A mágnesesség elméletén dolgozó fizikus. Mágnesesség bábukhoz: alapképletek, definíciók, példák

Elektronikus fizika tankönyv

KSTU-KKhTI. Fizika Tanszék. Starostina I.A., Kondratyeva O.I., Burdova E.V.

Az elektronikus tankönyv szövegében való navigáláshoz a következőket használhatja:

1 gombnyomás PgDn, PgUp,,  mozogni az oldalak és sorok között;

2- kattintson a bal egérgombbal a kiválasztottraszöveg a kívánt részhez menni;

3- Kattintson a bal gombbal a kiemelt ikonra@ hogy menjen a tartalomjegyzékhez.

MÁGNESESSÉG

MÁGNESESSÉG

1. A MÁGNESTOSTATIKA ALAPJAI. MÁGNESES MEZŐ VÁKUUMBAN

1.1. A mágneses tér és jellemzői.@

1.2. Ampere törvénye.@

1.3. A Biot-Savart-Laplace törvény és alkalmazása a mágneses tér kiszámítására. @

1.4. Két párhuzamos vezető kölcsönhatása árammal. @

1.5. A mágneses tér hatása mozgó töltött részecskére. @

1.6. A vákuumban lévő mágneses tér összáramának törvénye (a B vektor keringésének tétele). @

1.7. Mágneses indukciós vektor fluxus. Gauss-tétel a mágneses térre. @

1. 8. Keret árammal egyenletes mágneses térben. @

2. MÁGNESES MEZŐ AZ ANYAGBAN. @

2.1. Az atomok mágneses momentumai. @

2.2. Atom mágneses térben. @

2.3. Egy anyag mágnesezése. @

2.4. A mágnesek típusai. @

2.5. Diamágnesesség. Diamágnesek. @

2.6. Paramágnesesség. Paramágneses anyagok. @

2.7. Ferromágnesesség. Ferromágnesek. @

2.8. A ferromágnesek tartományszerkezete. @

2.9. Antiferromágnesek és ferritek. @

3. AZ ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ JELENSÉGE. @

3.1. Az elektromágneses indukció alaptörvénye. @

3.2. Az önindukció jelensége. @

3.3. A kölcsönös indukció jelensége. @

3.4. Mágneses mező energia. @

4. MAXWELL-EGYENLETEK. @

4.1. Maxwell elmélete az elektromágneses térre. @

4.2. Maxwell első egyenlete. @

4.3. Előfeszítő áram. @

4.4. Maxwell második egyenlete. @

4.5. Maxwell egyenletrendszere integrál formában. @

4.6. Elektromágneses mező. Elektromágneses hullámok. @

MÁGNESESSÉG

Mágnesesség- a fizika egyik ága, amely az elektromos áramok, az áramok és a mágnesek (mágneses nyomatékkal rendelkező testek) és a mágnesek közötti kölcsönhatást vizsgálja.

A mágnesességet sokáig az elektromosságtól teljesen független tudománynak tekintették. A. Ampere, M. Faraday és mások 19-20. századi legfontosabb felfedezései azonban bizonyították az elektromos és a mágneses jelenségek közötti kapcsolatot, ami lehetővé tette, hogy a mágnesesség doktrínáját a tudomány szerves részének tekintsük. elektromosság doktrínája.

1. A MÁGNESTOSTATIKA ALAPJAI. MÁGNESES MEZŐ VÁKUUMBAN

1.1. Mágneses tér és jellemzői. @

Először William Gilbert angol orvos és fizikus vizsgálta következetesen a mágneses jelenségeket „A mágnesről, a mágneses testekről és a nagy mágnesről – a Földről” című munkájában. Aztán úgy tűnt, hogy az elektromosságnak és a mágnesességnek nincs közös vonása. Csak a 19. század elején vetette fel a dán tudós, G. H. Ørsted azt az elképzelést, hogy a mágnesesség az elektromosság egyik rejtett formája, amit 1820-ban kísérletileg is megerősítettek. Ez a tapasztalat nagy jelentőségű új felfedezések lavinához vezetett.

A 19. század elején számos kísérlet kimutatta, hogy mindegyik áramvezető és állandó mágnes képes a téren áthaladó erőt kifejteni más áramvezető vezetékekre vagy mágnesekre. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az áramvezető vezetők és mágnesek körül mező keletkezik, amelyet ún. mágneses.

A mágneses tér tanulmányozásához egy kis mágneses tűt használnak, amelyet egy cérnára függesztenek, vagy egy hegyen egyensúlyoznak (1.1. ábra). A mágneses tér minden pontján egy tetszőlegesen elhelyezett nyíl lesz

1.1. ábra. Mágneses tér iránya

forduljon egy bizonyos irányba. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a mágneses tér minden pontján nyomaték hat a tűre, amely a tengelyét a mágneses tér mentén helyezi el. A nyíl tengelye a végeit összekötő szakasz.

Tekintsünk egy sor kísérletet, amelyek lehetővé tették a mágneses tér alapvető tulajdonságainak megállapítását:

E kísérletek alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a mágneses teret csak mozgó töltések vagy mozgó töltött testek, valamint állandó mágnesek hozzák létre. Így különbözik a mágneses tér az elektromos tértől, amelyet mozgó és álló töltések egyaránt létrehoznak, és mind az egyikre, mind a másikra hat.

A mágneses tér fő jellemzője a mágneses indukciós vektor . A mágneses indukció irányának a mező adott pontjában azt az irányt vesszük, amely mentén a mágneses tű tengelye S-től N-ig egy adott pontban helyezkedik el (1.1. ábra). Grafikusan a mágneses mezőket mágneses indukciós vonalak ábrázolják, vagyis olyan görbék, amelyek érintői minden pontban egybeesnek a B vektor irányával.

Ezeket az erővonalakat vasreszelék segítségével lehet látni: például ha fűrészport szórunk egy hosszú egyenes vezető köré, és áramot vezetünk át rajta, a reszelékek kis mágnesként viselkednek, a mágneses erővonalak mentén helyezkednek el (1.2. ábra).

Hogyan határozzuk meg a vektor irányát áramot szállító vezető közelében? Ezt a jobbkéz szabály segítségével lehet megtenni, amelyet az ábra szemléltet. 1.2. A jobb kéz hüvelykujja az áram irányába van orientálva, majd a hajlított helyzetben fennmaradó ujjak a mágneses erővonalak irányát jelzik. Az 1.2. ábrán látható esetben a vonalak koncentrikus körök. A mágneses indukciós vektorvonalak mindig zárvaés fedje le az áramvezetőt. Ebben különböznek az elektromos térerősség vonalaitól, amelyek pozitív töltéseken kezdődnek és negatív töltéseken végződnek, azaz. nyisd ki. Az állandó mágnes mágneses indukciós vonalai elhagyják az egyik pólust, amelyet északnak (N) neveznek, és belépnek a másikba, a délibe (S) (1.3a ábra). Elsőre úgy tűnik, hogy teljes analógia van az E elektromos térerősség vonalaival, ahol a mágnesek pólusai a mágneses töltések szerepét töltik be. Ha azonban mágnest vágunk, a kép megmarad, kisebb mágneseket kapunk saját északi és déli pólusukkal, pl. A pólusok szétválasztása lehetetlen, mert a szabad mágneses töltések az elektromos töltésekkel ellentétben nem léteznek a természetben. Megállapítást nyert, hogy a mágnesek belsejében mágneses tér van, és ennek a mezőnek a mágneses indukciós vonalai a mágnesen kívüli mágneses indukciós vonalak folytatásai, azaz. zárd be őket. Az állandó mágneshez hasonlóan a mágnestekercs mágneses tere vékony, szigetelt huzalból álló tekercs, amelynek hossza sokkal nagyobb, mint az áram átmérője (1.3b. ábra). A mágnesszelep vége, amelyből a tekercsben lévő áram az óramutató járásával ellentétes irányban folyik, egybeesik a mágnes északi pólusával, a másik a déli pólussal. Mágneses indukció az SI rendszerben N/(A∙m) mértékegységben mérik, ez a mennyiség külön nevet kap - tesla.

VAL VEL A. Ampere francia fizikus feltételezése szerint a mágnesezett vas (főleg az iránytűk) folyamatosan mozgó töltéseket tartalmaz, pl. elektromos áramok atomi léptékben. Ilyen mikroszkopikus áramok, amelyeket az elektronok atomokban és molekulákban való mozgása okoz, bármely testben léteznek. Ezek a mikroáramok saját mágneses teret hoznak létre, és maguk is foroghatnak az áramvezetők által létrehozott külső mezőkben. Például, ha egy áramvezető vezetéket egy test közelébe helyezünk, akkor annak mágneses tere hatására az összes atomban lévő mikroáram megtörténik. egy bizonyos módon orientált, további mágneses teret hozva létre. Ampere akkor még nem tudott mit mondani ezeknek a mikroáramoknak a természetéről és jellegéről, mivel az anyag szerkezetének doktrínája még a kezdeti szakaszában volt. Ampere hipotézise fényesen beigazolódott csak 100 évvel később, az elektron felfedezése és az atomok és molekulák szerkezetének tisztázása után.

A természetben létező mágneses mezők méretük és az általuk okozott hatások eltérőek. A Föld mágneses tere, amely a Föld magnetoszféráját alkotja, 70-80 ezer km-re terjed ki a Nap irányába, és sok millió kilométerre az ellenkező irányba. A Föld-közeli térben a mágneses mező mágneses csapdát képez a nagy energiájú töltött részecskék számára. A Föld mágneses mezejének eredete a vezetőképes folyékony anyagok földmagjában történő mozgásával függ össze. A Naprendszer többi bolygója közül csak a Jupiter és a Szaturnusz rendelkezik észrevehető mágneses mezővel. A Nap mágneses tere döntő szerepet játszik a Napon végbemenő összes folyamatban - kitörésekben, foltok és kiemelkedések megjelenésében, a napkozmikus sugárzás születésében.

A mágneses mezőket széles körben alkalmazzák a különböző iparágakban, különösen a pékségekben a liszt fémszennyeződésektől való tisztításánál. A speciális lisztrosták mágnesekkel vannak felszerelve, amelyek magukhoz vonzzák a vas apró darabjait és vegyületeit, amelyek a lisztben lehetnek.

Az elektromos jelenségek teljesebb és következetesebb elméletének kidolgozásának egyik fő akadálya a statikus elektromosság és az elektromos áram közötti hasonlóságok túlzott jelentősége volt. Ez a megközelítés arra a téves hiedelemre adott okot, hogy mindkét típusú jelenség csak egy entitást – az elektromos töltést – érint. Ugyanez a hibatípus, csak teljesebb és kategorikusabb módon, a mágnesesség jelenlegi nézetében is megnyilvánult. Azzal, hogy kitart amellett, hogy az elektrosztatikus és elektromos jelenségek egyszerűen ugyanannak a dolognak a két aspektusai, a modern tudományos vélemény elismeri, hogy elegendő különbség van köztük ahhoz, hogy indokolttá tegye az elektrosztatika külön kategóriáját a statikus jelenségek elméleti vonatkozásaiban. Még ha a magnetosztatikát (a mágnesesség megfelelő ágát) minden modern fizikai szöveg megemlíti, általában elvetik, mint „régi megközelítést”, amely mára kiment a divatból. A szigorúan statikus fogalmakat, például a mágneses pólusokat leggyakrabban elnézést kérve vezetik be.

Az egyes fizikai tudományterületek egyre több felosztásra való feldarabolódása a tudományos tevékenység egész története során jellemző volt. A magnetosztatika esetében fordított folyamat van, egy olyan eset, amikor a fizika egyik fő ága meghalt a kannibalizmus miatt. A magnetosztatikát egy rokon, de teljesen más jelenség nyelte el - elektromágnesesség. Sok hasonlóság van e két típusú mágneses jelenség között, ahogy a kétféle elektromosság között is. Lényegében az elektromágneses viszonyok határozzák meg azokat a mennyiségeket, amelyekben a magnetosztatika kifejeződik. Ez azonban semmiképpen sem igazolja azt a jelenlegi vélekedést, hogy a folyamatban csak egy entitás vesz részt. A hagyományos fizika által gyakran a mágneses jelenségeknek tulajdonított alárendelt státuszt C. W. Ford következő megjegyzése illusztrálja:

„Az elméleti fizikusok szerint a mágnesesség a mi világunkban egyszerűen az elektromosság mellékterméke; csak az elektromosan töltött részecskék mozgásának eredményeként létezik.”

