Una de les seccions més importants de la física moderna són les interaccions electromagnètiques i totes les definicions relacionades amb elles. És aquesta interacció la que explica tots els fenòmens elèctrics. La teoria de l'electricitat cobreix moltes altres àrees, inclosa l'òptica, ja que la llum és radiació electromagnètica. En aquest article, intentarem explicar l'essència del corrent elèctric i la força magnètica en un llenguatge accessible i entenedor.
El magnetisme és la base dels fonaments
De petits, els adults ens van ensenyar diversos trucs de màgia amb imants. Aquestes figuretes sorprenents, que s'atreuen les unes a les altres i poden atraure joguines petites, sempre han agradat els ulls dels nens. Què són els imants i com actua la força magnètica sobre les peces de ferro?
Explicant en llenguatge científic, cal recórrer a una de les lleis bàsiques de la física. Segons la llei de Coulomb i la teoria especial de la relativitat, una determinada força actua sobre la càrrega, que és directament proporcional a la velocitat de la mateixa càrrega (v). Aquesta interacció s'anomenaforça magnètica.
Característiques físiques
En general, s'ha d'entendre que qualsevol fenomen magnètic només es produeix quan les càrregues es mouen a l'interior del conductor o en presència de corrents al seu interior. Quan s'estudia els imants i la definició mateixa del magnetisme, s'ha d'entendre que estan estretament relacionats amb el fenomen del corrent elèctric. Per tant, entenem l'essència del corrent elèctric.
La força elèctrica és la força que actua entre un electró i un protó. És numèricament molt més gran que el valor de la força gravitatòria. Es genera per una càrrega elèctrica, o millor dit, pel seu moviment a l'interior del conductor. Les càrregues, al seu torn, són de dos tipus: positives i negatives. Com sabeu, les partícules carregades positivament se senten atretes per les de càrrega negativa. Tanmateix, les càrregues del mateix signe tendeixen a rebutjar-se mútuament.
Per tant, quan aquestes mateixes càrregues comencen a moure's al conductor, sorgeix un corrent elèctric, que s'explica com la relació de la quantitat de càrrega que flueix pel conductor en 1 segon. La força que actua sobre un conductor amb corrent en un camp magnètic s'anomena força Amperi i es troba segons la regla de la "mà esquerra".
Dades empíriques
Podeu trobar interacció magnètica a la vida quotidiana quan tracteu amb imants permanents, inductors, relés o motors elèctrics. Cadascun d'ells té un camp magnètic que és invisible als ulls. Només es pot rastrejar per la seva acció, que ellafecta les partícules en moviment i els cossos magnetitzats.
La força que actua sobre un conductor que porta corrent en un camp magnètic va ser estudiada i descrita pel físic francès Ampère. No només aquesta força porta el seu nom, sinó també la magnitud de la força actual. A l'escola, les lleis d'Ampère es defineixen com les regles de la mà "esquerra" i "dreta".
Característiques del camp magnètic
S'ha d'entendre que un camp magnètic sempre es produeix no només al voltant de fonts de corrent elèctric, sinó també al voltant dels imants. Normalment es representa amb línies magnètiques de força. Gràficament, sembla com si s'hagués col·locat un full de paper sobre un imant i per sobre s'hi aboquessin llimadures de ferro. Es veuran exactament com la imatge següent.
En molts llibres populars sobre física, la força magnètica s'introdueix com a resultat d'observacions experimentals. Es considera una força fonamental separada de la natura. Aquesta idea és errònia; de fet, l'existència d'una força magnètica es deriva del principi de relativitat. La seva absència violaria aquest principi.
No hi ha res fonamental sobre la força magnètica: només és una conseqüència relativista de la llei de Coulomb.
Ús d'imants
Segons la llegenda, al segle I dC a l'illa de Magnèsia, els antics grecs van descobrir pedres inusuals que tenien propietats sorprenents. Atreien cap a si mateixos qualsevol cosa feta de ferro o acer. Els grecs van començar a treure'ls de l'illa i a estudiar les seves propietats. I quan les pedres van caure a les mans del carrermags, s'han convertit en assistents indispensables en totes les seves actuacions. Utilitzant els poders de les pedres magnètiques, van poder crear tot un espectacle fantàstic que va atreure molts espectadors.
A mesura que les pedres es van estendre per tot el món, van començar a circular llegendes i mites diversos sobre elles. Una vegada les pedres van acabar a la Xina, on van rebre el nom de l'illa on es van trobar. Els imants es van convertir en el tema d'estudi de tots els grans científics d'aquella època. S'ha observat que si poseu una pedra de ferro magnètica sobre un flotador de fusta, la fixeu i després la gireu, intentarà tornar a la seva posició original. En poques paraules, la força magnètica que hi actua farà girar el mineral de ferro d'una determinada manera.
