Salah satu bagian terpenting fisika modern adalah interaksi elektromagnetik dan semua definisi yang terkait dengannya. Interaksi inilah yang menjelaskan semua fenomena listrik. Teori listrik mencakup banyak bidang lain, termasuk optik, karena cahaya adalah radiasi elektromagnetik. Pada artikel ini, kami akan mencoba menjelaskan esensi arus listrik dan gaya magnet dalam bahasa yang mudah dipahami.
Magnetisme adalah fondasi dari fondasi
Sebagai anak-anak, orang dewasa menunjukkan kepada kita berbagai trik sulap menggunakan magnet. Patung-patung yang luar biasa ini, yang tertarik satu sama lain dan dapat menarik mainan kecil, selalu menyenangkan mata anak-anak. Apa itu magnet dan bagaimana gaya magnet bekerja pada bagian besi?
Menjelaskan dalam bahasa ilmiah, Anda harus beralih ke salah satu hukum dasar fisika. Menurut hukum Coulomb dan teori relativitas khusus, gaya tertentu bekerja pada muatan, yang berbanding lurus dengan kecepatan muatan itu sendiri (v). Interaksi ini disebutgaya magnet.
Fitur Fisik
Secara umum, harus dipahami bahwa fenomena magnet apa pun hanya terjadi ketika muatan bergerak di dalam konduktor atau dengan adanya arus di dalamnya. Ketika mempelajari magnet dan definisi magnetisme, harus dipahami bahwa mereka terkait erat dengan fenomena arus listrik. Oleh karena itu, mari kita pahami esensi dari arus listrik.
Gaya listrik adalah gaya yang bekerja antara elektron dan proton. Secara numerik jauh lebih besar daripada nilai gaya gravitasi. Ini dihasilkan oleh muatan listrik, atau lebih tepatnya, oleh gerakannya di dalam konduktor. Muatan, pada gilirannya, terdiri dari dua jenis: positif dan negatif. Seperti yang Anda ketahui, partikel bermuatan positif tertarik pada partikel bermuatan negatif. Namun, muatan dengan tanda yang sama cenderung saling tolak.
Jadi, ketika muatan ini mulai bergerak di dalam konduktor, arus listrik muncul di dalamnya, yang dijelaskan sebagai rasio jumlah muatan yang mengalir melalui konduktor dalam 1 detik. Gaya yang bekerja pada konduktor dengan arus dalam medan magnet disebut gaya Ampere dan ditemukan menurut aturan "tangan kiri".
Data empiris
Anda dapat menemukan interaksi magnetik dalam kehidupan sehari-hari ketika berhadapan dengan magnet permanen, induktor, relai, atau motor listrik. Masing-masing memiliki medan magnet yang tidak terlihat oleh mata. Itu dapat dilacak hanya dengan tindakannya, yangmempengaruhi partikel bergerak dan benda magnet.
Gaya yang bekerja pada konduktor pembawa arus dalam medan magnet dipelajari dan dijelaskan oleh fisikawan Prancis Ampre. Tidak hanya gaya ini dinamai menurut namanya, tetapi juga besarnya kekuatan saat ini. Di sekolah, hukum Ampère didefinisikan sebagai aturan tangan "kiri" dan "kanan".
Karakteristik medan magnet
Perlu dipahami bahwa medan magnet selalu terjadi tidak hanya di sekitar sumber arus listrik, tetapi juga di sekitar magnet. Dia biasanya digambarkan dengan garis gaya magnet. Secara grafis, tampak seolah-olah selembar kertas diletakkan di atas magnet, dan serbuk besi dituangkan di atasnya. Mereka akan terlihat persis seperti gambar di bawah ini.
Dalam banyak buku populer tentang fisika, gaya magnet diperkenalkan sebagai hasil dari pengamatan eksperimental. Ini dianggap sebagai kekuatan fundamental alam yang terpisah. Gagasan seperti itu keliru; pada kenyataannya, keberadaan gaya magnet mengikuti prinsip relativitas. Ketidakhadirannya akan melanggar prinsip ini.
Tidak ada yang mendasar tentang gaya magnet - itu hanya konsekuensi relativistik dari hukum Coulomb.
Menggunakan magnet
Menurut legenda, pada abad pertama Masehi di pulau Magnesia, orang Yunani kuno menemukan batu yang tidak biasa yang memiliki sifat luar biasa. Mereka tertarik pada diri mereka sendiri segala sesuatu yang terbuat dari besi atau baja. Orang-orang Yunani mulai membawa mereka keluar dari pulau dan mempelajari properti mereka. Dan ketika batu-batu itu jatuh ke tangan jalanpenyihir, mereka telah menjadi asisten yang sangat diperlukan dalam semua pertunjukan mereka. Menggunakan kekuatan batu magnet, mereka mampu menciptakan pertunjukan fantastis yang menarik banyak penonton.
Saat batu menyebar ke seluruh belahan dunia, legenda dan berbagai mitos mulai beredar tentangnya. Suatu ketika batu-batu itu berakhir di Cina, di mana mereka dinamai menurut pulau tempat mereka ditemukan. Magnet menjadi subjek studi semua ilmuwan besar saat itu. Telah diperhatikan bahwa jika Anda meletakkan batu besi magnetik di atas pelampung kayu, memperbaikinya, dan kemudian memutarnya, ia akan mencoba kembali ke posisi semula. Sederhananya, gaya magnet yang bekerja padanya akan mengubah bijih besi dengan cara tertentu.