Ez az állítás azt jelenti, hogy a feltevések megalapozottak ésszerű és tartós. Valójában azonban az a feltételezés, hogy a mágnesesség csak a töltött részecskék mozgásának eredményeként létezik, teljesen jelentéktelen feltételezéseken alapul. A valós helyzetet pontosabban írja le a következő idézet egy fizika tankönyvből:

„Csak az elmúlt harminc évben hoztak létre olyan modelleket, amelyek a mágnesesség két forrását (a mágnest és a magnetosztatikát) egyesítik. A modellek még ma sem tökéletesek, de legalább meggyőzték az embereket arról, hogy a mágneses mezőknek egyetlen forrása van: minden mágneses tér mozgó elektromos töltésekből származik.”

Lényegében ez a passzus azt mutatja, hogy a gyakorlatban az ötlet nem olyan jól kidolgozott, de a többség mégis rá szavaz. A jeles amerikai csillagász, J. N. Buckell rámutatott arra „Gyakran komoly tudományos problémákat okozunk lármakkal, semmint megfigyeléssel”. Kritikátlan elfogadás “messze nem tökéletes” a mágnesesség modelljei méltó példái az ilyen tudománytalan gyakorlatnak.

A jelenlegi helyzet különös sajátossága, hogy miután arra a következtetésre jutottak, hogy a mágnesesség egyszerűen az elektromosság mellékterméke, a fizikusok egyik tevékenysége egy mobil elektromos töltés mágneses analógjának, az elektronnak a felkutatása. Ismét C.W Fordot idézve:

„Egy elektromos részecske elektromos mezőt hoz létre. Amikor mozog, másodlagos hatásként mágneses teret hoz létre. A szimmetria érdekében olyan mágneses részecskéknek kell lenniük, amelyek mágneses teret hoznak létre, amelyek mozgása ugyanúgy elektromos mezőt hoz létre, mint a mozgó elektromos részecskék mágneses tereket.

A szerző ezt elismeri „A mágneses monopólus pedig a mai napig megzavarja az összes kutatót. A kísérletezőknek nem sikerült észlelniük a részecske jelét." Ezt az akaratot továbbra is olyan buzgalommal folytatják, ami olyan sunyi megjegyzésekre késztet, mint:

"Meglepő, hogy a mágneses monopólusok létezésére vonatkozó kísérleti bizonyítékok hiánya nem csökkenti a kutatók buzgalmát."

Ford lényege: „A monopólus részecskék létezésének nyilvánvaló hiánya paradoxonhoz vezeti a modern fizikusokat, amíg nem találják meg a magyarázatot.. De (akaratlanul) választ is kínál arra a paradoxonra, amellyel a monopólushelyzet tárgyalását lezárja:

"A fizikusokat aggasztja a szimmetria kihívása és az összes ismert törvény - mágneses részecskét még nem hoztak létre vagy fedeztek fel."

Valahányszor a megfigyelt tények „megkérdőjelezik az ismert törvényeket” és a szimmetriaviszonyoknak egy adott helyzethez való viszonyának jelenlegi megértését, nyugodtan kijelenthetjük, hogy a szimmetria és legalább néhány „ismert törvény” jelenlegi értelmezése helytelen. Ebben az esetben minden kritikai megközelítés nemcsak arra mutat rá gyorsan, hogy számos olyan feltételezés, amely alapján a mágneses monopólusok létezésére következtetnek, tiszta feltételezésekből származik, tényszerű alátámasztás nélkül, hanem arra is, hogy bizonyos ellentmondás van két fő feltételezés.

Ford kifejtette, a mágneses monopólus, amelyet a fizikusok oly lelkesen keresnek, egy olyan részecske, amely „mágneses mezőket hoz létre; vagyis mágneses töltés.” Ha létezne ilyen részecske, akkor természetesen a töltése miatt mágneses hatásokat fejt ki. De ez egyenesen ellentmond annak a feltételezésnek, hogy a mágnesesség „az elektromosság mellékterméke”. A fizikusok nem ülhetnek egyszerre két széken. Ha a mágnesesség az elektromosság (vagyis az elektromos töltések) mellékterméke, akkor nem létezhet olyan mágneses töltés (a mágneses hatások forrása), amely analóg egy elektromos töltéssel - az elektromos hatások forrásával. Másrészt, ha létezett egy mágneses töltésű részecske (mágneses monopólus), akkor a mágnesesség alapelmélete, amely minden mágneses hatást az elektromosságnak tulajdonít, téves.

A mozgási univerzum elméleti fejlődésének előírásaiból nyilvánvaló, hogy a hiányzó információ a mágnesesség fizikai természetének megértése. Amíg a mágnesességet az elektromosság melléktermékének tekintik, és az elektromosságot a természet adott, megmagyarázhatatlan jellemzőjének tekintik, addig semmi sem fogja az elméletet a megfelelő irányba terelni. De amint felismerjük, hogy a mágneses töltések hatására magnetosztatikus jelenségek keletkeznek, és hogy az ilyen töltés egyfajta mozgás (forgóvibráció), a helyzet szinte automatikusan kiderül. Természetesen léteznek mágneses töltések. Ahogyan vannak elektromos töltések, amelyek egydimenziós forgási rezgések, amelyek ellentétesek az egydimenziós forgással, úgy vannak mágneses töltések is, amelyek kétdimenziós forgási rezgések, amelyek ellentétesek a kétdimenziós forgással. Az ilyen jellegű töltések következtében fellépő jelenségeket magnetosztatikának nevezzük. Az elektromágnesesség egy másik kétdimenziós jelenség, amely inkább folytonos, mint vibrációs jellegű mozgást foglal magában.

A kétdimenziósság a kulcs a mágneses kapcsolatok megértéséhez. A mágnesesség alapvető jellemzőinek tudatosságának hiánya a zavar egyik fő oka, amely a mágneses elmélet számos területén létezik. A mágneses töltés és az elektromágnesesség két dimenziója természetesen skaláris dimenzió. A komponensek mozgása a második dimenzióban nem ábrázolható közvetlenül egy hagyományos térbeli vonatkoztatási keretben, de megfigyelhető közvetett hatásuk, különösen az effektív mennyiségekre. A zűrzavarhoz jelentősen hozzájárul az elektrosztatikus és magnetosztatikus mozgások vibrációs természetével kapcsolatos tudatosság hiánya, ami élesen megkülönbözteti őket az elektromos áramban és az elektromágnesességben részt vevő folyamatos mozgásoktól. A magnetosztatika abban hasonlít az elektromágnesességhez, hogy a meghatározó tényező egy méréssorozat. Az elektrosztatikához hasonló abban, hogy a mozgás vibrációs jellege a meghatározó.

Felfedezéseink azt mutatják, hogy a mágneses monopólusok hiánya nem „szimmetria-kihívás”. A szimmetria létezik, de megértéséhez jobban meg kell érteni az elektromosság és a mágnesesség természetét. Az elektromos és mágneses kapcsolatokban szimmetria van, és bizonyos értelemben ez az a fajta szimmetria, amelyet Ford és kollégái képzeltek el. Egyfajta mágneses tér igazán Ugyanúgy jön létre, mint egy elektromos mező, amint azt Ford javasolja a mágneses monopólus hipotézis mögötti érvelés magyarázatakor. De nem az „elektromos részecske” hozza létre az elektromos teret; Ez egy bizonyos típusú mozgás - a forgás vibrációja. A mágneses mezőt hasonló forgási rezgés hozza létre. A mágneses tér elektromos áramot hoz létre, egy részecske (töltés nélküli elektron) transzlációs mozgását a vezetőben. A mágneses tér előrefelé irányuló mozgása hasonlóan elektromos áramot hoz létre a vezetőben. Ismétlem, létezik szimmetria, de nem az a fajta szimmetria, amelyet egy mágneses monopólus esetében hívnának elő.

A mágneses erőegyenlet, a két mágneses töltés közötti erő kifejezése, megegyezik a Coulomb-egyenlettel, kivéve a t/s együtthatót, amelyet a mozgás második skaláris dimenziója visz be a mágneses töltésbe. Az egyenlet hagyományos formája: F = MM’/d². Más elsődleges erőegyenletekhez hasonlóan az M' és a d² kifejezéseknek nincsenek méretei. A mozgási univerzumban meghatározott erőegyenletekre alkalmazott általános elvek alapján a mágneses egyenletből a hiányzó tag a Coulomb-egyenletben szereplő 1/s-hoz analóg, 1/t. Ekkor a mágneses egyenlet tér-idő dimenziói: F = t²/s² x 1/t = t/s².

Az elektromos töltést alkotó mozgáshoz hasonlóan, és ugyanezen okokból, a mágneses töltést alkotó mozgásnak is skaláris kifelé iránya van. De mivel az anyagszektorban a mágneses forgás szükségszerűen pozitív (időeltolódás), ezért ebben a szektorban minden stabil mágneses töltésnek van térbeli elmozdulása (negatív), és nincs negatív* elektromos töltésnek megfelelő független mágneses jelenség. Ebben az esetben nincs olyan bevett használat, amely megakadályozná a rotációs terminológiával összhangban lévő jelölések használatát. Ezért a mágneses töltést negatív töltésnek fogjuk nevezni, ahelyett, hogy pozitív* jelölést használnánk, mint az elektromos töltés esetében.

Bár az anyagi környezetben nincsenek pozitív mágneses töltések, kivéve a külső erők hatására egy később tárgyalandó helyzetben, a mágneses töltés kétdimenziós jellege olyan orientációs hatásokat idéz elő, amelyek az elektromos jelenségekben nem jelennek meg. Minden egydimenziós (elektromos) töltés hasonló; nem rendelkeznek olyan megkülönböztető jellemzőkkel, amelyek alapján különböző típusú osztályokba sorolhatók. De egy kétdimenziós (mágneses) töltés a keret dimenziójában lévő forgási rezgésből és egy másik skaláris dimenzióból áll, amely független az elsőtől, ezért a geometriai ábrázolásban arra merőleges. A forgás, amelyhez a második forgási rezgés társul, az atomot két félre osztja, amelyek külön meghatározhatók. Az elválasztó vonal egyik oldalán a megfigyelt forgás az óramutató járásával megegyező irányban történik. A mágneses töltés skaláris iránya ezen az oldalon az óramutató járásával megegyező irányú forgástól kifelé irányul. Hasonló töltés az ellenkező oldalon az óramutató járásával ellentétes forgásból kifelé történő mozgás.

A mágneses töltés egysége a két forgó rendszer közül csak az egyikre vonatkozik. Következésképpen az atom két töltést vesz fel, amelyek az előző bekezdésben leírt pozíciókat foglalják el, és ellentétes irányban irányulnak. Ezért a mágneses vagy mágnesezett anyag minden atomjának két pólusa vagy mágneses befolyási központja van. A Földön vannak a mágneses pólusok analógjai, ezeket északi pólusnak és déli pólusnak nevezik.

A pólusok skaláris referenciapontokat jelentenek. Az északi póluson elhelyezkedő töltést alkotó forgási rezgés hatásos iránya az északi referenciaponttól kifelé irányuló mozgás; a déli póluson központosított töltés effektív iránya a déli referenciaponttól kifelé van. Ezért két mágneses töltésű atom kölcsönhatása ugyanazt a mintát követi, mint az elektromos töltések kölcsönhatása. A 22. ábrán látható módon a két északi pólus (a vonal) kifelé mozdul el az északi referenciapontoktól, így egymástól kifelé. A két déli pólus (c vonal) szintén kifelé halad egymástól. De a b sorban látható módon az északi pólus, amely az északi referenciaponttól kifelé mozog, a déli pólus felé mozog, amely a déli referenciaponttól kifelé mozog. Így, mint a pólusok taszítják, és ellentétben a pólusok vonzzák.