Utilitzant aquesta propietat dels imants, els científics van inventar la brúixola. Sobre una forma rodona feta de fusta o suro, es dibuixaven dos pals principals i es va instal·lar una petita agulla magnètica. Aquest disseny es va baixar en un petit bol ple d'aigua. Amb el pas del temps, els models de brúixola han millorat i s'han tornat més precisos. Són utilitzats no només pels mariners, sinó també pels turistes normals als quals els agrada explorar zones desertes i muntanyoses.
Experiències interessants
El científic Hans Oersted va dedicar gairebé tota la seva vida a l'electricitat i als imants. Un dia, durant una conferència a la universitat, va mostrar als seus alumnes la següent experiència. Va fer passar un corrent a través d'un conductor de coure normal, al cap d'una estona el conductor es va escalfar i va començar a doblegar-se. Va ser un fenomen tèrmiccorrent elèctric. Els alumnes van continuar aquests experiments, i un d'ells va notar que el corrent elèctric té una altra propietat interessant. Quan el corrent circulava pel conductor, la fletxa de la brúixola situada a prop va començar a desviar-se a poc a poc. En estudiar aquest fenomen amb més detall, el científic va descobrir l'anomenada força que actua sobre un conductor en un camp magnètic.
Corrents d'amperes en imants
Els científics han intentat trobar una càrrega magnètica, però no s'ha pogut trobar un pol magnètic aïllat. Això s'explica pel fet que, a diferència de les elèctriques, les càrregues magnètiques no existeixen. Després de tot, en cas contrari, seria possible separar una unitat de càrrega simplement trencant un dels extrems de l'imant. Tanmateix, això crea un nou pol oposat a l' altre extrem.
De fet, qualsevol imant és un solenoide, per la superfície del qual circulen corrents intraatòmiques, s'anomenen corrents d'Ampère. Resulta que l'imant es pot considerar com una vareta metàl·lica per on circula un corrent continu. És per aquest motiu que la introducció d'un nucli de ferro al solenoide augmenta molt el camp magnètic.
Energia magnètica o EMF
Com qualsevol fenomen físic, un camp magnètic té l'energia que necessita per moure una càrrega. Hi ha el concepte de FEM (força electromotriu), es defineix com el treball per moure una càrrega unitat des del punt A0 al punt A1.
El CEM es descriu per les lleis de Faraday, que s'apliquen en tres característiques físiques diferents.situacions:
- El circuit conduït es mou en el camp magnètic uniforme generat. En aquest cas, parlen de fem magnètica.
- El contorn està en repòs, però la pròpia font del camp magnètic es mou. Això ja és un fenomen de fem elèctrica.
- Finalment, el circuit i la font del camp magnètic són estacionaris, però el corrent que crea el camp magnètic està canviant.
Numèricament, l'EMF segons la fórmula de Faraday és: EMF=W/q.
En conseqüència, la força electromotriu no és una força en el sentit literal, ja que es mesura en Joules per Coulomb o en Volts. Resulta que representa l'energia que s'imparteix a l'electró de conducció quan es deriva el circuit. Cada vegada, fent la següent ronda del marc giratori del generador, l'electró adquireix una energia numèricament igual a la CEM. Aquesta energia addicional no només es pot transferir durant les col·lisions d'àtoms de la cadena exterior, sinó que també es pot alliberar en forma de calor Joule.
Força de Lorentz i imants
La força que actua sobre el corrent en un camp magnètic està determinada per la fórmula següent: q|v||B|sin a (el producte de la càrrega del camp magnètic, els mòduls de velocitat de la mateixa partícula)., el vector d'inducció de camp i el sinus de l'angle entre les seves direccions). La força que actua sobre una unitat de càrrega en moviment en un camp magnètic s'anomena força de Lorentz. Un fet interessant és que la tercera llei de Newton no és vàlida per a aquesta força. Només obeeix la llei de conservació de la quantitat de moviment, per això tots els problemes per trobar la força de Lorentz s'han de resoldre a partir d'ella. Anem a esbrinar compots determinar la força del camp magnètic.
Problemes i exemples de solucions
Per trobar la força que sorgeix al voltant d'un conductor amb corrent, cal conèixer diverses magnituds: la càrrega, la seva velocitat i el valor de la inducció del camp magnètic emergent. El problema següent us ajudarà a entendre com calcular la força de Lorentz.
Determineu la força que actua sobre un protó que es mou a una velocitat de 10 mm/s en un camp magnètic amb una inducció de 0,2 C (l'angle entre ells és de 90o, ja que una partícula carregada es mou perpendicularment a les línies d'inducció). La solució passa per trobar el càrrec. Mirant la taula de càrregues, trobem que el protó té una càrrega d'1,610-19 Cl. A continuació, calculem la força amb la fórmula: 1, 610-19100, 21 (el sinus de l'angle recte és 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
