obje zavojnice uređaja elektromagnetskog sustava međusobno proporcionalne, tada je zakretni moment proporcionalan kvadratu struje.
Usput, vaši omiljeni dinamički zvučnici stvoreni su na temelju interakcije struje i magnetskog polja. Kod njih je zavojnica kroz koju prolazi struja smještena tako da sa strane magnetskog polja na nju djeluje sila duž osi zvučnika. Veličina sile proporcionalna je struji u zavojnici. Promjena smjera struje u zavojnici dovodi do promjene smjera sile.
Ampereova hipoteza
Kako bi objasnio unutarnju strukturu permanentnih magneta (izrađenih od feromagnetskih materijala), Ampere je iznio pretpostavku - hipotezu - da se materijal magneta sastoji od velikog broja malih strujnih krugova. Svaka molekula tvari tvori mali okvir s strujom. Unutar magnetskog materijala po cijelom volumenu molekularne struje se međusobno kompenziraju, a na površini objekta kao da teče “površinska” struja. Ako unutra magnetsko tijelo Ako postoji šupljina, tada nekompenzirana "površinska" struja također teče duž površine ove šupljine.Ta površinska struja stvara u prostoru koji okružuje magnet potpuno isto magnetsko polje kao struje svih molekula magneta tijekom njihova zajedničkog djelovanja.
Ampereova hipoteza nekoliko je desetljeća čekala eksperimentalnu potvrdu i na kraju se potpuno opravdala. Po moderne ideje Neki atomi i molekule imaju vlastite magnetske momente, povezane s kretanjem unutar njih nabijenih čestica od kojih su ti atomi i molekule sastavljeni. Kako se pokazalo, same nabijene čestice, od kojih su izgrađeni atomi i molekule, imaju magnetske dipolne momente povezane s mehaničkim unutarnjim gibanjem tih čestica. (3)
Ampereova hipoteza omogućuje napuštanje modela magnetskih naboja, budući da sasvim adekvatno objašnjava podrijetlo magnetske interakcije.
Zadaci:
- Dva dugačka trakasta magneta leže jedan pored drugog, pol do pola. Sjeverna je uz sjevernu, a južna uz južnu. Na liniji koja je nastavak magneta u točki A, koja se nalazi na udaljenosti L od najbližih polova, stvara se magnetsko polje indukcije B. Dobili ste zadatak povećati indukciju polja u točki A za 1,414 puta, i promijenite smjer polja u ovoj točki za 45°. Dopušteno vam je pomaknuti jedan od magneta. Kako ćete izvršiti zadatak?
- Tijekom ekspedicije na sjever magnetski pol Na tlu su članovi ekspedicije postavili N = 1000 vrlo laganih tronožaca, svaki visine L = 1 m i postolja promjera D = 10 cm, na ravnu vodoravnu ledenu površinu oko motke, te razvukli metalni žice s površinom poprečnog presjeka od S = 1 mm 2 duž njihovih gornjih točaka. Rezultat je ravni mnogokut oblika koji je sličan prstenu polumjera R = 100 m. Kolika najmanja istosmjerna struja mora biti propuštena kroz žicu da svi tronošci padnu unutar poligona koji čine njihove baze? Veličina indukcije magnetskog polja B u blizini pola na površini Zemlje je 10 -4 Tesla. Gustoća ρ materijala žice je 10 4 kg/m 3.
- Dvije tanke paralelne žice vode jednake struje suprotnih smjerova. Žice se nalaze na udaljenosti L jedna od druge. U točki A, koja se nalazi na udaljenosti L, i iz jedne i iz druge žice struje stvaraju magnetsko polje s indukcijom B. Na dnu žica, smjer struje se promijenio u suprotan, ali veličina struje ostao isti. Kako se promijenila indukcija magnetskog polja (u veličini i smjeru) u ovoj točki A?
- Okrugli namotaj krute žice leži na glatkom vodoravnom stolu. Polumjer zavojnice je R. Masa zavojnice je M. U svemiru postoji jednoliko vodoravno magnetsko polje s indukcijom B. Koju najmanju istosmjernu struju treba propustiti zavojnicom da prestane ležati nepomično vodoravno? Opišite njegovo kretanje nakon prolaska takve struje.
- Čestica mase M i naboja Q giba se u jednoličnom magnetskom polju s indukcijom B. Brzina čestice čini kut & (alfa) s vektorom indukcije magnetskog polja. Opišite prirodu gibanja čestice. Kakav je oblik njegove putanje?
- Nabijena čestica je ušla u područje prostora gdje postoji jednoliko i međusobno okomito električno polje E i magnetsko polje B. Čestica se giba konstantnom brzinom. Kolika je njegova najmanja moguća vrijednost?
- Dva protona koji se gibaju u jednoličnom magnetskom polju B = 0,1 T stalno su na istoj udaljenosti jedan od drugog L = 1 m. Pri kojim minimalnim brzinama protona je to moguće?
- U području prostora između ravnina X = A i X = C postoji jednoliko magnetsko polje B usmjereno duž osi Y. U to područje prostora leti čestica mase M i naboja Q, brzinom V usmjerenom duž osi Z. Koliki će kut činiti brzina čestica s ravninom X =const nakon što napusti područje s magnetskim poljem? Osi X,Y,Z međusobno okomiti.
- Dugi (L) uniformni štap napravljen je od "slabo magnetskog" (ne feromagnetskog) materijala. Bio je obješen za sredinu na tanku dugačku nit u laboratoriju smještenom blizu ekvatora. U polju gravitacije iu magnetskom polju Zemlje štap je bio postavljen vodoravno. Štap je pomaknut iz ravnotežnog položaja zakretanjem za kut od 30° oko okomite osi koja koincidira s navojem. Štap je ostao nepomičan i pušten. Nakon 10 sekundi štap je prošao ravnotežni položaj. Za koje minimalno vrijeme će ponovno proći ravnotežni položaj? Zatim je šipka prerezana na dvije šipke jednake duljine L/2. Isti eksperiment je napravljen s jednim od njih. S kojim periodom skraćeni štap izvodi male oscilacije u blizini ravnotežnog položaja?
- Na osi malog cilindričnog magneta nalazi se mala "slabomagnetna" kuglica. Udaljenost L od kuglice do magneta mnogo je veća od dimenzija magneta i kuglice. Tijela se međusobno privlače silom F. Kolikom će se silom privlačiti ako se udaljenost među njima smanji za 2 puta? Kuglica ostaje na osi magneta.
1 Povijesni nazivi ne odražavaju adekvatno značenje uvedenih veličina koje karakteriziraju električnu i magnetsku komponentu “elektromagnetskog polja”, pa se nećemo baviti etimologijom ovih riječi.
2 Zapamtite: koristili smo približno istu formulaciju kada smo raspravljali o međudjelovanju električnih naboja.
3 U ovom slučaju mislimo na takvo svojstvo elementarne čestice, kao vlastiti mehanički kutni moment - spin.