Ezen az alapon, amikor két mágneses töltésű atom közel kerül egymáshoz, az egyik atom északi pólusa vonzódik a másik atom déli pólusához. A kapott szerkezet az északi pólus lineáris kombinációja, a két pólus semleges kombinációja és a déli pólus. Egy harmadik mágneses töltésű atom hozzáadása semleges kombinációvá alakítja a déli pólust, de új déli pólust hagy a szerkezet új végén. További ilyen jellegű kiegészítések előfordulhatnak, amelyeknek csak a hőmérséklet és más romboló erők korlátozzák. Hasonló atomnyilat, amelyeknek északi és déli pólusa van ellentétes végén, úgy is létre lehet hozni, hogy mágnesezett anyag atomjait vezetjük be a kétatomos kombináció mágneses töltésű atomjai közé. Egy ilyen szerkezet tetszőleges ponton történő felosztása megszakítja a semleges kombinációt, és az északi és déli pólust hagyja az egyes szakaszok végén. Következésképpen, függetlenül attól, hogy a mágnesezett anyag hány részre van felosztva, minden anyagtöredéknek mindig van északi és déli pólusa.

A mágneses erők irányítottsága miatt ugyanúgy árnyékoltak, mint az elektromos erők. Másrészt a gravitációs erőt semmilyen módon nem lehet árnyékolni vagy módosítani. Sok megfigyelő ezt annak jelzésének tartotta, hogy a gravitációs erőnek teljesen más természetűnek kell lennie. Ezt a benyomást tetézi, hogy a főáramú fizikai elméletben nehéz megfelelő helyet találni a gravitáció számára. A fizika „általános elmélete” vagy „egységes elmélete” felépítésének problémáján dolgozó teoretikusok fő célja, hogy elméleti szerkezetükben helyet találjanak a gravitációnak.

A mozgás-univerzum elméletének fejlődése azt mutatja, hogy a gravitáció, a statikus elektromosság és a magnetosztatika hasonló jelenségek. Csak az aktív skaláris dimenziók számában különböznek egymástól. Ebben az univerzumban a tér és az idő szimmetriája miatt minden erőtípusnak (mozgásnak) van ellentétes irányú partnere. Ez alól a gravitáció sem kivétel, időben és térben egyaránt zajlik. Ezért ugyanazon a különbségtételen megy keresztül pozitív és negatív között, mint az elektromos erőkben tapasztalható különbségtétel. De az univerzum anyagi szektorában a végső gravitációs hatás mindig a térben történik, vagyis nincs effektív negatív gravitáció. Az űrszektorban ez mindig időben történik. Mivel a gravitáció háromdimenziós, nem létezik olyan térbeli differenciálódás, mint amilyen a mágnesességben található.

Az elektromágneses és a gravitációs jelenségek valódi kapcsolatának meg nem értése miatt a hagyományos fizikai tudomány nem tud mindkét területre releváns elméletet megfogalmazni. A probléma megközelítése az, hogy feltételezi, hogy az elektromosság alapvető fontosságú, és ennek alapján építi fel a fizikai elmélet struktúráját. Ahhoz, hogy a megfigyelések és mérések összhangban legyenek az elektromos alapú elmélettel, további feltételezésekre van szükség. Így a gravitáció egy megmagyarázhatatlan anomália státuszát kapta. Ez az elméletek felépítésének módja miatt történt, és nem a gravitáció bármely jellemzője miatt. Ha a megközelítést megváltoztatnák, a fizikai elmélet arra a feltételezésre épülne, hogy a gravitáció alapvető, és a „meg nem tanult” pontok az elektromosság és a mágnesesség lennének. Az egységes elmélet, amelyet a kutatók próbálnak felépíteni, csak olyan fejlesztések révén jöhet létre, mint amilyen az ebben a cikkben bemutatott. A megértés szilárd alapjain nyugszik, ahol mindhárom alapjelenségnek megvan a maga helye.

A skaláris dimenziók számbeli különbségének hatásaitól eltekintve a mágneses töltést alkotó forgási rezgés tulajdonságai megegyeznek az elektromos töltést alkotó forgási rezgés tulajdonságaival. Innen alkalmas anyagokban mágneses töltések indukálhatók. Azok az anyagok, amelyekben mágneses töltés keletkezik, állandó mágnesként viselkednek. Lényegében egyes anyagok állandó mágnesekké válnak, amikor mágneses töltéseket indukálnak bennük. Azonban csak viszonylag kis számú elem képes jelentős mértékben mágnesezni; vagyis hogy az ingatlant ún ferromágnesesség.

A mágnesesség hagyományos elméleteinek nincs magyarázata az elemek mágnesezettségének korlátaira. Természetesen ezek az elméletek azt sugallják, hogy ennek az anyag általános tulajdonságának kell lennie. A korábban említett feltételezések alapján az elektronok, amelyeket a hagyományos elmélet az atomok alkotóelemeinek tekint, miniatűr elektromágnesek és mágneses mezőket hoznak létre. A legtöbb esetben azt feltételezik, hogy az atomok mágneses mezeje véletlenszerűen orientált, és nincs végső mágneses eredő. „Létezik azonban több olyan elem, amelyek atomjaiban a különböző elektronok által létrehozott mezők nem teljesen kioltják egymást. Az ilyen atomok mágneses mezővel rendelkeznek. Egyes anyagokban...az atomok mágneses mezei sorakoznak egymással.. Feltételezhető, hogy az ilyen anyagok mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. De hogy ennek a néhány elemnek miért kell olyan tulajdonságot szereznie, amellyel a legtöbb elem nem rendelkezik, nincs meghatározva.

Ahhoz, hogy a mozgást az univerzummal magyarázzuk, figyelembe kell vennünk az atomi mozgás természetét. Ha egy kétdimenziós, pozitív forgó rezgést adunk az atomot alkotó mozgások háromdimenziós kombinációjához, az megváltoztatja a mozgások nagyságát. Az eredmény nem ugyanaz az atom mágneses töltéssel, hanem egy másik típusú atom. Különálló entitásként a mágneses töltés csak olyan atomban létezhet, amely úgy épül fel, hogy van az atomszerkezetnek olyan része, amely kétdimenziósan és az atom törzsétől függetlenül képes rezegni. Ha a mágneses forgással foglalkozunk, akkor a követelmény akkor teljesül, ha a forgás aszimmetrikus; vagyis a két mágneses dimenzió egyikében n egységnyi elmozdulás van, a másikban pedig n + 1.

Ezen az alapon az 1-1, 2-2, 3-3 és 4-4 mágneses fordulatszámú szimmetrikus elemek kizártak. Bár a mágneses töltésnek nincs harmadik dimenziója, az elektromos forgásnak, amellyel az atom háromdimenziós mozgásában kapcsolódik, függetlennek kell lennie az atom többi részéhez kapcsolódó forgástól. Ezért az elektromos forgási előfeszítésnek meg kell haladnia a 7-et, hogy egy teljes egység (7 eltolási egység plusz az elsődleges egység szintje) maradhasson a mágneses forgás fő testénél, míg a többlet a mágneses forgásnak tulajdonítható. Ezenkívül az elektromos elmozdulásnak pozitívnak kell lennie, mivel a referenciakeret nem tud két különböző negatív elmozdulást (időbeli mozgást) befogadni ugyanabban az atomszerkezetben. Következésképpen az elektronegatív torzítások teljesen megszűnnek. Az összes kizárás hatása kis számú elemre korlátozza a mágneses töltéseket.

Az első olyan elem, amely normál állapotában képes mágneses töltést fogadni Vas. Ez az 1-es pozíció különösen kedvez a mágnesezésnek, ezért az elemek közül még mindig a vas a legmágnesesebb. A következő két elem kobaltÉs nikkel, szintén mágnesesek, mert elektromos torzításuk általában pozitív. Speciális körülmények között a króm (6) és magnézium (7) elmozdulása 8-ra, illetve 9-re nő az új nullaponthoz viszonyított átirányítással, amelyet D. Larson könyvének 1. kötetében magyarázott. Ekkor ezek az elemek is képesek mágneses töltések fogadására.

A mágneses töltés elfogadásához szükséges atomi jellemzők korábbi magyarázata szerint a további mágneses elemek a II. osztály 4A csoportjának tagjai. Az elméleti elvárás egybeesik a megfigyeléssel, de ezeknek az elemeknek és a 3A csoporthoz tartozó elemek mágneses viselkedése között máig megmagyarázhatatlan különbségek vannak. A 4A csoportban a mágneses erő kisebb. Ennek a csoportnak csak az egyik eleme, a gadolínium, szobahőmérsékleten mágneses, és nem foglalja el ugyanazt a helyet a csoportban, mint a vas, a 3A csoport legmágnesesebb eleme. A vashelyzetben lévő szamárium azonban sok mágneses ötvözetben nem játszik fontos szerepet. A gadolinium két pozícióval magasabban van az atomsorban, ami azt jelezheti, hogy az alsó 3A csoportba tartozó elemekhez hasonló, de azokkal ellentétes irányú módosuláson megy keresztül.

Ha egyes ötvözetek viselkedése alapján bizonyos mágneses tulajdonságokat tulajdonítunk a vanádiumnak, akkor a 3A és 4A csoportba tartozó összes II. osztályba tartozó elem megfelelő feltételek mellett rendelkezik bizonyos fokú mágnesezettséggel. A 4A csoportban található mágneses elemek nagyobb száma a 32 csoportelem nagyobb méretét tükrözi, ami ezeket az elemeket a II. A 4A csoport ritkaföldfém-elemeinek mágneses tulajdonságai miatt számos máig megmagyarázhatatlan jellemző van az atomsorok elemeinek helyzetében. Talán ezeknek az elemeknek a viselkedésében tapasztalható egyéb, még megmagyarázhatatlan eltérésekhez kapcsolódnak, amelyeket más fizikai tulajdonságok tárgyalása során észleltek. A II. hasadási elemek és ötvözetek mágneses tulajdonságai átkerülnek egyes vegyületekre. De az olyan egyszerű vegyületek, mint a bináris kloridok, oxidok és így tovább, nem mágnesesek; vagyis nem képesek ferromágneses típusú mágneses töltések befogadására.

ELEKTROMÁGNESSÉG

Az „elektromos” és „mágneses” kifejezéseket D. Larson munkáiban vezették be azzal a tudattal, hogy a „skaláris egydimenziós” és a „skaláris kétdimenziós” szinonimájaként használták őket, nem pedig a viszonylag szűk jelentésük van a mindennapi gyakorlatban. Itt ugyanabban az értelemben használjuk őket, bár a definíciók kiterjesztett köre nem annyira nyilvánvaló, mert most főleg olyan jelenségekkel van dolgunk, amelyeket általában „elektromosnak” vagy „mágnesesnek” szoktak nevezni. A töltetlen elektronok egydimenziós mozgását elektromos áramként, a forgás egydimenziós rezgését elektromos töltésként, a forgás kétdimenziós rezgését pedig mágneses töltésként határoztuk meg. Pontosabban, A mágneses töltés kétdimenziós, forgási eloszlású, vibrációs jellegű skaláris mozgás.

Most már készen állunk olyan mozgások feltárására, amelyek nem töltések, de rendelkeznek a mágneses töltés néhány elsődleges jellemzőjével, vagyis kétdimenziós irányított elosztott skaláris mozgások.

Nézzünk meg egy rövid vezetékdarabot, amelyen elektromos áramot fogunk átvezetni. A vezetőt alkotó anyag gravitációnak van kitéve, ez egy háromdimenziós eloszlású befelé irányuló skaláris mozgás. Amint láttuk, az áram a tér (elektronok) mozgása egy vezető anyagában, ami megegyezik az anyag térbeli skaláris kifelé mozgásával. Így az áram egydimenziós mozgása ellensúlyozza a gravitáció skaláris befelé irányuló mozgásának a térbeli vonatkoztatási rendszer skaláris dimenziójában működő részét.

Ebben a példában tegyük fel, hogy egy vezetődarabban a két ellentétes mozgás egyenlő nagyságú. Ekkor a kapott skaláris dimenzió nulla. Ami a kezdeti háromdimenziós gravitációs mozgásból megmarad, az két másik skaláris dimenzióban lévő, forgó eloszlású skaláris mozgás. Mivel a fennmaradó mozgás skaláris és kétdimenziós, ezért mágnesesés néven ismert elektromágnesesség. Általában az árammérés gravitációs mozgását csak részben közömbösíti az áram, de ez nem változtat az eredmény természetén, csupán csökkenti a mágneses hatás nagyságát.