Menggunakan sifat magnet ini, para ilmuwan menemukan kompas. Pada bentuk bulat yang terbuat dari kayu atau gabus, ditarik dua tiang utama dan dipasang jarum magnet kecil. Desain ini diturunkan ke dalam mangkuk kecil berisi air. Seiring waktu, model kompas telah meningkat dan menjadi lebih akurat. Mereka tidak hanya digunakan oleh pelaut, tetapi juga oleh wisatawan biasa yang suka menjelajahi gurun dan daerah pegunungan.
Pengalaman menarik
Ilmuwan Hans Oersted mengabdikan hampir seluruh hidupnya untuk listrik dan magnet. Suatu hari, selama kuliah di universitas, dia menunjukkan kepada murid-muridnya pengalaman berikut. Dia melewati arus melalui konduktor tembaga biasa, setelah beberapa saat konduktor memanas dan mulai menekuk. Itu adalah fenomena termalarus listrik. Para siswa melanjutkan percobaan ini, dan salah satu dari mereka memperhatikan bahwa arus listrik memiliki sifat lain yang menarik. Ketika arus mengalir di konduktor, panah kompas yang terletak di dekatnya mulai menyimpang sedikit demi sedikit. Mempelajari fenomena ini secara lebih rinci, ilmuwan menemukan apa yang disebut gaya yang bekerja pada konduktor dalam medan magnet.
Arus Ampere dalam magnet
Para ilmuwan telah berusaha menemukan muatan magnet, tetapi kutub magnet yang terisolasi tidak dapat ditemukan. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa, tidak seperti listrik, muatan magnet tidak ada. Lagi pula, jika tidak, adalah mungkin untuk memisahkan muatan satuan hanya dengan memutuskan salah satu ujung magnet. Namun, ini menciptakan kutub baru yang berlawanan di ujung yang lain.
Faktanya, magnet apa pun adalah solenoida, yang permukaannya bersirkulasi arus intra-atomik, disebut arus Ampere. Ternyata magnet dapat dianggap sebagai batang logam yang dialiri arus searah. Karena alasan inilah masuknya inti besi ke dalam solenoida sangat meningkatkan medan magnet.
Energi magnet atau EMF
Seperti fenomena fisik lainnya, medan magnet memiliki energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan. Ada konsep EMF (gaya gerak listrik), yang didefinisikan sebagai usaha untuk memindahkan satu unit muatan dari titik A0 ke titik A1.
EMF dijelaskan oleh hukum Faraday, yang diterapkan dalam tiga fisik yang berbedasituasi:
- Sirkuit yang dikonduksi bergerak dalam medan magnet seragam yang dihasilkan. Dalam hal ini, mereka berbicara tentang ggl magnetik.
- Kontur diam, tetapi sumber medan magnet itu sendiri bergerak. Ini sudah menjadi fenomena ggl listrik.
- Akhirnya, rangkaian dan sumber medan magnet tidak bergerak, tetapi arus yang menciptakan medan magnet berubah.
Secara numerik, EMF menurut rumus Faraday adalah: EMF=W/q.
Akibatnya, gaya gerak listrik bukanlah gaya dalam arti harfiah, karena diukur dalam Joule per Coulomb atau dalam Volt. Ternyata itu mewakili energi yang diberikan ke elektron konduksi saat melewati sirkuit. Setiap kali, membuat putaran berikutnya dari kerangka generator yang berputar, elektron memperoleh energi yang secara numerik sama dengan EMF. Energi tambahan ini tidak hanya dapat ditransfer selama tumbukan atom-atom di rantai terluar, tetapi juga dilepaskan dalam bentuk panas Joule.
Gaya dan magnet Lorentz
Gaya yang bekerja pada arus dalam medan magnet ditentukan oleh rumus berikut: q|v||B|sin a (produk dari muatan medan magnet, modul kecepatan dari partikel yang sama, vektor induksi medan dan sinus sudut antara arahnya). Gaya yang bekerja pada satu unit muatan yang bergerak dalam medan magnet disebut gaya Lorentz. Fakta yang menarik adalah bahwa hukum ke-3 Newton tidak valid untuk gaya ini. Itu hanya mematuhi hukum kekekalan momentum, itulah sebabnya semua masalah dalam menemukan gaya Lorentz harus diselesaikan berdasarkan itu. Mari kita cari tahu caranyaAnda dapat menentukan kekuatan medan magnet.
Masalah dan contoh solusi
Untuk menemukan gaya yang muncul di sekitar konduktor dengan arus, Anda perlu mengetahui beberapa besaran: muatan, kecepatannya, dan nilai induksi medan magnet yang muncul. Soal berikut akan membantu Anda memahami cara menghitung gaya Lorentz.
Tentukan gaya yang bekerja pada proton yang bergerak dengan kecepatan 10 mm/s dalam medan magnet dengan induksi 0,2 C (sudut antara keduanya adalah 90o, karena partikel bermuatan bergerak tegak lurus terhadap garis induksi). Solusinya adalah menemukan muatannya. Melihat tabel muatan, kita menemukan bahwa proton memiliki muatan 1,610-19 Cl. Selanjutnya, kita menghitung gaya menggunakan rumus: 1, 610-19100, 21 (sinus sudut siku-siku 1)=3, 2 10- 19 Newton.
