L'une des sections les plus importantes de la physique moderne est celle des interactions électromagnétiques et de toutes les définitions qui s'y rapportent. C'est cette interaction qui explique tous les phénomènes électriques. La théorie de l'électricité couvre de nombreux autres domaines, dont l'optique, puisque la lumière est un rayonnement électromagnétique. Dans cet article, nous allons essayer d'expliquer l'essence du courant électrique et de la force magnétique dans un langage accessible et compréhensible.
Le magnétisme est le fondement des fondations
Enfants, les adultes nous montraient divers tours de magie à l'aide d'aimants. Ces figurines étonnantes, qui s'attirent les unes les autres et peuvent attirer de petits jouets, ont toujours ravi les yeux des enfants. Que sont les aimants et comment la force magnétique agit-elle sur les pièces en fer ?
Pour expliquer en langage scientifique, vous devez vous tourner vers l'une des lois fondamentales de la physique. Selon la loi de Coulomb et la théorie de la relativité restreinte, une certaine force agit sur la charge, qui est directement proportionnelle à la vitesse de la charge elle-même (v). Cette interaction est appeléeforce magnétique.
Caractéristiques physiques
En général, il faut comprendre que tout phénomène magnétique ne se produit que lorsque des charges se déplacent à l'intérieur du conducteur ou en présence de courants dans celui-ci. Lors de l'étude des aimants et de la définition même du magnétisme, il faut comprendre qu'ils sont étroitement liés au phénomène du courant électrique. Par conséquent, comprenons l'essence du courant électrique.
La force électrique est la force qui agit entre un électron et un proton. Elle est numériquement bien supérieure à la valeur de la force gravitationnelle. Il est généré par une charge électrique, ou plutôt par son mouvement à l'intérieur du conducteur. Les charges, à leur tour, sont de deux types: positives et négatives. Comme vous le savez, les particules chargées positivement sont attirées par les particules chargées négativement. Cependant, les charges de même signe ont tendance à se repousser.
Ainsi, lorsque ces mêmes charges commencent à se déplacer dans le conducteur, un courant électrique y apparaît, ce qui s'explique par le rapport de la quantité de charge traversant le conducteur en 1 seconde. La force agissant sur un conducteur avec du courant dans un champ magnétique s'appelle la force ampère et se trouve selon la règle de la "main gauche".
Données empiriques
Vous pouvez rencontrer une interaction magnétique dans la vie de tous les jours lorsqu'il s'agit d'aimants permanents, d'inductances, de relais ou de moteurs électriques. Chacun d'eux possède un champ magnétique invisible à l'œil. Elle ne peut être tracée que par son action, qu'elleaffecte les particules en mouvement et les corps magnétisés.
La force agissant sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique a été étudiée et décrite par le physicien français Ampère. Non seulement cette force porte son nom, mais aussi l'ampleur de la force actuelle. A l'école, les lois d'Ampère sont définies comme les règles de la main "gauche" et "droite".
Caractéristiques du champ magnétique
Il faut comprendre qu'un champ magnétique se produit toujours non seulement autour des sources de courant électrique, mais aussi autour des aimants. Il est généralement représenté avec des lignes de force magnétiques. Graphiquement, on dirait qu'une feuille de papier a été placée sur un aimant et que de la limaille de fer a été versée dessus. Ils ressembleront exactement à l'image ci-dessous.
Dans de nombreux livres populaires sur la physique, la force magnétique est introduite à la suite d'observations expérimentales. Il est considéré comme une force fondamentale distincte de la nature. Une telle idée est erronée; en effet, l'existence d'une force magnétique découle du principe de relativité. Son absence violerait ce principe.
Il n'y a rien de fondamental dans la force magnétique - c'est juste une conséquence relativiste de la loi de Coulomb.
Utiliser des aimants
Selon la légende, au premier siècle de notre ère, sur l'île de Magnésie, les anciens Grecs ont découvert des pierres inhabituelles aux propriétés étonnantes. Ils attiraient à eux toute chose faite de fer ou d'acier. Les Grecs ont commencé à les sortir de l'île et à étudier leurs propriétés. Et quand les pierres sont tombées entre les mains de la ruemagiciens, ils sont devenus des assistants indispensables dans toutes leurs performances. En utilisant les pouvoirs des pierres magnétiques, ils ont pu créer tout un spectacle fantastique qui a attiré de nombreux spectateurs.
Alors que les pierres se répandaient dans toutes les parties du monde, des légendes et divers mythes ont commencé à circuler à leur sujet. Une fois, les pierres se sont retrouvées en Chine, où elles ont été nommées d'après l'île sur laquelle elles ont été trouvées. Les aimants sont devenus le sujet d'étude de tous les grands scientifiques de l'époque. Il a été remarqué que si vous placez une pierre de fer magnétique sur un flotteur en bois, que vous la fixez, puis que vous la tournez, elle essaiera de revenir à sa position d'origine. En termes simples, la force magnétique agissant dessus fera tourner le minerai de fer d'une certaine manière.
En utilisant cette propriété des aimants, les scientifiques ont inventé la boussole. Sur une forme ronde en bois ou en liège, deux pôles principaux ont été dessinés et une petite aiguille magnétique a été installée. Cette conception a été abaissée dans un petit bol rempli d'eau. Au fil du temps, les modèles de boussoles se sont améliorés et sont devenus plus précis. Ils sont utilisés non seulement par les marins, mais aussi par les touristes ordinaires qui aiment explorer les zones désertiques et montagneuses.
Expériences intéressantes
Le scientifique Hans Oersted a consacré presque toute sa vie à l'électricité et aux aimants. Un jour, lors d'une conférence à l'université, il montra à ses étudiants l'expérience suivante. Il a fait passer un courant à travers un conducteur en cuivre ordinaire, au bout d'un moment, le conducteur s'est réchauffé et a commencé à se plier. C'était un phénomène thermiquecourant électrique. Les étudiants ont continué ces expériences, et l'un d'eux a remarqué que le courant électrique a une autre propriété intéressante. Lorsque le courant circulait dans le conducteur, la flèche de la boussole située à proximité commençait à s'écarter peu à peu. En étudiant ce phénomène plus en détail, le scientifique a découvert la soi-disant force agissant sur un conducteur dans un champ magnétique.
Courants en ampères dans les aimants
Les scientifiques ont tenté de trouver une charge magnétique, mais aucun pôle magnétique isolé n'a pu être trouvé. Cela s'explique par le fait que, contrairement aux charges électriques, les charges magnétiques n'existent pas. Après tout, sinon il serait possible de séparer une charge unitaire en cassant simplement une des extrémités de l'aimant. Cependant, cela crée un nouveau pôle opposé à l'autre extrémité.
En fait, tout aimant est un solénoïde, à la surface duquel circulent des courants intra-atomiques, on les appelle courants d'Ampère. Il s'avère que l'aimant peut être considéré comme une tige métallique à travers laquelle circule un courant continu. C'est pour cette raison que l'introduction d'un noyau de fer dans le solénoïde augmente considérablement le champ magnétique.
Énergie magnétique ou EMF
Comme tout phénomène physique, un champ magnétique possède l'énergie nécessaire pour déplacer une charge. Il y a le concept de FEM (force électromotrice), il est défini comme le travail pour déplacer une charge unitaire du point A0 au point A1.
L'EMF est décrit par les lois de Faraday, qui sont appliquées dans trois conditions physiques différentessituation:
- Le circuit conduit se déplace dans le champ magnétique uniforme généré. Dans ce cas, ils parlent d'emf magnétique.
- Le contour est au repos, mais la source du champ magnétique elle-même se déplace. C'est déjà un phénomène électrique emf.
- Enfin, le circuit et la source du champ magnétique sont stationnaires, mais le courant qui crée le champ magnétique change.
Numériquement, la FEM selon la formule de Faraday est: EMF=W/q.
Par conséquent, la force électromotrice n'est pas une force au sens littéral, puisqu'elle se mesure en Joules par Coulomb ou en Volts. Il s'avère qu'il représente l'énergie transmise à l'électron de conduction lors du contournement du circuit. A chaque fois, en faisant le tour suivant du cadre tournant du générateur, l'électron acquiert une énergie numériquement égale à la FEM. Cette énergie supplémentaire peut non seulement être transférée lors de collisions d'atomes dans la chaîne externe, mais également être libérée sous forme de chaleur Joule.
Force de Lorentz et aimants
La force agissant sur le courant dans un champ magnétique est déterminée par la formule suivante: q|v||B|sin a (le produit de la charge du champ magnétique, les modules de vitesse de la même particule, le vecteur d'induction de champ et le sinus de l'angle entre leurs directions). La force qui agit sur une charge unitaire en mouvement dans un champ magnétique s'appelle la force de Lorentz. Un fait intéressant est que la 3e loi de Newton est invalide pour cette force. Il n'obéit qu'à la loi de conservation de la quantité de mouvement, c'est pourquoi tous les problèmes de recherche de la force de Lorentz doivent être résolus en fonction de celle-ci. Découvrons commentvous pouvez déterminer la force du champ magnétique.
Problèmes et exemples de solutions
Pour trouver la force qui se produit autour d'un conducteur avec du courant, vous devez connaître plusieurs quantités: la charge, sa vitesse et la valeur de l'induction du champ magnétique émergent. Le problème suivant vous aidera à comprendre comment calculer la force de Lorentz.
Déterminer la force agissant sur un proton qui se déplace à une vitesse de 10 mm/s dans un champ magnétique avec une induction de 0,2 C (l'angle entre eux est de 90o, puisqu'une particule chargée se déplace perpendiculairement aux lignes d'induction). La solution se résume à trouver la charge. En regardant le tableau des charges, nous constatons que le proton a une charge de 1,610-19 Cl. Ensuite, nous calculons la force en utilisant la formule: 1, 610-19100, 21 (le sinus de l'angle droit est 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