A fenti magyarázatból világosan látszik, hogy az elektromágnesesség a gravitációs mozgás azon maradványa, amely megmarad, miután a három gravitációs dimenzió valamelyikében a mozgást teljes egészében vagy részben semlegesíti az elektromos áram ellentétes mozgása. Ennélfogva, kétdimenziós skaláris mozgás az áram áramlására merőlegesen. Mivel a kétdimenziós gravitációs mozgást az elektromos áram kifelé irányuló mozgása nem befolyásolja, ennek skaláris befelé iránya van.

A mágneses hatás minden esetben sokkal nagyobb, mint a gravitációs hatás, ami megszűnik, ha a gravitációsan kötött vonatkoztatási rendszerünk összefüggésében vesszük figyelembe. Ez nem azt jelenti, hogy az áram létrehoz valamit. Ez történik: Bizonyos mozgások más típusú mozgásokká alakulnak át, amelyek koncentráltabbak a vonatkoztatási keretben. És hogy megfeleljünk az új helyzet követelményeinek, az energiát kívülről hozzuk be. Amint jeleztük, a különböző számú aktív dimenziójú mozgások nagysága között megfigyelt különbség egy gravitációsan kötött rendszerben való elhelyezkedésünk mesterséges eredménye, ami nagymértékben növeli a méretét. A természetes vonatkoztatási rendszer szempontjából, amelyhez az univerzum ténylegesen alkalmazkodik, az alapvető egységek függetlenek a méréstől; vagyis 1³ = 1² = 1. De Köszönhetően aszimmetrikus elhelyezkedésünknek az univerzumban, a sebesség természetes mértékegysége, az s/t, b-t vesz fel O nagyobb érték, 3x10 10 cm/sec. Olyan mérési együtthatóvá válik, amely a különböző mérési mennyiségek közötti minden összefüggésbe belép..

Például a c² (3x10 10 négyzet) kifejezés az Einstein-egyenletben a tömeg és az energia közötti összefüggésre a tömeget (t³/s³) az energiától (t/s) elválasztó két skaláris dimenzióhoz kapcsolódó együtthatót tükröz. Hasonlóképpen, a kétdimenziós mágneses hatás és a háromdimenziós gravitációs hatás közötti egydimenziós különbség 3x10 10-szeresére teszi a mágneses hatást (ha a cgs rendszerben fejezzük ki). A mágneses hatás kisebb, mint az egydimenziós elektromos befolyás ugyanazzal a tényezővel. Ebből következik, hogy a Coulomb-törvény mágneses megfelelője által meghatározott mágneses töltésegység vagy elektromágneses egység 3x10 10-szer nagyobb, mint az elektromos egység vagy az elektrosztatikus egység. Egy 4,80287x10 -10 elektrosztatikus egységből álló elektromos egység 1,60206x10 -20 elektromágneses egységnek felel meg.

Az áramelemek közötti erők relatív skaláris irányai ellentétesek az elektromos és mágneses töltések által létrehozott erők irányaival, amint az a 23. ábrán látható, amelyet össze kell hasonlítani a 22. ábrával. Az elektromágneses mozgások befelé irányulnak a nullpontok felé, ahonnan a a töltetek mozgása kifelé irányul. Két, azonos irányú áramot vivő, AB vagy A'B vezető, mint a hasonló töltések, egymás felé mozog, amint azt a diagram (a) vonala mutatja, és nem taszítják egymást, ahogy a hasonló töltések sem. Két, BA vagy B'A irányú áramot vivő vezeték, a (c) vonalnak megfelelően, szintén egymás felé mozog. De az ellentétes irányú áramot vezető AB' és BA' vezetők, mint az ellentétes töltések, taszítják egymást, a (b) vonalnak megfelelően.

A mágnesesség két típusa közötti előfordulási és skaláris iránybeli különbségek más módon is megnyilvánulnak. E témák feltárása során kényelmesebb lesz az erőviszonyokat más szemszögből megvizsgálni. A forgási eloszlású skaláris mozgásokról – gravitációs, elektromos és mágneses – ez idáig az egyes objektumok által kifejtett erőkről beszéltünk, amelyek lényegében a szóban forgó hatások pontforrásai. Az elektromágnesességben most kiterjesztett forrásokkal van dolgunk. Valójában ezek a diszkrét források kiterjesztett gyűjteményei, mivel minden fizikai jelenség diszkrét egységek formájában létezik. Ebből következően az elektromágneses hatásokat ugyanúgy lehetne kezelni, mint a könnyebben azonosítható pontforrásokból származó hatásokat, de a kiterjesztett források ilyen megközelítése összetett és nehézkes. Jelentős egyszerűsítés érhető el a terepfogalom bevezetésével.

Ez a megközelítés egyszerűbb gravitációs és elektromos jelenségekre is alkalmazható. Természetesen ma már ez a divatos módja az összes (látható) interakció kezelésének, bár egy alternatív megközelítés jobban megfelel a különálló forrásoknak. A mezők alapvető természetét feltárva a gravitáció helyzetét tekinthetjük, amely sok szempontból a legegyszerűbb jelenség. Mint tudjuk, az A tömegnek AB mozgása van a közelben található B tömeg felé. Ez a mozgás eredendően megkülönböztethetetlen a B atom BA mozgásától. Amennyiben az A tömeg valós mozgását a tehetetlenség gátolja, az A tárgy mozgása a vonatkoztatási rendszerben a B objektum mozgásaként jelenik meg, ami összeadást jelent. ennek a tárgynak a valódi mozgásához.

Az A tömeg B tömegnek tulajdonított gravitációs mozgásának nagyságát úgy határozzuk meg, hogy az A és B tömeg szorzata osztva a két tömeg távolságával, mivel ez a B tömeg mozgása, ha az AB skaláris mozgást tekintjük mozgásnak. mindkét objektumról. Ebből következik, hogy az A objektum közelében lévő minden térbeli helyhez hozzárendelhető egy nagyság és egy irány, ami azt jelzi, hogy egy akkora tömeg milyen módon mozogna az A objektum gravitációs erejének hatására, ha elfoglalná azt a helyet. A helyek és a megfelelő erővektorok kombinációja alkotja az A objektum gravitációs mezőjét. Hasonlóképpen, az elektromos vagy mágneses töltések mozgásának eloszlása ​​határozza meg a töltést körülvevő tér elektromos vagy mágneses terét.

A tömeg- vagy töltésmező magyarázatának matematikai kifejezése megegyezik a jelenleg elfogadott fizikai elméletben szereplővel, de fogalmi alapja egészen más. A hagyományos nézőpont ez. A mező „valami fizikailag valóságos a térben” az izgalmas tárgy körül, és ez a „valami” az erőt fizikailag egyik objektumról a másikra viszi át. A helyzet kritikai elemzése után azonban P. W. Bridgman arra a következtetésre jutott, hogy nincs bizonyíték arra a feltételezésre, hogy ez a „valami” valóban létezik. Azt találjuk a mező nem „valami fizikai”. Ez egyszerűen matematikai következménye annak, hogy a hagyományos vonatkoztatási rendszer nem képes reprezentálni a skaláris mozgás valódi természetét. De a matematikai technika valódi státuszának felismerése nem fosztja meg hasznosságától. A terepi megközelítés továbbra is a legegyszerűbb és legkényelmesebb módja a mágnesesség matematikai kezelésének.

A mágneses töltésmezőt a vizsgálómágnesre ható erő határozza meg. A mágneses pólus, például egy hosszú rúdmágnes egyik vége sugárirányú. Amint az az előző bekezdésekben a mágnesesség eredetének leírásából látható, az elektromos áramot hordozó vezeték tere is sugárirányú lenne (két dimenzióban), ha egy áramelemre ható erővel határozzuk meg. párhuzamos vezető. A mágneses teret elektrosztatikusan szokás definiálni: vagyis a mágnesre vagy elektromágnesre ható erőt tekercs, szolenoid formájában, amely geometriai elrendezéssel ugyanúgy radiális teret hoz létre, mint egy rúdmágnes. . Ha egy áramvezető vezeték mezejét így határozzuk meg, akkor az inkább körülveszi a vezetéket, nem pedig sugárirányban nyúlik. Ekkor a vizsgálómágnesre ható erő merőleges az áramerősség mezőjére és irányára.

Ez közvetlen kihívás a fizikai elmélet számára, nyilvánvaló megsértése az általánosan alkalmazható fizikai elveknek. A fizika még soha nem nézett szembe ilyen kihívással. A fizikusok még csak elfogadható hipotézist sem tudnak felállítani. Tehát egyszerűen megjegyeznek egy anomáliát, a mágneses hatás „furcsa” jellemzőjét. „A mágneses erőnek furcsán irányított jellege van,- mondja Richard Feynman. - Mindegyik példában az erő mindig derékszögben van a sebességvektorral.”. Az áram mozgásának iránya és az erő iránya közötti merőleges kapcsolat azonban nem tűnne furcsának, ha a mágnesek kölcsönhatásba lépnének a mágnesekkel, az áramok pedig az áramokkal. Ebben az esetben az áram mágneses hatása az áramra továbbra is „a sebességvektorra merőleges”, de a mező irányában, nem pedig arra merőlegesen, mivel a mezőt az áram hatása alapján határozzuk meg. áramon. Az áram és a mágnes kölcsönhatása esetén a keletkező erő merőleges a mágneses térre, vagyis a térerősség vektorára. Az elektromágneses térben lévő tesztmágnes nem a mező irányába mozog, ahogyan azt várnánk, hanem merőlegesen.

– Figyeld meg, milyen furcsa az erő iránya. Nem esik egybe sem az áram mezőjével, sem az irányával. Ehelyett az erő merőleges mind az áramerősségre, mind a térvonalra.”

A „furcsa” szó használata ebben az állításban annak implicit beismerése, hogy a merőleges irány okát nem értjük a modern fizikai elmélet kontextusában. A mozgási univerzum fejlődése ismét hiányzó információkat kínál. A helyzet megértésének kulcsa, hogy felismerjük a különbséget a mágneses töltés kifelé irányuló mozgási iránya (ereje) és a befelé irányuló elektromágneses mozgás között.

Nyilvánvaló, hogy az elektromos áram mozgása az egyik skaláris dimenzióban történik, amely eltér a térbeli referenciakeretben ábrázolt mérettől, mivel az áram áramlási iránya általában nem egyezik meg a vezető mozgási irányával. Ezért a mágneses maradvány egy másik nem megfigyelhető dimenzióban és a referenciakeret egy dimenziójában történő mozgásból áll. Ha az egyik áram mágneses hatása kölcsönhatásba lép egy másik áram mágneses hatásával, akkor az A áram mozgásának mérése a referenciakeret mérésével párhuzamosan egybeesik a B áram megfelelő mérésével. Az eredmény egyetlen erő, a kölcsönös vonzás vagy taszítás ereje, csökkentve vagy növelve az A és B közötti távolságot. De ha kölcsönhatás lép fel az A áram és a B mágnes között, akkor a referenciakerettel párhuzamos mérések nem eshetnek egybe, mivel az A áram mozgása (és ennek megfelelő ereje) skaláris befelé, a B mágnes mozgása pedig skaláris kifelé irányul.

Elgondolkodhatunk azon, hogy a befelé és kifelé irányuló mozgásokat miért nem lehet pozitív vagy negatív alapon kombinálni a különbséggel egyenlő végeredménnyel. Ennek az az oka, hogy az A vezető befelé irányuló mozgása a B mágnes irányába egyben a B mágnes A felé irányuló mozgása is, mivel a skaláris mozgás egy kölcsönös folyamat. A mágnes kifelé irányuló mozgása hasonló B-nek A-ból és A-nak B-ből való mozgásához. Ebből következik, hogy mindkét tárgy két külön mozgása, az egyik befelé, a másik kifelé, nem a befelé irányuló mozgás kombinációja. az egyik tárgy és a másik tárgy kifelé irányuló mozgása. Ebből következik, hogy a két mozgásnak különböző skaláris dimenziókban kell történnie. Ezért a mágneses térben lévő áramelemre ható erő (a mozgás erőaspektusa a referenciakeret dimenziójában) merőleges a mezőre.

Ezeket az összefüggéseket a 24. ábra mutatja. A bal oldalon a rúdmágnes egyik vége látható. A mágnes mágnesosztatikus (MS) mezőt hoz létre, amely két skaláris dimenzióban létezik. Bármely skaláris mozgás egyik dimenzióját úgy kell orientálni, hogy egybeessen a referenciakeret méretével. A mozgás megfigyelt MC dimenzióját A-ként fogjuk hivatkozni, nagybetűt használva a megfigyelt állapot demonstrálására, és az MC mezőt vastag vonalként ábrázolva. A mozgás nem megfigyelhető dimenzióját b betű jelöli, és vékony vonal jelöli.

Most az elektromos áramot vezetjük be a harmadik skaláris dimenzióba. Mint fentebb említettük, tájolása egybeesik a referenciakeret méretével, és C betűvel jelöljük. Az áram a és b méretű, C-re merőleges elektromágneses (EM) mezőt hoz létre. Mivel az MC mozgásának skaláris kifelé iránya van, míg az EM mozgásnak befelé van iránya, addig a skalárral a referenciakeret mérésével egybeeső mozgások mérései nem lehetnek azonosak. Ezért az EM mozgás méretei B és a; vagyis a kétféle mágneses mozgás kölcsönhatásának megfigyelt eredménye a B dimenzióban van, merőleges az MC térre és a C áramára.

Az elemi mágnes az elektron; pontosabban nem maga az elektron, hanem a forgása - éppen annak a keréknek a forgása, amelynek alakjában az elektront elképzeljük. Ha az elektromosságban energiahordozóként működik, mint a pneumatikában az atomok és a levegőmolekulák, akkor a mágnesességben más a szerepe: relatív helyzetet és forgást szabályozó elem. Az elmondottak megértéséhez engedjünk meg magunknak még egy képletes összehasonlítást: ha az elektromosságban az elektron olyan, mint egy katona a csatában, akkor a mágnesességben olyan, mint egy sorkatona.

Az elektronnak megvan a mágnes minden tulajdonsága: aktív pólusok és aktív oldal; nekik köszönhetően a többi elektronhoz képest megfelelően igazodik. A mágnes pólusai (jelen esetben az elektron végei) földrajzi neveket kaptak: észak és dél. Ez nem véletlenül történt, a mágneses tűk viselkedését megfigyelve az emberek felfigyeltek a Föld északi és déli pólusára. Ha megértjük, hogy a Föld maga egy mágnes, és mentálisan az űrből az északi pólusra tekintünk, észrevehetjük az óramutató járásával ellentétes forgást (a Nap keleten kel fel és nyugaton nyugszik); ezért a mágnes északi pólusa. A Déli-sarkra nézve megtaláljuk a Föld forgási irányát, természetesen az óramutató járásával megegyezően; analógia szerint a mágnes megfelelő végét déli pólusnak nevezzük. Szerencsére ezek a forgásirányok, összhangban a pólusok nevével, olyannak bizonyultak, amilyennek lenniük kell az elektromágneses jelenségeknél, és ezt az alábbiakban bemutatjuk.

Közben a szemünk előtt egy elektron; és úgy van elhelyezve, hogy a forgástengelye függőleges legyen, és a forgásirány, ha felülről nézzük, az óramutató járásával ellentétes; ezért északi pólusa felül, a déli pólus pedig alul lesz – ismerős földrajzi elrendezés. Az elektron hozzánk legközelebb eső oldala jobbra tolódik el. Egyezzünk meg abban, hogy továbbra is pontosan így képzeljük el egy elektron és bármely mágnes helyét a térben.

Ha több elektron van a közelben, és semmi sem zavarja, akkor ők, mint mi márazt mondták, hogy koaxiálisan beállnak a sorbaegy forgásirány, amely a tengelye körül forgó zsinórt képez; ez is mágnes, csak benne a mágneses pólusok természetesen csak a legkülső elektronokon jelennek meg, és ezek a megnyilvánulások változatlanok maradnak: mindegy, meddignem volt zsinór, pólusai mindig változatlanul befolyásolják a környezetet. Most azt mondhatjuk, hogy az elektrofizikából ismert a mágneses erővonal a koaxiálisan elhelyezkedő és ugyanabban az irányban forgó elektronok; A mágneses erővonal szinonimái a mágneses zsinór és az elektronzsinór.

Az atom teste, amely egy forgó tóruszhéj, definíció szerint egyben mágneses zsinór is, csak ez a zsinór zárt, ezért nincs pólusa. Az elszakadt atom azonban közönséges mágneses zsinórrá válik; közönséges - mágneses megnyilvánulásokban, de szokatlan ezeknek a megnyilvánulásoknak az erősségében: az atom teste sűrűbb és tartósabb.

A zsinórok egyirányú forgása a mágnesnyalábban természetellenes, és csak bizonyos külső hatás mellett tartható fenn; Az atomoknak és az éteri szélnek lehet ilyen hatása.

Egyes vegyi anyagok, például a vas, a nikkel és a kobalt atomjai úgy vannak kialakítva, hogy a hozzájuk kapcsolódó elektronok mágneses zsinórokba rendeződjenek. Ha ezeknek az anyagoknak a megszilárdulásának pillanatában atomjaik úgy vannak elrendezve, hogy az összes mágneses zsinór egy mágnessugarat képezzen, akkor a kapott szilárd test mágnesnek bizonyul. A jövőben egy ilyen természetes mágnes atomjai megtartják a keletkező mágnessugarat, és ellensúlyozzák az egyes mágneses zsinórok azon vágyát, hogy forgásirányukat az ellenkezőjére változtassák. A mágnesnyaláb hatása kiterjed a mágnessel szomszédos, tehát a határain túli terekre is: az ott elhelyezkedő szabad elektronok természetesen sorba rendeződnek, mintha egy szilárd test mágneses zsinórjait építenék fel; Igaz, a zsinórok szabad térben már nem helyezkedhetnek el egymás közelében - az ütköző héjak zavarják -, a szilárd testből kilépő mágneses nyaláb pedig szétlebben.

Egy másik tényező, amely a mágneses sugarat tartja, az éteri szél eltérő sebessége; Ennek a jelenségnek nagy jelentősége van az elektromágnesességben, ezért részletesebben megvizsgáljuk. Képzeljünk el egy bizonyos mágneses zsinórt az éteri áramláson keresztül. Ha az éter sebessége az áramlás keresztmetszetében azonos, akkor az ilyen szél csak meghajlíthatja vagy eltérítheti a zsinórt, de nem befolyásolhatja forgási irányát. Más kérdés, ha az éter sebessége az áramlás keresztmetszetében eltérőnek bizonyul: a zsinór egyik oldalán nagyobb, a másikon pedig kisebb; ekkora különbség a fúvási sebességbenAz éter vagy elősegíti a mágneses zsinór forgását, vagy akadályozza azt. Segítségével a zsinór biztonságban érzi magát, ellenállással viszont előbb-utóbb kénytelen lesz forgásirányt változtatni.

Pontosan ugyanazt a hatást fejti ki a különböző sebességű éteri szél a mágneses sugárra. Ha az átütő éteri áramlás az egyik oldalon nagy sebességgel rendelkezik, és a másik felé haladva csökken, akkor a nyaláb összes mágneses zsinórja ugyanabba az irányba kényszerül forogni, annak ellenére, hogy ezt nem hajlandó megtenni. Ráadásul, a különböző sebességű éteri szél nemcsak orientálja a mágneses zsinórokat, hanem hozzájárul azok kialakulásához is: Azok az elektronok, amelyek ilyen sebességgel egy éteri áramlás hatásmezejében találják magukat, egy irányba fognak igazodniforgások, azaz zsinórokká lesznek egyesítve.

Elektromos térerősség

Az elektromos térerősség a mezőre jellemző vektor, egy adott referenciarendszerben nyugalmi egységnyi elektromos töltésre ható erő.

A feszültséget a következő képlet határozza meg:

$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$

ahol $E↖(→)$ a térerősség; $F↖(→)$ a mező adott pontjában elhelyezett $q$ töltésre ható erő. A $E↖(→)$ vektor iránya egybeesik a pozitív töltésre ható erő irányával és ellentétes a negatív töltésre ható erő irányával.

A feszültség SI mértékegysége volt per méter (V/m).

Ponttöltés térerőssége. A Coulomb-törvény szerint egy $q_0$ ponttöltés egy másik $q$ töltésre akkora erővel hat

$F=k(|q_0||q|)/(r^2)$

Egy $q_0$ ponttöltés térerősségének modulusa tőle $r$ távolságban egyenlő

$E=(F)/(q)=k(|q_0|)/(r^2)$

Az intenzitásvektor az elektromos tér bármely pontjában az ezt a pontot és a töltést összekötő egyenes mentén irányul.

Elektromos erővonalak

Az elektromos teret a térben általában erővonalak ábrázolják. Az erővonalak fogalmát M. Faraday vezette be a mágnesesség tanulmányozása során. Ezt a koncepciót azután J. Maxwell dolgozta ki az elektromágnesességgel kapcsolatos kutatásai során.

Az erővonal vagy az elektromos térerősség vonala olyan egyenes, amelynek érintője minden pontban egybeesik a mező adott pontjában található pozitív ponttöltésre ható erő irányával.

Pozitív töltésű golyó feszültségvonalai;

Két ellentétes töltésű golyó feszültségvonalai;

Két hasonló töltésű golyó feszítővonalai

Két különböző előjelű, de abszolút értékű töltésekkel feltöltött lemez feszültségvonalai.

Az utolsó ábrán látható feszültségvonalak a lemezek közötti térben szinte párhuzamosak, sűrűségük azonos. Ez arra utal, hogy a tér ebben a régiójában egységes a mező. Az elektromos teret homogénnek nevezzük, ha erőssége a tér minden pontjában azonos.

Elektrosztatikus térben az erővonalak nincsenek zárva, mindig pozitív töltésekkel kezdődnek és negatív töltésekkel végződnek. Sehol nem metszik egymást a térvonalak metszéspontja a metszéspontban a térerő irányának bizonytalanságát jelezné. A térvonalak sűrűsége nagyobb töltött testek közelében, ahol nagyobb a térerősség.

Egy feltöltött labda mezője. Egy töltött vezető golyó térerősségét a golyó középpontjától a sugarát meghaladó távolságban $r≥R$ ugyanaz a képlet határozza meg, mint a ponttöltés mezőit. Ezt bizonyítja a mezővonalak eloszlása, hasonlóan a ponttöltés intenzitásvonalainak eloszlásához.

A labda töltete egyenletesen oszlik el a felületén. A vezető labdán belül a térerősség nulla.

Mágneses mező. Mágnes kölcsönhatás

Az állandó mágnesek közötti kölcsönhatás jelensége (mágneses tű létrehozása a Föld mágneses meridiánja mentén, az eltérő pólusok vonzása, a hasonló pólusok taszítása) ősidők óta ismert, és W. Gilbert is szisztematikusan tanulmányozta (az eredményeket 1600-ban megjelent „A mágnesről, a mágneses testekről és a nagy mágnesről – Földről” című értekezésében.

Természetes (természetes) mágnesek

Egyes természetes ásványok mágneses tulajdonságait már az ókorban is ismerték. Így több mint 2000 évvel ezelőtti írásos bizonyítékok állnak rendelkezésre a természetes állandó mágnesek iránytűként való használatáról Kínában. A mágnesek vonzását és taszítását, valamint a vasreszelékek általuk történő mágnesezését az ókori görög és római tudósok művei említik (például Lucretius Cara „A dolgok természetéről” című versében).

A természetes mágnesek mágneses vasérc (magnetit) darabok, amelyek $FeO$-ból (31%) és $Fe_2O$-ból (69%) állnak. Ha egy ilyen ásványi darabot kis vastárgyak - szögek, fűrészpor, vékony penge stb. - közelébe visznek, vonzódni fognak hozzá.

Mesterséges állandó mágnesek

Állandómágnes- ez egy olyan anyagból készült termék, amely állandó mágneses tér autonóm (független, izolált) forrása.

A mesterséges állandó mágnesek speciális ötvözetekből készülnek, amelyek magukban foglalják a vasat, nikkelt, kobaltot stb. Ezek a fémek mágneses tulajdonságokat szereznek (mágneseznek), ha az állandó mágnesekhez közel helyezik őket. Ezért ahhoz, hogy állandó mágneseket készítsenek belőlük, speciálisan erős mágneses mezőben tartják őket, ami után maguk is állandó mágneses tér forrásaivá válnak, és hosszú ideig képesek megőrizni a mágneses tulajdonságokat.

Az ábrán egy ív- és mágnesszalag látható.

ábrán. a mágnesek mágneses mezőinek képei láthatók, amelyeket M. Faraday először alkalmazott kutatásai során: vasreszelékek segítségével, amelyeket egy papírlapra szórtak, amelyen a mágnes fekszik. Minden mágnesnek két pólusa van - ezek a mágneses erővonalak legnagyobb koncentrációjának helyei (ezeket is hívják mágneses erővonalak, vagy mágneses indukciós mező vonalai). Ezek azok a helyek, amelyekhez leginkább vonzódnak a vasreszelékek. Az egyik pólust általában ún északi(($N$), egyéb - déli($S$). Ha két mágnest közel hozol egymáshoz hasonló pólusokkal, láthatod, hogy taszítják, ha pedig ellentétes pólusúak, akkor vonzzák.

ábrán. jól látható, hogy a mágnes mágneses vonalai zárt sorok. Két egymással szemben lévő, hasonló és eltérő pólusú mágnes mágneses erővonalai láthatók. Ezeknek a festményeknek a központi része két (ellentétes és hasonló) töltésű elektromos mező mintázatához hasonlít. Lényeges különbség azonban az elektromos és a mágneses mező között, hogy az elektromos erővonalak töltéseknél kezdődnek és végződnek. Mágneses töltések nem léteznek a természetben. A mágneses erővonalak elhagyják a mágnes északi pólusát és belépnek a délibe, a mágnes testében folytatódnak, azaz, mint fentebb említettük, zárt vonalak. Azokat a mezőket, amelyek mezővonalai zártak, hívjuk örvény. A mágneses mező örvénytér (ez a különbség az elektromostól).

Mágnesek alkalmazása

A legősibb mágneses eszköz a jól ismert iránytű. A modern technológiában a mágneseket nagyon széles körben használják: villanymotorokban, rádiótechnikában, elektromos mérőberendezésekben stb.

A Föld mágneses tere

A földgömb egy mágnes. Mint minden mágnesnek, ennek is megvan a maga mágneses tere és saját mágneses pólusai. Ezért van az iránytű tűje egy bizonyos irányba. Világos, hogy pontosan hova kell mutatnia a mágnestű északi pólusának, mert ellentétes pólusok vonzzák. Ezért a mágnestű északi pólusa a Föld déli mágneses pólusára mutat. Ez a pólus a földgömb északi részén található, némileg távolabb az északi földrajzi pólustól (a Prince of Wales-szigeten - kb. 75°$ északi szélesség és 99°$ nyugati hosszúság, kb. 2100$ km távolságra az északi földrajzi területtől pólus).

Az északi földrajzi pólushoz közeledve a Föld mágneses mezejének erővonalai egyre nagyobb szögben billennek a horizont felé, a déli mágneses pólus tartományában pedig függőlegessé válnak.

A Föld északi mágneses pólusa a déli földrajzi pólus közelében található, nevezetesen a déli szélesség 66,5°$-os és a keleti hosszúság 140°$-a. Itt lépnek ki a mágneses erővonalak a Földből.

Más szóval, a Föld mágneses pólusai nem esnek egybe a földrajzi pólusaival. Ezért a mágneses tű iránya nem esik egybe a földrajzi meridián irányával, és az iránytű mágneses tűje csak hozzávetőlegesen mutatja az északi irányt.

Az iránytűt bizonyos természeti jelenségek is befolyásolhatják, pl. mágneses viharok, amelyek a Föld mágneses mezőjében a naptevékenységgel összefüggő átmeneti változások. A naptevékenységet töltött részecskék, különösen elektronok és protonok sugárzása kíséri a Nap felszínéről. Ezek a nagy sebességgel mozgó patakok saját mágneses mezőt hoznak létre, amely kölcsönhatásba lép a Föld mágneses mezőjével.

A földgömbön (kivéve a mágneses tér rövid távú változásait) vannak olyan területek, ahol a mágnestű iránya állandóan eltér a Föld mágneses vonalának irányától. Ezek azok a területek mágneses anomália(a görög anomáliából - eltérés, rendellenesség). Az egyik legnagyobb ilyen terület a Kurszki mágneses anomália. Az anomáliákat a viszonylag sekély mélységben található hatalmas vasérclerakódások okozzák.

A Föld mágneses tere megbízhatóan védi a Föld felszínét a kozmikus sugárzástól, melynek élő szervezetekre gyakorolt ​​hatása pusztító.

A bolygóközi űrállomások és hajók repülései lehetővé tették annak megállapítását, hogy a Holdnak és a Vénusz bolygónak nincs mágneses tere, míg a Mars bolygón nagyon gyenge.

Oerstedai ​​​​Ampere kísérletei. Mágneses tér indukció

1820-ban a dán tudós, G. H. Oersted felfedezte, hogy egy olyan vezető közelében elhelyezett mágneses tű forog, amelyen keresztül áramlik, és merőleges a vezetőre.

G. H. Oersted kísérletének diagramja az ábrán látható. Az áramforrás áramkörében található vezető a mágnestű felett helyezkedik el, annak tengelyével párhuzamosan. Amikor az áramkör zárva van, a mágneses tű eltér az eredeti helyzetétől. Az áramkör nyitásakor a mágnestű visszatér eredeti helyzetébe. Ebből következik, hogy az áramvezető vezető és a mágnestű kölcsönhatásba lép egymással. E kísérlet alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy van egy mágneses tér, amely a vezetőben áramló áramhoz és ennek a mezőnek az örvényszerűségéhez kapcsolódik. A leírt kísérlet és annak eredményei Oersted legfontosabb tudományos eredményei voltak.

Ugyanebben az évben Ampere francia fizikus, aki érdeklődött Oersted kísérletei iránt, felfedezte két egyenes vezető és az áram kölcsönhatását. Kiderült, hogy ha a vezetőkben az áramok egy irányban haladnak, azaz párhuzamosak, akkor a vezetők vonzanak, ha ellentétes irányúak (azaz ellenpárhuzamosak), akkor taszítják.

Az áramvezetők közötti kölcsönhatásokat, azaz a mozgó elektromos töltések közötti kölcsönhatásokat mágnesesnek, az áramvezetők egymásra ható erőit pedig mágneses erőknek nevezzük.

A rövid hatótávolságú hatás elmélete szerint, amelyhez M. Faraday ragaszkodott, az egyik vezetőben lévő áram nem befolyásolhatja közvetlenül a másik vezető áramát. Hasonlóan az álló elektromos töltésekhez, amelyek körül elektromos tér van, arra a következtetésre jutottak az áramlatokat körülvevő térben mágneses tér van, amely valamilyen erővel hat egy másik, ebbe a mezőbe helyezett áramvezető vezetékre vagy egy állandó mágnesre. A második áramvezető által létrehozott mágneses tér viszont az első vezetőben lévő áramra hat.

Ahogyan az elektromos mezőt az ebbe a mezőbe bevitt teszttöltésre gyakorolt ​​hatása alapján észleljük, a mágneses mezőt a mágneses mezőnek a kereten lévő orientáló hatása révén lehet kimutatni, kis áramerősséggel (azokhoz a távolságokhoz képest, amelyeknél a mágneses tér mező észrevehetően megváltozik) méretei.

A keretet áramot adó vezetékeket össze kell fonni (vagy egymáshoz közel helyezni), ekkor a mágneses tér által ezekre a vezetékekre kifejtett erő nulla lesz. Az ilyen áramhordozó keretre ható erők úgy forgatják el, hogy síkja merőleges lesz a mágneses tér indukciós vonalaira. A példában a keret úgy fog forogni, hogy az áramvezető vezeték a keret síkjában legyen. Amikor az áram iránya a vezetőben megváltozik, a keret 180°$-ral elfordul. Az állandó mágnes pólusai közötti mezőben a keret a mágnes mágneses erővonalaira merőleges síkkal fog elfordulni.

Mágneses indukció

A mágneses indukció ($B↖(→)$) egy vektorfizikai mennyiség, amely a mágneses teret jellemzi.

A $B↖(→)$ mágneses indukciós vektor iránya a következő:

1) mágneses térben szabadon elhelyezett mágnestű iránya a $S$ déli pólustól az $N$ északi pólusig, vagy

2) a pozitív normál iránya egy zárt áramkörhöz, rugalmas felfüggesztésen, szabadon elhelyezve mágneses térben. Pozitívnak számít az a normál (jobbmenetes) karmantyú hegyének mozgása felé, amelynek fogantyúja a keretben az áram irányába van elforgatva.

Nyilvánvaló, hogy az 1) és 2) irány egybeesik, amit Ampere kísérletei határoztak meg.

Ami a mágneses indukció nagyságát (azaz modulusát) $B$ illeti, amely a tér erősségét jellemezheti, a kísérletek megállapították, hogy az a maximális erő $F$, amellyel a tér egy (merőlegesen elhelyezett) áramvezető vezetőre hat. az indukciós vonalak mágneses mezőjéhez), függ a vezetőben lévő $I$ áramerősségtől és annak $∆l$ hosszától (ezekkel arányos). Az áramelemre ható (egységnyi hosszúságú és áramerősségű) erő azonban csak magától a mezőtől függ, azaz egy adott mezőre vonatkozó $(F)/(I∆l)$ arány állandó érték (hasonlóan a erő/töltés aránya elektromos térre). Ezt az értéket a következőképpen határozzuk meg mágneses indukció.

A mágneses tér indukciója egy adott pontban egyenlő az áramot vezető vezetőre ható maximális erő és a vezető hosszának és az erre a pontra helyezett vezetékben lévő áramerősség arányával.

Minél nagyobb a mágneses indukció a mező adott pontjában, annál nagyobb erő hat a tér azon a pontján egy mágneses tűre vagy egy mozgó elektromos töltésre.

A mágneses indukció SI mértékegysége tesla(Tl), Nikola Tesla szerb villamosmérnökről nevezték el. A képletből látható, hogy $1$ T $=l(H)/(A m)$

Ha a mágneses térnek több különböző forrása van, amelyek indukciós vektorai a tér adott pontjában egyenlőek: $(В_1)↖(→), (В_2)↖(→), (В_3)↖(→),. ..$, akkor szerint a mezőszuperpozíció elve, a mágneses tér indukciója ezen a ponton egyenlő a létrehozott mágneses tér indukciós vektorok összegével minden forrás.

$В↖(→)=(В_1)↖(→)+(В_2)↖(→)+(В_3)↖(→)+...$

Mágneses indukciós vonalak

A mágneses mező vizuális ábrázolására M. Faraday bevezette a koncepciót mágneses erővonalak, amelyet kísérletei során többször is bebizonyított. Kartonra szórt vasreszelékkel könnyen képet kaphatunk a terepvonalakról. Az ábrán láthatók: egyenáram mágneses indukciós vonalai, mágnesszelep, köráram, egyen mágnes.

Mágneses indukciós vonalak, vagy mágneses erővonalak, vagy egyszerűen mágneses vonalak olyan egyeneseknek nevezzük, amelyek érintői bármely pontban egybeesnek a mező ezen pontjában lévő $B↖(→)$ mágneses indukciós vektor irányával.

Ha vasreszelék helyett kis mágneses tűket helyezünk egy hosszú, egyenes áramvezető vezeték köré, akkor nemcsak a térerővonalak (koncentrikus körök) konfigurációját láthatjuk, hanem a térvonalak irányát is (az északi pólus). a mágneses tű jelzi az indukciós vektor irányát egy adott pontban).

Az előremenő áram mágneses tér iránya meghatározható jobb gimlet szabály.

Ha a gimlet fogantyúját úgy forgatja, hogy a kardán hegyének transzlációs mozgása az áram irányát jelezze, akkor a kardán fogantyújának forgásiránya az áram mágneses erővonalainak irányát jelzi.

Az előremenő áram mágneses tér iránya is meghatározható a segítségével a jobb kéz első szabálya.

Ha jobb kezével megfogja a vezetőt, és a behajlított hüvelykujját az áram irányába irányítja, akkor az egyes pontokban a megmaradt ujjak hegyei az indukciós vektor irányát mutatják ezen a ponton.

Vortex mező

A mágneses indukciós vonalak zártak, ami azt jelzi, hogy a természetben nincsenek mágneses töltések. Azokat a mezőket, amelyek mezővonalai zártak, örvénymezőknek nevezzük. Vagyis a mágneses tér örvénymező. Ez eltér a töltések által létrehozott elektromos tértől.

Szolenoid

A mágnesszelep egy huzaltekercs, amely áramot szállít.

A mágnesszelepet a $n$ egységnyi hosszon, $l$ hosszon és $d$ átmérőnkénti fordulatok száma jellemzi. A szolenoidban lévő huzal vastagsága és a spirál menetemelkedése (spirálvonal) kicsi a $d$ átmérőjéhez és $l$ hosszához képest. A „szolenoid” kifejezést tágabb értelemben is használják - így nevezik azokat a tekercseket, amelyek tetszőleges keresztmetszetűek (négyzet alakú mágnesszelep, téglalap alakú mágnesszelep), és nem feltétlenül hengeres alakúak (toroid mágneses). Van hosszú mágnesszelep ($l>>d$) és rövid ($l

A mágnesszelepet 1820-ban A. Ampere találta fel, hogy fokozza az X. Oersted által felfedezett és D. Arago által az acélrudak mágnesezésével kapcsolatos kísérletekben használt áram mágneses hatását. A szolenoid mágneses tulajdonságait Ampere kísérletileg tanulmányozta 1822-ben (ugyanakkor bevezette a „szolenoid” kifejezést). Megállapították a mágnesszelep és az állandó természetes mágnesek egyenértékűségét, ami megerősítette Ampere elektrodinamikai elméletét, amely a mágnesességet a testekben elrejtett gyűrűs molekuláris áramok kölcsönhatásával magyarázta.

A szolenoid mágneses erővonalait az ábra mutatja. Ezen vonalak irányát a segítségével határozzuk meg a jobb kéz második szabálya.

Ha a jobb tenyerével összefogja a mágnesszelepet, négy ujját az áram mentén irányítva a kanyarokban, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi a mágneses vonalak irányát a szolenoid belsejében.

Ha összehasonlítjuk a mágnestekercs mágneses terét egy állandó mágnes mezőjével, láthatjuk, hogy nagyon hasonlóak. A mágneshez hasonlóan a mágnesszelepnek is két pólusa van - északi ($N$) és déli ($S$). Az Északi-sark az, ahonnan mágneses vonalak emelkednek ki; a déli sarkon lépnek be. A mágnesszelep északi pólusa mindig azon az oldalon található, amelyre a tenyér hüvelykujja mutat, amikor a jobb kéz második szabályának megfelelően van elhelyezve.

Mágnesként egy tekercs formájú, nagy fordulatszámú mágnesszelepet használnak.

A szolenoid mágneses terének vizsgálatai azt mutatják, hogy a szolenoid mágneses hatása növekszik az áramerősség és a szolenoid fordulatszámának növekedésével. Ezen túlmenően a mágnestekercs vagy az áramvezető tekercs mágneses hatását fokozzák, ha vasrudat vezetünk bele, ami ún. mag.

Elektromágnesek

Egy vasmagos mágnesszelepet nevezünk elektromágnes.

Az elektromágnesek nem egy, hanem több tekercset (tekercset) tartalmazhatnak, és különböző alakú magjai lehetnek.

Ilyen elektromágnest először W. Sturgeon angol feltaláló épített meg 1825-ben. 0,2 USD kg tömegével W. Sturgeon elektromágnese 36 USD N súlyú terhelést tartott. Ugyanebben az évben J. Joule növelte a elektromágnes 200 $ N-ra, majd hat évvel később J. Henry amerikai tudós épített egy 300 $ kg súlyú elektromágnest, amely 1 $ t súlyú terhet képes elviselni!

A modern elektromágnesek több tíz tonna súlyú terheket is képesek felemelni. A gyárakban nehéz vas- és acéltermékek mozgatásakor használják. Az elektromágneseket a mezőgazdaságban és más iparágakban is használják számos növény szemének megtisztítására a gyomoktól.

Amper teljesítmény

A $∆l$ vezeték azon egyenes szakaszára, amelyen $I$ áram folyik, $B$ indukciójú mágneses térben $F$ erő hat.

Ennek az erőnek a kiszámításához használja a következő kifejezést:

$F=B|I|∆lsinα$

ahol $α$ a $B↖(→)$ vektor és a vezetőszakasz árammal (áramelem) iránya közötti szög; Az áramelem irányának azt az irányt vesszük, amelyben az áram áthalad a vezetőn. Az $F$ erőt nevezzük Amper erő A. M. Ampere francia fizikus tiszteletére, aki elsőként fedezte fel a mágneses mező hatását az áramvezetőre. (Valójában Ampere felállított egy törvényt az áramvezető vezetők két eleme közötti kölcsönhatás erejére. A nagy hatótávolságú hatás elméletének híve volt, és nem használta a mező fogalmát.

A hagyomány szerint és a tudós érdemeinek emlékére azonban a mágneses tér áramvezető vezetőjére ható erő kifejezését Ampere-törvénynek is nevezik.)

Az Amper erő irányát a bal oldali szabály segítségével határozzuk meg.

Ha bal kezed tenyerét úgy helyezed el, hogy a mágneses erővonalak merőlegesen menjenek be, és a négy kinyújtott ujj jelzi az áram irányát a vezetőben, akkor a kinyújtott hüvelykujj az áramerősségre ható erő irányát jelzi. hordozó karmester. Így az Amper-erő mindig merőleges mind a mágneses tér indukciós vektorára, mind a vezetőben lévő áram irányára, azaz merőleges arra a síkra, amelyben ez a két vektor található.

Az Amper-erő következménye az áramot szállító keret állandó mágneses térben való forgása. Ez sok készülékben gyakorlati alkalmazásra talál, pl. elektromos mérőműszerek- galvanométerek, ampermérők, ahol egy mozgatható keret forog árammal az állandó mágnes terében és a kerethez rögzített mutató eltérítési szöge alapján, meg lehet ítélni az áramkörben folyó áram nagyságát.

A mágneses tér forgó hatásának köszönhetően az áramvezető kereten lehetővé vált a létrehozása és használata is villanymotorok- olyan gépek, amelyekben az elektromos energiát mechanikai energiává alakítják.

Lorentz erő

A Lorentz-erő olyan erő, amely külső mágneses térben mozgóponti elektromos töltésre hat.

H. A. Lorenz holland fizikus a 19. század végén. megállapította, hogy a mágneses tér által a mozgó töltött részecskére kifejtett erő mindig merőleges a részecske mozgási irányára és annak a mágneses mezőnek az erővonalaira, amelyben ez a részecske mozog.

A Lorentz-erő iránya a bal oldali szabály segítségével határozható meg.

Ha bal kezed tenyerét úgy helyezed el, hogy a négy kinyújtott ujj a töltés mozgásának irányát jelölje, és a mágneses indukciós tér vektora a tenyérbe kerül, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi a rá ható Lorentz-erő irányát. a pozitív töltés.

Ha a részecske töltése negatív, akkor a Lorentz-erő az ellenkező irányba fog irányulni.

A Lorentz-erő modulusa könnyen meghatározható az Ampere-törvényből, és a következő:

ahol $q$ a részecske töltése, $υ$ mozgásának sebessége, $α$ a sebesség és a mágneses tér indukciós vektora közötti szög.

Ha a mágneses téren kívül olyan elektromos tér is van, amely $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$ erővel hat a töltésre, akkor a töltésre ható összerő egyenlő:

$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$

Ezt a teljes erőt gyakran Lorentz-erőnek, a $F=|q|υBsinα$ képlettel kifejezett erőt pedig a Lorentz-erő mágneses része.

Mivel a Lorentz-erő merőleges a részecske mozgási irányára, nem tudja megváltoztatni a sebességét (nem működik), hanem csak a mozgás irányát tudja megváltoztatni, azaz meghajlítja a pályát.

Az elektronok pályájának ezt a görbületét a TV-képcsőben könnyű megfigyelni, ha állandó mágnest visz a képernyőjére: a kép torz lesz.

Töltött részecske mozgása egyenletes mágneses térben. Hagyja, hogy egy töltött részecske $υ$ sebességgel repüljön a feszültségvonalakra merőleges egyenletes mágneses térbe. A mágneses tér által a részecskére kifejtett erő hatására egyenletesen forog egy r sugarú körben, amit Newton második törvénye, a centripetális gyorsulás kifejezése és a $F=|q|υBsinα$ képlet segítségével könnyű megtalálni:

$(mυ^2)/(r)=|q|υB$

Innen kapunk

$r=(mυ)/(|q|B)$

ahol $m$ a részecske tömege.

A Lorentz-erő alkalmazása. A mágneses tér mozgó töltésekre gyakorolt ​​hatását használják például a tömegspektrográfok, amelyek lehetővé teszik a töltött részecskék fajlagos töltéseik, azaz a részecske töltésének és tömegének aránya alapján történő elkülönítését, valamint a kapott eredményekből a részecskék tömegének pontos meghatározását.

A készülék vákuumkamrája egy mezőbe kerül (a $B↖(→)$ indukciós vektor merőleges az ábrára). Az elektromos tér által felgyorsított, feltöltött részecskék (elektronok vagy ionok), amelyek ívet írtak le, a fényképezőlapra esnek, ahol olyan nyomot hagynak, amely lehetővé teszi a $r$ pálya sugarának nagy pontosságú mérését. Ez a sugár határozza meg az ion fajlagos töltését. Egy ion töltésének ismeretében könnyű kiszámítani a tömegét.

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Az állandó mágnesek mágneses tere létezésének megmagyarázására Ampere azt javasolta, hogy mikroszkopikus körkörös áramok léteznek egy mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagban (ezeket ún. molekuláris). Ez az elképzelés az elektron felfedezése és az atom szerkezetének felfedezése után fényesen beigazolódott: ezek az áramok az elektronok atommag körüli mozgása által jönnek létre, és azonos orientációjuk révén összességében mezőt hoznak létre körül és belül. a mágnes.

ábrán. a síkok, amelyekben az elemi elektromos áramok elhelyezkednek, az atomok kaotikus hőmozgása miatt véletlenszerűen orientáltak, és az anyag nem mutat mágneses tulajdonságokat. Mágneses állapotban (például külső mágneses tér hatására) ezek a síkok azonosan orientáltak, és hatásuk összeadódik.

Mágneses permeabilitás. A közeg reakcióját egy külső mágneses tér hatására $B_0$ indukcióval (vákuumtér) a $μ$ mágneses szuszceptibilitás határozza meg:

ahol $B$ a mágneses tér indukciója az anyagban. A mágneses permeabilitás hasonló a $ε$ dielektromos állandóhoz.

Mágneses tulajdonságaik alapján az anyagokat felosztják Diamágnesek, paramágnesek és ferromágnesek. Diamágneses anyagoknál a közeg mágneses tulajdonságait jellemző $μ$ együttható kisebb, mint $1$ (például bizmutnál $μ = 0,999824$); paramágneseknél $μ > 1$ (platinánál $μ = 1,00036 $); ferromágneseknél $μ >> 1$ (vas, nikkel, kobalt).

A diamágneseket mágnes taszítja, a paramágneses anyagokat vonzza. Ezen jellemzők alapján megkülönböztethetők egymástól. A legtöbb anyag esetében a mágneses permeabilitás gyakorlatilag nem különbözik az egységtől, csak a ferromágneseknél haladja meg ezt jelentősen, elérve a több tízezer egységet.

Ferromágnesek. A ferromágnesek mutatják a legerősebb mágneses tulajdonságokat. A ferromágnesek által létrehozott mágneses mezők sokkal erősebbek, mint a külső mágnesező tér. Igaz, a ferromágnesek mágneses tere nem az elektronok atommagok körüli forgása következtében jön létre - orbitális mágneses momentum, és az elektron saját forgása miatt - saját mágneses momentuma, az ún spin.

A Curie-hőmérséklet ($T_c$) az a hőmérséklet, amely felett a ferromágneses anyagok elvesztik mágneses tulajdonságaikat. Ez minden ferromágnesnél más. Például vasnál $Т_с = 753°$С, nikkelnél $Т_с = 365°$С, kobaltnál $Т_с = 1000°$ С Vannak ferromágneses ötvözetek, amelyek értéke $Т_с

A ferromágnesek mágneses tulajdonságainak első részletes vizsgálatát a kiváló orosz fizikus, A. G. Stoletov (1839-1896) végezte.

A ferromágneseket nagyon széles körben használják: állandó mágnesként (elektromos mérőműszerekben, hangszórókban, telefonokban stb.), acélmagként transzformátorokban, generátorokban, villanymotorokban (a mágneses tér fokozása és az elektromosság megtakarítása érdekében). A ferromágneses anyagokból készült mágnesszalagok hangot és képet rögzítenek magnetofonokhoz és videomagnókhoz. Az információkat vékony mágneses fóliákra rögzítik az elektronikus számítógépek tárolóeszközeihez.

Lenz szabálya

A Lenz-szabályt (Lenz-törvényt) E. H. Lenz hozta létre 1834-ben. Finomítja az elektromágneses indukció törvényét, amelyet M. Faraday fedezett fel 1831-ben. A Lenz-szabály határozza meg az indukált áram irányát egy zárt hurokban, amikor az külső mágneses térben mozog.

Az indukciós áram iránya mindig olyan, hogy a mágneses térből származó erők ellensúlyozzák az áramkör mozgását, és az ezen áram által létrehozott mágneses fluxus $Ф_1$ kompenzálja a külső mágneses fluxus $Ф_e$ változásait.

A Lenz-törvény az elektromágneses jelenségek energiamaradásának törvényének kifejezése. Valóban, amikor egy zárt hurok mágneses térben mozog külső erők hatására, akkor bizonyos munkát kell végezni azokkal az erőkkel szemben, amelyek az indukált áram és a mágneses tér kölcsönhatása következtében keletkeznek, és a mozgással ellentétes irányba irányulnak. .

Lenz szabályát az ábra szemlélteti. Ha az állandó mágnest egy galvanométerhez zárt tekercsbe helyezik, akkor a tekercsben indukált áram olyan irányú lesz, hogy olyan mágneses teret hozzon létre, amelynek $B"$ vektora a mágnes tere $B$ indukciós vektorával ellentétes irányban irányul, azaz kinyomja a mágnest a tekercsből, vagy megakadályozza annak mozgását, ha egy mágnest kihúzunk a tekercsből, ellenkezőleg, az indukciós áram által létrehozott mező vonzza a tekercset, azaz ismét megakadályozza annak mozgását.

A Lenz-szabály alkalmazásához az áramkörben indukált $I_e$ áram irányának meghatározására, kövesse ezeket az ajánlásokat.

1. Állítsa be a külső mágneses tér $B↖(→)$ mágneses indukciós vonalainak irányát.
2. Nézze meg, hogy ennek a mezőnek a mágneses indukciós fluxusa a körvonal által határolt felületen keresztül ($∆Ф > 0$) növekszik vagy csökken ($∆Ф
3. Állítsa be az indukált áram $I_i$ mágneses mezőjének $В"↖(→)$ mágneses indukciós vonalainak irányát. Ezeket a vonalakat Lenz szabálya szerint a $В↖(→)$ vonalakkal ellentétes irányba kell irányítani. , ha $∆Ф > 0$, és irányuk megegyezik velük, ha $∆Ф
4. A $B"↖(→)$ mágneses indukciós vonalak irányának ismeretében határozza meg a $I_i$ indukciós áram irányát gimlet szabály.

Gyakran előfordul, hogy egy problémát nem lehet megoldani, mert nincs kéznél a szükséges képlet. Nem a leggyorsabb a képlet levezetése a kezdetektől, de minden perc számít számunkra.

Az alábbiakban összegyűjtöttük az „Elektromosság és mágnesesség” témával kapcsolatos alapképleteket. Most, amikor problémákat old meg, ezt az anyagot referenciaként használhatja, hogy ne pazarolja az időt a szükséges információk keresésére.

Mágnesesség: definíció

A mágnesesség az elektromos töltések mágneses mezőn keresztül történő kölcsönhatása.

Terület - az anyag speciális formája. A standard modellen belül vannak elektromos, mágneses, elektromágneses mezők, nukleáris erőtér, gravitációs tér és Higgs mező. Talán vannak más hipotetikus területek is, amelyekről csak találgathatunk, vagy egyáltalán nem sejtünk. Ma a mágneses tér érdekel bennünket.

Mágneses indukció

Ahogyan a töltött testek elektromos teret hoznak létre maguk körül, a mozgó töltött testek mágneses teret hoznak létre. A mágneses mező nemcsak mozgó töltések (elektromos áram) hatására jön létre, hanem hat is rájuk. Valójában a mágneses mezőt csak a mozgó töltésekre gyakorolt ​​hatása alapján lehet észlelni. És az Amper-erőnek nevezett erővel hat rájuk, amiről később lesz szó.

Mielőtt konkrét képleteket adnánk, beszélnünk kell a mágneses indukcióról.

A mágneses indukció a mágneses mezőre jellemző erővektor.

A betűvel van jelölve B és benne van mérve Tesla (Tl) . Az elektromos tér intenzitásának analógiájával E A mágneses indukció megmutatja, hogy a mágneses tér milyen erősen hat a töltésre.

Mellesleg sok érdekes tényt talál ebben a témában cikkünkben.

Hogyan határozható meg a mágneses indukciós vektor iránya? Itt a kérdés gyakorlati oldala érdekel bennünket. A problémák leggyakrabban előforduló esete egy áramvezető által létrehozott mágneses tér, amely lehet közvetlen, vagy kör vagy tekercs alakú.

A mágneses indukciós vektor irányának meghatározására van jobb kéz szabálya. Készüljön fel az absztrakt és térbeli gondolkodásra!

Ha a jobb kezébe veszi a vezetőt úgy, hogy a hüvelykujja az áram irányába mutasson, akkor a vezető köré görbülő ujjak a vezető körüli mágneses erővonalak irányát mutatják. A mágneses indukciós vektor minden pontban tangenciálisan irányul az erővonalak felé.

Amper teljesítmény

Képzeljük el, hogy van egy indukciós mágneses tér B. Ha hosszúságú vezetőt helyezünk el l , amelyen keresztül áram folyik én , akkor a mező a következő erővel hat a vezetőre:

Az az ami Amper teljesítmény . Sarok alfa – a mágneses indukciós vektor iránya és a vezetőben folyó áram iránya közötti szög.

Az Amper-erő irányát a bal kéz szabálya határozza meg: ha a bal kezét úgy helyezi el, hogy a mágneses indukció vonalai a tenyérbe kerüljenek, és a kinyújtott ujjak az áram irányát jelzik, a kinyújtott hüvelykujj jelzi az áram irányát. az Amper-erő.

Lorentz erő

Megtudtuk, hogy a mező egy áramvezető vezetőre hat. De ha ez így van, akkor kezdetben minden mozgó töltésre külön hat. Azt az erőt, amellyel a mágneses tér a benne mozgó elektromos töltésre hat, ún Lorentz erő . Itt fontos megjegyezni a szót "mozgó", így a mágneses tér nem hat az álló töltésekre.

Tehát egy töltéssel rendelkező részecske q mágneses térben indukcióval mozog BAN BEN sebességgel v , A alfa a részecskesebesség-vektor és a mágneses indukcióvektor közötti szög. Ekkor a részecskékre ható erő:

Hogyan határozzuk meg a Lorentz-erő irányát? A bal kéz szabálya szerint. Ha az indukciós vektor belép a tenyérbe, és az ujjak a sebesség irányába mutatnak, akkor a hajlított hüvelykujj a Lorentz-erő irányát mutatja. Vegye figyelembe, hogy a pozitív töltésű részecskék irányát így határozzák meg. Negatív töltéseknél a keletkező irányt meg kell fordítani.

Ha egy tömegrészecske m az indukciós vonalakra merőlegesen repül a mezőbe, akkor körben mozog, és a Lorentz-erő centripetális erő szerepét tölti be. A kör sugara és a részecske forgási periódusa egyenletes mágneses térben a következő képletekkel határozható meg:

Az áramok kölcsönhatása

Vegyünk két esetet. Az első az, hogy az áram egy egyenes vezetéken keresztül folyik. A második körkörös fordulatban van. Mint tudjuk, az áram mágneses teret hoz létre.

Az első esetben egy áramvezető vezeték mágneses indukciója én a távolságon R képlettel számítjuk ki:

Mu – az anyag mágneses permeabilitása, mu nulla indexszel - mágneses állandó.

A második esetben a mágneses indukció a kör alakú tekercs közepén árammal egyenlő:

Problémamegoldáskor is hasznos lehet a mágnesszelepen belüli mágneses tér képlete. - ez egy tekercs, azaz sok körkörös fordulat árammal.

Legyen a számuk N , és magának a mágnesszelepnek a hossza az l . Ezután a mágnesszelep belsejében lévő mezőt a következő képlettel számítjuk ki:

Apropó! Olvasóink most 10% kedvezményt kapnak

Mágneses fluxus és emf

Ha a mágneses indukció egy mágneses térre jellemző vektor, akkor mágneses fluxus egy skaláris mennyiség, ami egyben a mező egyik legfontosabb jellemzője. Képzeljük el, hogy van valamilyen keretünk vagy kontúrunk, amelynek van egy bizonyos területe. A mágneses fluxus azt mutatja meg, hogy egy egységnyi területen hány erővonal halad át, vagyis a tér intenzitását jellemzi. Bemérve Weberach (Wb) és ki van jelölve F .

S - kontúr terület, alfa – a kontúrsíkra merőleges (merőleges) szög és a vektor BAN BEN .

Amikor a mágneses fluxus egy áramkörön keresztül változik, a EMF , egyenlő az áramkörön áthaladó mágneses fluxus változási sebességével. Az elektromotoros erőről egyébként egy másik cikkünkben olvashat bővebben.

Lényegében a fenti képlet a Faraday-féle elektromágneses indukciós törvény képlete. Emlékeztetünk arra, hogy bármely mennyiség változási sebessége nem más, mint annak időbeli deriváltja.

Az ellenkezője igaz a mágneses fluxusra és az indukált emf-re is. Az áramkörben bekövetkező áramváltozás a mágneses tér megváltozásához, és ennek megfelelően a mágneses fluxus változásához vezet. Ebben az esetben önindukciós EMF keletkezik, amely megakadályozza az áramkör változását. Az áramvezető áramkörbe behatoló mágneses fluxust saját mágneses fluxusának nevezik, arányos az áramkörben lévő áramerősséggel, és a következő képlettel számítják ki:

L – arányossági együttható, az úgynevezett induktivitás, amelynek mértéke Henry (Gn) . Az induktivitást befolyásolja az áramkör alakja és a közeg tulajdonságai. Hosszú orsóhoz l és a fordulatok számával N Az induktivitás kiszámítása a következő képlettel történik:

Az önindukált emf képlete:

Mágneses mező energia

Villamos energia, atomenergia, mozgási energia. A mágneses energia az energia egyik formája. Fizikai problémák esetén leggyakrabban egy tekercs mágneses mezőjének energiáját kell kiszámítani. Az áramtekercs mágneses energiája én és az induktivitás L egyenlő:

Térfogatmező energiasűrűsége:

Természetesen ezek nem mind a fizika rész alapképletei « elektromosság és mágnesesség » , azonban gyakran segíthetnek a szokásos problémákban és számításokban. Ha egy csillaggal jelölt problémába ütközik, és egyszerűen nem találja a kulcsot, könnyítse meg életét, és kérjen megoldást a következő címen: