Bagaimana magnet bekerja. Magnetisme - dari Thales ke Maxwell. Pergerakan elektron dan arus listrik

Badan bermuatan mampu menciptakan, selain listrik, jenis medan lain. Jika muatan bergerak, maka jenis materi khusus dibuat di ruang sekitar mereka, yang disebut medan gaya... Akibatnya, arus listrik, yang merupakan pergerakan muatan yang teratur, juga menciptakan medan magnet. Seperti medan listrik, medan magnet tidak terbatas di luar angkasa, ia menyebar dengan sangat cepat, tetapi tetap dengan kecepatan yang terbatas. Itu hanya dapat dideteksi oleh aksi pada benda-benda bermuatan yang bergerak (dan, sebagai konsekuensinya, arus).

Untuk mendeskripsikan medan magnet, perlu dilakukan pengenalan karakteristik gaya dari medan tersebut, mirip dengan vektor intensitas E Medan listrik. Karakteristik seperti itu adalah vektor B induksi magnet. Dalam sistem satuan SI, 1 Tesla (T) diambil sebagai satuan induksi magnet. Jika dalam medan magnet dengan induksi B tempatkan konduktor lama l dengan arus saya, lalu sebuah gaya dipanggil oleh Ampere, yang dihitung dengan rumus:

dimana: DI - induksi medan magnet, saya - kekuatan arus pada konduktor, l - panjangnya. Gaya Ampere diarahkan tegak lurus terhadap vektor induksi magnet dan arah arus yang mengalir melalui konduktor.

Untuk menentukan arah gaya Ampere biasanya digunakan aturan tangan kiri: jika Anda memposisikan tangan kiri Anda sehingga garis induksi memasuki telapak tangan, dan jari-jari yang terulur diarahkan sepanjang arus, maka ibu jari yang ditarik akan menunjukkan arah gaya Ampere yang bekerja pada konduktor (lihat gambar).

Jika sudut α antara arah vektor induksi magnet dengan arus pada penghantar berbeda 90 °, maka untuk menentukan arah gaya Ampere perlu dilakukan pengambilan komponen medan magnet yang tegak lurus terhadap arah sumbu. Sekarang. Penting untuk menyelesaikan masalah topik ini dengan cara yang sama seperti dalam dinamika atau statika, mis. dengan menuliskan gaya di sepanjang sumbu koordinat atau menambahkan gaya sesuai dengan aturan untuk menjumlahkan vektor.

Momen gaya yang bekerja pada bingkai dengan arus

Biarkan bingkai dengan arus berada dalam medan magnet, dan bidang bingkai tegak lurus dengan medan. Gaya Ampere akan memampatkan bingkai, dan resultannya akan sama dengan nol. Jika Anda mengubah arah arus, maka gaya Ampere akan berubah arah, dan rangka tidak akan menyusut, tetapi meregang. Jika garis induksi magnet terletak pada bidang bingkai, maka terdapat torsi gaya Ampere. Torsi ampere adalah sama dengan:

dimana: S - area bingkai, α - sudut antara normal ke bingkai dan vektor induksi magnet (normal adalah vektor yang tegak lurus dengan bidang bingkai), N - jumlah belokan, B - induksi medan magnet, saya Apakah arus dalam bingkai.

Kekuatan Lorentz

Gaya ampere yang bekerja pada panjang konduktor Δ l dengan arus listrik sayadi medan magnet B dapat dinyatakan dalam gaya yang bekerja pada pembawa muatan individu. Gaya-gaya ini disebut oleh pasukan Lorentz... Gaya Lorentz yang bekerja pada sebuah partikel bermuatan q di medan magnet Bbergerak dengan cepat v, dihitung dengan rumus berikut:

Sudut α dalam ungkapan ini sama dengan sudut antara kecepatan dan vektor induksi magnet. Arah gaya Lorentz yang bekerja secara positif partikel bermuatan, serta arah gaya Ampere, dapat ditentukan dengan aturan tangan kiri atau dengan aturan gimbal (seperti gaya Ampere). Vektor induksi magnet harus secara mental menempel di telapak tangan kiri, empat jari yang tertutup harus diarahkan sepanjang kecepatan partikel bermuatan, dan ibu jari yang tertekuk akan menunjukkan arah gaya Lorentz. Jika ada partikel negatif muatan, maka arah gaya Lorentz, yang ditemukan oleh aturan tangan kiri, harus diganti dengan yang berlawanan.

Gaya Lorentz diarahkan tegak lurus terhadap vektor kecepatan dan induksi medan magnet. Saat partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet kekuatan Lorentz tidak bekerja... Oleh karena itu, modulus vektor kecepatan tidak berubah saat partikel bergerak. Jika partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet seragam di bawah aksi gaya Lorentz, dan kecepatannya terletak pada bidang tegak lurus terhadap vektor induksi magnet, maka partikel tersebut akan bergerak dalam lingkaran, yang radiusnya dapat dihitung dengan rumus berikut:

Gaya Lorentz dalam hal ini berperan sebagai gaya sentripetal. Periode revolusi suatu partikel dalam medan magnet seragam sama dengan:

Ekspresi terakhir menunjukkan bahwa untuk partikel bermuatan dengan massa tertentu m periode revolusi (dan karenanya frekuensi dan kecepatan sudut) tidak bergantung pada kecepatan (karenanya, pada energi kinetik) dan jari-jari lintasan R.

Teori medan magnet

Jika arus mengalir dalam satu arah di sepanjang dua kabel paralel, maka mereka tertarik; jika berlawanan arah, mereka ditolak. Hukum fenomena ini secara eksperimental ditetapkan oleh Ampere. Interaksi arus disebabkan oleh medan magnetnya: medan magnet satu arus bekerja oleh gaya Ampere pada arus lain dan sebaliknya. Percobaan telah menunjukkan bahwa modulus gaya yang bekerja pada segmen dengan panjang Δ l masing-masing konduktor, berbanding lurus dengan kekuatan arus saya 1 dan saya 2 dalam konduktor, panjang bagian Δ l dan berbanding terbalik dengan jarak R diantara:

dimana: μ 0 adalah konstanta yang dipanggil konstanta magnet... Pengenalan konstanta magnet ke dalam SI menyederhanakan penulisan sejumlah rumus. Nilai numeriknya adalah:

μ 0 = 4π · 10 –7 H / A 2 ≈ 1,26 · 10 –6 H / A 2.

Membandingkan ekspresi yang baru saja diberikan untuk gaya interaksi dua konduktor dengan arus dan ekspresi gaya Ampere, mudah untuk mendapatkan ekspresi untuk induksi medan magnet yang dibuat oleh masing-masing konduktor lurus dengan arus di kejauhan R Dari dia:

dimana: μ - permeabilitas magnetik zat (lebih lanjut tentang ini di bawah). Jika arus mengalir dalam lingkaran melingkar, maka masuk pusat induksi medan magnet loop ditentukan oleh rumus:

Saluran listrik Medan magnet disebut garis, di sepanjang garis singgung di mana panah magnet berada. Panah magnetik disebut magnet panjang dan tipis, kutubnya adalah titik. Jarum magnet yang tergantung pada seutas benang selalu berputar ke satu arah. Selain itu, salah satu ujungnya mengarah ke utara, yang lainnya ke arah selatan. Karena itulah nama kutubnya: utara ( N) dan selatan ( S). Magnet selalu memiliki dua kutub: utara (ditunjukkan dengan warna biru atau huruf N) dan selatan (merah atau huruf S). Magnet berinteraksi dengan cara yang sama seperti muatan: seperti kutub menolak, dan tidak seperti kutub yang menarik. Tidak mungkin mendapatkan magnet dengan satu kutub. Sekalipun magnetnya rusak, setiap bagian akan memiliki dua kutub yang berbeda.

Vektor induksi magnetik

Vektor induksi magnetik - besaran fisik vektor, yang merupakan karakteristik medan magnet, secara numerik sama dengan gaya yang bekerja pada elemen arus 1 A dan panjang 1 m, jika arah garis medan tegak lurus terhadap konduktor. Dilambangkan DI, unit pengukuran - 1 Tesla. 1 T adalah nilai yang sangat besar, oleh karena itu, dalam medan magnet nyata, induksi magnet diukur dalam mT.

Vektor induksi magnet diarahkan secara tangensial ke garis gaya, yaitu. bertepatan dengan arah kutub utara jarum magnet yang ditempatkan di medan magnet tertentu. Arah vektor induksi magnet tidak sesuai dengan arah gaya yang bekerja pada konduktor, oleh karena itu, garis gaya medan magnet, sebenarnya, bukanlah garis gaya.

Garis medan magnet magnet permanen diarahkan dalam kaitannya dengan magnet itu sendiri seperti yang ditunjukkan pada gambar:

Kapan medan magnet arus listrik untuk menentukan arah garis gaya gunakan aturan "Tangan kanan": jika Anda mengambil konduktor di tangan kanan Anda sehingga ibu jari diarahkan sepanjang arus, maka empat jari yang melingkari konduktor menunjukkan arah garis-garis gaya di sekitar konduktor:

Dalam kasus arus maju, garis-garis induksi magnet adalah lingkaran, bidang-bidangnya tegak lurus dengan arus. Vektor induksi magnet diarahkan secara tangensial ke lingkaran.

Solenoid - luka konduktor pada permukaan silinder yang dilalui arus listrik saya seperti medan magnet permanen langsung. Di dalam solenoida panjang l dan jumlah belokan N medan magnet seragam dengan induksi dibuat (arahnya juga ditentukan oleh aturan tangan kanan):

Garis medan magnet adalah garis tertutup adalah properti umum dari semua garis magnet. Bidang seperti itu disebut pusaran. Dalam kasus magnet permanen, garis tidak berakhir di permukaan, tetapi menembus bagian dalam magnet dan menutup bagian dalamnya. Perbedaan antara medan listrik dan magnet ini dijelaskan oleh fakta bahwa, tidak seperti listrik, muatan magnet tidak ada.

Sifat magnetik materi

Semua zat bersifat magnetis. Sifat magnetik suatu zat dicirikan oleh permeabilitas relatif μ yang mana hal berikut ini benar:

Rumus ini menyatakan korespondensi vektor induksi magnet pada bidang dalam ruang hampa dan dalam lingkungan tertentu. Berbeda dengan listrik, dalam kasus interaksi magnetik dalam media, seseorang dapat mengamati peningkatan dan pelemahan interaksi dibandingkan dengan ruang hampa, di mana permeabilitas magnetis. μ \u003d 1. Pada diameter permeabilitas magnetik μ sedikit kurang dari satu. Contoh: air, nitrogen, perak, tembaga, emas. Zat-zat ini agak melemahkan medan magnet. Parameter - oksigen, platinum, magnesium - agak meningkatkan bidang, memiliki μ sedikit lebih dari satu. Memiliki feromagnet - besi, nikel, kobalt - μ \u003e\u003e 1. Misalnya, besi μ ≈ 25000.

Fluks magnet. Induksi elektromagnetik

Fenomena induksi elektromagnetik ditemukan oleh fisikawan Inggris terkemuka M. Faraday pada tahun 1831. Ini terdiri dari terjadinya arus listrik dalam loop konduksi tertutup ketika fluks magnet yang menembus loop berubah seiring waktu. Fluks magnet Φ melintasi alun-alun S kontur disebut nilai:

dimana: B - modulus vektor induksi magnet, α - sudut antara vektor induksi magnet B dan normal (tegak lurus) terhadap bidang kontur, S - area kontur, N - jumlah belokan di sirkuit. Satuan SI dari fluks magnet disebut Weber (Wb).

Faraday menemukan secara eksperimental bahwa ketika fluks magnet berubah di sirkuit konduksi, Induksi EMF ε ind, sama dengan laju perubahan fluks magnet melalui permukaan yang dibatasi kontur, diambil dengan tanda minus:

Perubahan fluks magnet yang menembus loop tertutup dapat terjadi karena dua kemungkinan alasan.

1. Fluks magnet berubah karena pergerakan sirkuit atau bagian-bagiannya dalam medan magnet konstan dalam waktu. Ini adalah kasus ketika konduktor, dan dengan mereka pembawa muatan bebas, bergerak dalam medan magnet. Munculnya EMF induksi dijelaskan oleh aksi gaya Lorentz pada muatan bebas di konduktor yang bergerak. Dalam hal ini, gaya Lorentz berperan sebagai gaya eksternal.
2. Alasan kedua untuk perubahan fluks magnet yang menembus sirkuit adalah perubahan waktu medan magnet dengan sirkuit stasioner.

Saat menyelesaikan masalah, penting untuk segera menentukan bagaimana fluks magnet berubah. Tiga opsi dimungkinkan:

1. Medan magnet berubah.
2. Area kontur berubah.
3. Orientasi bingkai relatif terhadap perubahan bidang.

Dalam hal ini, saat menyelesaikan masalah, EMF biasanya dianggap modulo. Mari kita juga memperhatikan satu kasus tertentu di mana fenomena induksi elektromagnetik terjadi. Jadi, nilai maksimum induksi EMF di rangkaian terdiri dari N belokan, area Sberputar dengan kecepatan sudut ω di medan magnet dengan induksi DI:

Pergerakan konduktor dalam medan magnet

Saat memindahkan konduktor dengan panjang l di medan magnet B dengan kecepatan v di ujungnya terdapat beda potensial yang disebabkan oleh aksi gaya Lorentz pada elektron bebas di penghantar. Perbedaan potensial ini (tepatnya, EMF) ditemukan dengan rumus:

dimana: α - sudut yang diukur antara arah kecepatan dan vektor induksi magnet. Di bagian stasioner sirkuit, EMF tidak muncul.

Jika batangnya panjang L berputar dalam medan magnet DI mengelilingi salah satu ujungnya dengan kecepatan sudut ω , maka di ujungnya akan ada beda potensial (EMF), yang bisa dihitung dengan rumus:

Induktansi. Induksi diri. Energi medan magnet

Induksi diri adalah kasus khusus penting dari induksi elektromagnetik, ketika fluks magnet yang berubah, menyebabkan EMF induksi, dibuat oleh arus di sirkuit itu sendiri. Jika arus dalam rangkaian yang sedang dipertimbangkan berubah karena suatu alasan, maka medan magnet arus ini juga berubah, dan, akibatnya, fluks magnet intrinsik yang menembus rangkaian. EMF induksi sendiri muncul di sirkuit, yang, menurut aturan Lenz, mencegah perubahan arus di sirkuit. Fluks magnetnya sendiri Φ , menembus sirkuit atau kumparan dengan arus, sebanding dengan kekuatan arus saya:

Rasio aspek L dalam rumus ini disebut koefisien induksi diri atau induktansi gulungan. Satuan SI induktansi disebut Henry (H).

Ingat: induktansi rangkaian tidak tergantung pada fluks magnet atau kekuatan arus di dalamnya, tetapi hanya ditentukan oleh bentuk dan ukuran rangkaian, serta oleh sifat-sifat lingkungan. Oleh karena itu, ketika arus dalam rangkaian berubah, induktansi tetap tidak berubah. Induktansi kumparan dapat dihitung menggunakan rumus:

dimana: n - konsentrasi putaran per satuan panjang kumparan:

EMF induksi diriyang timbul dalam kumparan dengan nilai induktansi konstan, menurut rumus Faraday, sama dengan:

Jadi EMF induksi sendiri berbanding lurus dengan induktansi kumparan dan laju perubahan arus di dalamnya.

Medan magnet memiliki energi. Sama seperti ada pasokan energi listrik dalam kapasitor bermuatan, ada pasokan energi magnet dalam kumparan, yang melalui lilitan arus mengalir. Energi W m kumparan medan magnet dengan induktansi Ldihasilkan oleh arus saya, dapat dihitung menggunakan salah satu rumus (rumus mengikuti satu sama lain dengan mempertimbangkan rumus Φ = LI):

Dengan mengkorelasikan rumus energi medan magnet dari kumparan dengan dimensi geometrisnya, kita dapat memperoleh rumusnya kepadatan energi volumetrik medan magnet (atau energi per satuan volume):

Aturan Lenz

Kelembaman - fenomena yang terjadi dalam mekanika (saat mobil berakselerasi, kita bersandar, menentang peningkatan kecepatan, dan saat pengereman, kita condong ke depan, menangkal penurunan kecepatan), dan dalam fisika molekuler (saat cairan dipanaskan, laju penguapan meningkat, molekul tercepat meninggalkan cairan, mengurangi kecepatan pemanasan) dan seterusnya. Dalam elektromagnetisme, kelembaman memanifestasikan dirinya dalam menangkal perubahan fluks magnet yang menembus sirkuit. Jika fluks magnet meningkat, maka arus induksi yang timbul pada rangkaian diarahkan untuk mencegah peningkatan fluks magnet, dan jika fluks magnet berkurang, maka arus induksi yang timbul pada rangkaian diarahkan untuk mencegah terjadinya penurunan. dalam fluks magnet.

Di situs web itu. Untuk melakukan ini, Anda tidak perlu sama sekali, yaitu: mencurahkan tiga hingga empat jam setiap hari untuk mempersiapkan CT dalam fisika dan matematika, mempelajari teori, dan memecahkan masalah. Faktanya adalah bahwa CT adalah ujian di mana tidak cukup hanya mengetahui fisika atau matematika, Anda masih harus dapat dengan cepat dan tanpa kegagalan memecahkan sejumlah besar masalah pada topik yang berbeda dan kompleksitas yang berbeda-beda. Yang terakhir hanya bisa dipelajari dengan memecahkan ribuan masalah.

Implementasi yang sukses, rajin, dan bertanggung jawab dari ketiga poin ini akan memungkinkan Anda untuk menunjukkan hasil yang sangat baik di CG, semaksimal kemampuan Anda.

Menemukan bug?

Jika Anda, menurut pendapat Anda, menemukan kesalahan dalam materi pelatihan, harap tulis melalui surat. Anda juga dapat menulis tentang kesalahan di jejaring sosial (). Dalam surat tersebut, sebutkan subjek (fisika atau matematika), judul atau nomor topik atau tes, nomor soal, atau tempat dalam teks (halaman) yang menurut Anda ada kesalahannya. Jelaskan juga apa dugaan kesalahan itu. Surat Anda tidak akan luput dari perhatian, kesalahan akan diperbaiki, atau Anda akan dijelaskan mengapa itu bukan kesalahan.

Dalam elektrostatika, fenomena yang terkait dengan muatan listrik diam dipertimbangkan. Kehadiran kekuatan yang bekerja di antara muatan tersebut dicatat kembali pada zaman Homer. Kata "listrik" berasal dari bahasa Yunani ° lektron (amber), sejak pengamatan pertama yang mencatat elektrifikasi oleh gesekan dalam sejarah dikaitkan dengan bahan ini. Pada tahun 1733 C. Dufay (1698–1739) menemukan bahwa terdapat dua jenis muatan listrik. Muatan dari satu jenis terbentuk pada lilin penutup saat digosok dengan kain wol, muatan jenis lain terbentuk pada kaca bila digosok dengan sutra. Tuduhan identik menolak, muatan berbeda menarik. Muatan dari jenis yang berbeda, menghubungkan, menetralkan satu sama lain. Pada tahun 1750 B. Franklin (1706–1790) mengembangkan teori fenomena kelistrikan berdasarkan asumsi bahwa semua bahan mengandung sejenis "fluida listrik". Dia percaya bahwa ketika dua bahan bergesekan satu sama lain, bagian dari fluida listrik ini berpindah dari satu bahan ke bahan lainnya (sementara jumlah total fluida listrik disimpan). Kelebihan cairan listrik dalam tubuh memberinya muatan satu jenis, dan kekurangannya memanifestasikan dirinya sebagai adanya muatan jenis lain. Franklin memutuskan bahwa ketika dia menggosok lilin dengan kain wol, wol tersebut menghilangkan sebagian cairan listrik darinya. Oleh karena itu, ia menyebut muatan lilin penyegel negatif.

Pandangan Franklin sangat mirip dengan konsep modern, yang menurutnya elektrifikasi oleh gesekan dijelaskan oleh aliran elektron dari satu benda gesekan ke benda lain. Tetapi karena dalam kenyataannya elektron mengalir dari wol ke lilin penyegel, kelebihan, dan bukan kekurangan, cairan listrik ini muncul di lilin penyegel, yang sekarang diidentifikasi dengan elektron. Franklin tidak memiliki cara untuk menentukan ke arah mana fluida listrik mengalir, dan pilihannya yang buruk adalah karena fakta bahwa muatan elektron ternyata "negatif". Meskipun tanda muatan ini menyebabkan beberapa kebingungan di antara mereka yang mulai mempelajari subjek, konvensi ini terlalu berakar kuat dalam literatur untuk membicarakan tentang perubahan tanda muatan dalam elektron setelah sifat-sifatnya telah dipelajari dengan baik.

Dengan bantuan keseimbangan torsi yang dikembangkan oleh G. Cavendish (1731-1810), pada tahun 1785 C. Coulomb (1736-1806) menunjukkan bahwa gaya yang bekerja antara dua muatan listrik titik sebanding dengan perkalian besarnya muatan tersebut. dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya, yaitu:

dimana F Apakah gaya dengan muatan q mengusir muatan dari tanda yang sama qў, dan r - jarak di antara mereka. Jika tanda muatannya berlawanan, maka gaya F negatif dan dakwaan tidak menolak, tetapi menarik satu sama lain. Rasio aspek K tergantung pada unit apa yang diukur F, r, q dan qў.

Awalnya, satuan untuk mengukur muatan tidak ada, tetapi hukum Coulomb memungkinkan untuk memperkenalkan satuan seperti itu. Satuan ukur muatan listrik ini dinamai "coulomb" dan disingkat Cl. Satu liontin (1 C) adalah muatan yang tetap berada pada benda yang awalnya netral secara elektrik setelah 6.242 × 10 18 elektron dikeluarkan darinya.

Jika dalam rumus (1) muatannya q dan qў diekspresikan dalam liontin, F - di newton, dan r - dalam meter, lalu K »8.9876Ч10 9 NCHm 2 / Cl 2, mis. sekitar 9CH10 9 LFm 2 / Cl 2. Biasanya bukan K gunakan konstan e0 = 1/4pK... Meskipun ini membuat pernyataan hukum Coulomb sedikit lebih rumit, ini memungkinkan untuk dilakukan tanpa faktor 4 p dalam rumus lain yang lebih sering digunakan daripada hukum Coulomb.

Mesin elektrostatis dan bank Leiden.

Sebuah mesin untuk menghasilkan muatan statik yang besar melalui gesekan ditemukan sekitar tahun 1660 oleh O. Gericke (1602-1686), yang menggambarkannya dalam buku tersebut Eksperimen baru di ruang kosong (De vacuo spatio, 1672). Segera, varian lain dari mesin semacam itu muncul. Pada 1745 E. Kleist dari Cummin dan, terlepas dari dia, P. Muschenbroek dari Leiden menemukan bahwa bejana kaca yang dilapisi dengan bahan konduktif di dalam dan luar dapat digunakan untuk mengumpulkan dan menyimpan muatan listrik. Stoples kaca yang dilapisi dengan kertas timah di dalam dan di luar - yang disebut toples Leyden - adalah kapasitor listrik pertama. Franklin menunjukkan bahwa ketika mengisi botol Leyden, lapisan luar kertas timah (pelat luar) memperoleh muatan dari tanda yang sama, dan pelat bagian dalam memperoleh muatan yang sama dari tanda yang berlawanan. Jika kedua pelat bermuatan disentuh atau dihubungkan oleh konduktor, maka muatan tersebut benar-benar hilang, yang menunjukkan netralisasi timbal baliknya. Oleh karena itu, muatan bergerak bebas di atas logam, tetapi tidak dapat bergerak di atas kaca. Bahan seperti logam, yang melaluinya muatan bergerak bebas, disebut konduktor, dan bahan seperti kaca, yang tidak dilalui muatan, disebut isolator (dielektrik).

Dielektrik.

Dielektrik yang ideal adalah material yang muatan listrik internalnya terikat sangat erat sehingga tidak dapat menghantarkan arus listrik. Oleh karena itu dapat berfungsi sebagai isolator yang baik. Meskipun dielektrik ideal tidak ada di alam, konduktivitas banyak bahan isolasi pada suhu kamar tidak melebihi 10–23 konduktivitas tembaga; dalam banyak kasus, konduktivitas ini dapat dianggap nol.

Konduktor.

Struktur kristal dan distribusi elektron dalam konduktor padat dan dielektrik mirip satu sama lain. Perbedaan utamanya adalah bahwa dalam dielektrik, semua elektron terikat kuat ke inti yang sesuai, sedangkan dalam konduktor terdapat elektron di kulit terluar atom yang dapat dengan bebas bergerak di sekitar kristal. Elektron semacam itu disebut elektron bebas atau elektron konduksi, karena mereka adalah pembawa muatan listrik. Jumlah elektron konduksi per atom logam bergantung pada struktur elektronik atom dan tingkat gangguan kulit elektron terluar atom oleh tetangganya dalam kisi kristal. Dalam unsur-unsur golongan pertama tabel periodik unsur (litium, natrium, kalium, tembaga, rubidium, perak, sesium, dan emas), kulit elektron bagian dalam terisi penuh, dan di kulit terluar terdapat satu elektron. Percobaan menegaskan bahwa dalam logam-logam ini jumlah elektron konduksi per atom per atom kira-kira sama dengan satu. Akan tetapi, untuk kebanyakan logam dari golongan lain, rata-rata, nilai pecahan dari jumlah elektron konduksi per atom adalah karakteristik. Misalnya, unsur transisi - nikel, kobalt, paladium, renium, dan sebagian besar paduannya - memiliki sekitar 0,6 elektron konduksi per atom. Jumlah pembawa arus dalam semikonduktor jauh lebih kecil. Misalnya, dalam germanium pada suhu kamar sekitar 10 –9. Jumlah pembawa yang sangat kecil dalam semikonduktor menyebabkan munculnya banyak properti menarik di dalamnya. Cm... FISIKA TUBUH PADAT; PERANGKAT ELEKTRONIK SEMIKONDUKTOR; TRANSISTOR.

Getaran termal kisi kristal dalam logam mempertahankan pergerakan elektron konduksi yang konstan, yang kecepatannya pada suhu kamar mencapai 10 6 m / s. Karena gerakan ini kacau, tidak menghasilkan arus listrik. Ketika medan listrik diterapkan, penyimpangan umum kecil muncul. Penyimpangan elektron bebas dalam konduktor ini adalah arus listrik. Karena elektron bermuatan negatif, arah arus berlawanan dengan arah penyimpangannya.

Perbedaan potensial.

Untuk menggambarkan sifat-sifat kapasitor, perlu diperkenalkan konsep beda potensial. Jika ada muatan positif pada satu pelat kapasitor, dan di sisi lain - muatan negatif dengan besaran yang sama, maka untuk mentransfer sebagian muatan positif dari pelat negatif ke pelat positif, perlu dilakukan bekerja melawan gaya tarik dari sisi muatan negatif dan tolakan muatan positif. Perbedaan potensial antara pelat didefinisikan sebagai rasio pekerjaan mentransfer muatan uji ke nilai muatan ini; dalam hal ini, diasumsikan bahwa muatan uji secara signifikan lebih kecil dari muatan yang semula pada masing-masing pelat. Dengan sedikit memodifikasi kata-katanya, Anda dapat memberikan definisi perbedaan potensial antara dua titik mana pun yang dapat berada di mana saja: pada kabel dengan arus, pada pelat kapasitor yang berbeda, atau hanya di ruang angkasa. Definisi ini adalah sebagai berikut: perbedaan potensial antara dua titik di ruang angkasa sama dengan rasio pekerjaan yang dihabiskan untuk memindahkan muatan uji dari titik dengan potensial lebih rendah ke titik dengan potensial lebih tinggi, dengan nilai muatan uji . Sekali lagi, diasumsikan bahwa muatan uji cukup kecil untuk tidak mengganggu distribusi muatan yang menciptakan perbedaan potensial yang terukur. Perbedaan potensial V. diukur dalam volt (V), asalkan pekerjaan itu W dinyatakan dalam joule (J), dan muatan uji q - di liontin (Cl).

Kapasitas.

Kapasitansi kapasitor sama dengan rasio nilai absolut muatan pada salah satu dari dua pelatnya (ingat bahwa muatannya hanya berbeda pada tanda) terhadap perbedaan potensial antara pelat:

Kapasitas C diukur dalam farad (F), jika diisi Q dinyatakan dalam coulomb (C), dan perbedaan potensial - dalam volt (V). Dua satuan pengukuran yang baru saja disebutkan, volt dan farad, dinamai menurut nama ilmuwan A. Volta dan M. Faraday.

Farad sangat besar sehingga kapasitansi sebagian besar kapasitor dinyatakan dalam mikrofarad (10-6 F) atau pikofarad (10-12 F).

Medan listrik.

Di dekat muatan listrik terdapat medan listrik, yang nilainya pada titik tertentu di ruang angkasa sama, menurut definisi, dengan rasio gaya yang bekerja pada muatan uji titik yang ditempatkan pada titik ini dengan nilai muatan uji, lagi-lagi asalkan biaya tes cukup kecil dan tidak mengubah distribusi biaya yang membuat lapangan. Menurut definisi ini, bertindak atas tuduhan q memaksa F dan kekuatan medan listrik E terkait dengan rasio

Faraday memperkenalkan konsep garis gaya medan listrik, dimulai dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Dalam hal ini, massa jenis (densitas) garis gaya sebanding dengan kekuatan medan, dan arah medan pada suatu titik bertepatan dengan arah garis singgung garis gaya. Kemudian K. Gauss (1777-1855) mengkonfirmasi keabsahan tebakan ini. Berdasarkan hukum kuadrat terbalik yang ditetapkan oleh Coulomb (1), ia secara matematis dengan teliti menunjukkan bahwa garis gaya, jika dibangun sesuai dengan gagasan Faraday, terus menerus di mana-mana di ruang kosong, mulai dari muatan positif dan berakhir di muatan negatif. Generalisasi ini disebut teorema Gauss. Jika jumlah garis gaya yang muncul dari setiap muatan Q, sama Q/e0, maka kerapatan garis pada titik mana pun (yaitu rasio jumlah garis yang melintasi area imajiner berukuran kecil, ditempatkan pada titik ini tegak lurus dengan luas area ini) sama dengan nilai kuat medan listrik pada titik ini, dinyatakan dalam N / C, atau dalam V / m.

Kapasitor paling sederhana terdiri dari dua pelat konduktif paralel yang terletak berdekatan satu sama lain. Saat mengisi kapasitor, pelat memperoleh muatan yang sama, tetapi berlawanan dalam tanda, didistribusikan secara merata di atas masing-masing pelat, dengan pengecualian tepi. Menurut teorema Gauss, kekuatan medan antara lempeng-lempeng tersebut konstan dan sama E = Q/e0SEBUAHdimana Q Apakah muatan pada pelat bermuatan positif, dan DAN Adalah luas piring. Berdasarkan definisi perbedaan potensial, kami memiliki, di mana d Adalah jarak antar lempengan. Jadi, V. = Qd/e0SEBUAH, dan kapasitas kapasitor paralel-bidang tersebut sama dengan:

dimana C diekspresikan dalam farad, dan SEBUAH dan d, masing-masing, dalam m 2 dan m.

D.C

Pada tahun 1780 L. Galvani (1737–1798) memperhatikan bahwa muatan yang disuplai dari mesin elektrostatis ke kaki katak yang mati membuat kakinya tersentak hebat. Selain itu, kaki katak, yang dipasang di atas pelat besi pada kawat kuningan yang dimasukkan ke sumsum tulang belakangnya, bergerak-gerak setiap kali menyentuh pelat. Galvani dengan tepat menjelaskan hal ini dengan fakta bahwa muatan listrik, yang melewati serabut saraf, menyebabkan otot katak berkontraksi. Pergerakan muatan ini disebut arus galvanik.

Setelah percobaan yang dilakukan oleh Galvani, Volta (1745-1827) menemukan apa yang disebut pilar volta - baterai galvanik dari beberapa sel elektrokimia yang dihubungkan secara seri. Baterainya terdiri dari lingkaran bolak-balik tembaga dan seng, dipisahkan oleh kertas lembab, dan memungkinkan untuk mengamati fenomena yang sama seperti mesin elektrostatis.

Mengulangi eksperimen Volta, Nicholson dan Carlyle menemukan pada tahun 1800 bahwa melalui arus listrik dimungkinkan untuk mengaplikasikan tembaga dari larutan tembaga sulfat ke konduktor tembaga. W. Wollaston (1766-1828) memperoleh hasil yang sama dengan menggunakan mesin elektrostatis. M. Faraday (1791-1867) menunjukkan pada tahun 1833 bahwa massa suatu unsur yang diperoleh dengan elektrolisis, yang dihasilkan oleh sejumlah muatan, sebanding dengan massa atomnya dibagi dengan valensinya. Ketentuan ini sekarang disebut hukum Faraday untuk elektrolisis.

Karena arus listrik adalah transfer muatan listrik, maka wajar untuk mendefinisikan satuan kekuatan arus sebagai muatan dalam coulomb yang melewati area tertentu setiap detik. Kekuatan arus 1 C / s dinamai ampere untuk menghormati A. Ampere (1775-1836), yang menemukan banyak efek penting yang terkait dengan aksi arus listrik.

Hukum Ohm, resistensi dan resistivitas.

Pada tahun 1826, G. Ohm (1787–1854) melaporkan penemuan baru: arus dalam konduktor logam, ketika setiap bagian tambahan dari kolom volt dimasukkan ke dalam rangkaian, meningkat dengan jumlah yang sama. Ini telah dirangkum dalam bentuk Hukum Ohm. Karena beda potensial yang dibuat oleh kolom volta sebanding dengan jumlah bagian yang dimasukkan, hukum ini menyatakan bahwa beda potensial V. antara dua titik konduktor dibagi dengan arus listrik saya dalam konduktor, konstan dan independen V.atau saya... Sikap

disebut resistansi konduktor antara dua titik. Resistensi diukur dalam ohm (ohm) jika beda potensial V. dinyatakan dalam volt, dan arus listrik saya - dalam ampere. Hambatan konduktor logam sebanding dengan panjangnya l dan berbanding terbalik dengan luas areanya DAN penampang nya. Itu tetap konstan selama suhunya konstan. Biasanya ketentuan ini diungkapkan dengan rumus

dimana r - resistivitas (OhmChm), tergantung pada bahan konduktor dan suhunya. Koefisien suhu resistivitas didefinisikan sebagai perubahan relatif dalam kuantitas r saat suhu berubah satu derajat. Tabel menunjukkan nilai resistivitas dan koefisien suhu resistansi beberapa bahan umum, diukur pada suhu kamar. Resistivitas logam murni umumnya lebih rendah dari pada paduan, dan koefisien suhu lebih tinggi. Resistivitas dielektrik, terutama sulfur dan mika, jauh lebih tinggi daripada logam; rasionya mencapai 10 23. Koefisien suhu dielektrik dan semikonduktor negatif dan relatif besar.

Efek termal dari arus listrik.

Efek termal dari arus listrik pertama kali diamati pada tahun 1801, ketika arus berhasil melelehkan berbagai logam. Aplikasi industri pertama dari fenomena ini dimulai pada tahun 1808, ketika penyala bubuk mesiu listrik diusulkan. Busur karbon pertama yang dirancang untuk pemanas dan penerangan dipamerkan di Paris pada tahun 1802. Elektroda arang disambungkan ke kutub pilar volta 120 sel, dan ketika kedua elektroda karbon disentuhkan dan kemudian dipisahkan, "pelepasan gemerlap yang luar biasa kecerahan ".

Menyelidiki efek termal dari arus listrik, J. Joule (1818-1889) melakukan percobaan yang meletakkan dasar yang kokoh untuk hukum kekekalan energi. Joule menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa energi kimia yang dihabiskan untuk mempertahankan arus dalam konduktor kira-kira sama dengan jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor saat arus lewat. Dia juga menemukan bahwa panas yang dilepaskan dalam konduktor sebanding dengan kuadrat dari kekuatan arus. Pengamatan ini konsisten dengan kedua hukum Ohm ( V. = IR), dan dengan penentuan perbedaan potensial ( V. = W/q). Dalam kasus arus searah, waktu tmuatan melewati konduktor q = Saya t... Akibatnya, energi listrik yang diubah menjadi panas dalam konduktor sama dengan:

Energi ini disebut kalor Joule dan dinyatakan dalam Joule (J) jika arusnya saya dinyatakan dalam ampere, R - dalam ohm, dan t - dalam hitungan detik.

Sumber energi listrik untuk rangkaian arus searah.

Ketika arus listrik searah mengalir melalui rangkaian, transformasi energi listrik menjadi panas yang sama konstan terjadi. Untuk menjaga arus, energi listrik perlu dibangkitkan di beberapa bagian rangkaian. Pilar volta dan sumber arus kimia lainnya mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Perangkat lain yang menghasilkan energi listrik dibahas pada bagian berikut. Semuanya bertindak seperti "pompa" listrik yang menggerakkan muatan listrik melawan aksi gaya yang dihasilkan oleh medan listrik konstan.

Parameter penting dari sumber arus adalah gaya gerak listrik (EMF). EMF dari sumber arus didefinisikan sebagai beda potensial di seluruh terminalnya jika tidak ada arus (dengan rangkaian eksternal terbuka) dan diukur dalam volt.

Termoelektrik.

Pada tahun 1822, T. Seebeck menemukan bahwa dalam sirkuit yang terdiri dari dua logam berbeda, arus muncul jika satu titik sambungannya lebih panas dari yang lain. Sirkuit seperti itu disebut termokopel. Pada tahun 1834 J. Peltier menetapkan bahwa ketika arus melewati persimpangan dua logam dalam satu arah, panas diserap, dan di sisi lain, dilepaskan. Besarnya efek yang dapat dibalik ini bergantung pada bahan sambungan dan suhu sambungan. Setiap sambungan termoelemen memiliki EMF ej = W j/qdimana W j - energi panas, diubah menjadi energi listrik dalam satu arah pergerakan muatan q, atau energi listrik yang berubah menjadi panas saat muatan bergerak ke arah lain. EMF ini berlawanan arah, tetapi biasanya tidak sama satu sama lain, jika suhu persimpangan berbeda.

W. Thomson (1824–1907) menetapkan bahwa EMF total termoelemen tidak terdiri dari dua, tetapi empat EMF. Selain EMF yang timbul di persimpangan, ada dua EMF tambahan yang disebabkan oleh penurunan suhu pada konduktor yang membentuk termoelemen. Mereka diberi nama EMF Thomson.

Efek Seebeck dan Peltier.

Termokopel adalah "mesin panas", serupa dalam beberapa hal dengan pembangkit listrik yang digerakkan oleh turbin uap, tetapi tanpa bagian yang bergerak. Seperti generator turbo, ia mengubah panas menjadi listrik, mengambilnya dari "pemanas" dengan suhu lebih tinggi dan memberikan sebagian panas ini ke "lemari es" dengan suhu lebih rendah. Dalam termoelemen, yang bertindak seperti mesin pemanas, "pemanas" berada di sambungan panas, dan "lemari es" di sambungan dingin. Fakta bahwa panas hilang pada suhu yang lebih rendah membatasi efisiensi teoretis untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik menjadi nilai ( T 1 – T 2) / T 1 dimana T 1 dan T 2 - suhu absolut dari "pemanas" dan "lemari es". Penurunan tambahan dalam efisiensi termoelemen adalah karena kehilangan panas karena perpindahan panas dari "pemanas" ke "lemari es". Cm... PANAS; TERMODINAMIKA.

Konversi panas menjadi energi listrik yang terjadi di termoelemen biasa disebut sebagai efek Seebeck. Termokopel, disebut termokopel, digunakan untuk mengukur suhu, terutama di tempat yang sulit dijangkau. Jika satu persimpangan berada pada titik yang dikontrol, dan yang lainnya pada suhu kamar, yang diketahui, maka termo-EMF berfungsi sebagai pengukur suhu pada titik yang dikontrol. Langkah besar telah dibuat di bidang penerapan elemen termal untuk konversi langsung panas menjadi listrik pada skala industri.

Jika arus dari sumber luar dilewatkan melalui termoelemen, maka sambungan dingin akan menyerap panas, dan sambungan panas akan melepaskannya. Fenomena ini disebut efek Peltier. Efek ini dapat digunakan untuk pendinginan sambungan dingin atau pemanasan sambungan panas. Energi panas yang dilepaskan oleh sambungan panas lebih besar dari jumlah total panas yang disuplai ke sambungan dingin dengan jumlah yang sesuai dengan energi listrik yang disuplai. Jadi, sambungan panas menghasilkan lebih banyak panas daripada jumlah total energi listrik yang disuplai ke perangkat. Pada prinsipnya, sejumlah besar termoelemen dihubungkan secara seri, persimpangan dingin yang dikeluarkan, dan yang panas berada di dalam ruangan, dapat digunakan sebagai pompa panas yang memompa panas dari area dengan suhu lebih rendah ke area dengan suhu yang lebih tinggi. Secara teoritis, keuntungan energi panas dibandingkan dengan biaya energi listrik bisa T 1 /(T 1 – T 2).

Sayangnya, untuk sebagian besar bahan, efeknya sangat kecil sehingga dalam praktiknya terlalu banyak termokopel yang diperlukan. Selain itu, penerapan efek Peltier agak membatasi perpindahan panas dari sambungan panas ke sambungan dingin karena konduktivitas termal pada bahan logam. Penelitian tentang semikonduktor telah mengarah pada penciptaan material dengan efek Peltier yang cukup besar untuk sejumlah aplikasi praktis. Efek Peltier sangat berharga saat diperlukan untuk mendinginkan area yang sulit dijangkau di mana metode pendinginan konvensional tidak sesuai. Perangkat semacam itu digunakan untuk mendinginkan, misalnya, perangkat di pesawat ruang angkasa.

Efek elektrokimia.

Pada tahun 1842, H. Helmholtz mendemonstrasikan bahwa energi kimia diubah menjadi energi listrik dalam sumber arus seperti kolom volta, dan energi listrik diubah menjadi energi kimia dalam proses elektrolisis. Sumber tenaga kimia seperti sel kering (baterai konvensional) dan akumulator terbukti sangat praktis. Ketika baterai diisi dengan arus listrik yang optimal, sebagian besar energi listrik yang diberikan padanya diubah menjadi energi kimia yang dapat digunakan saat baterai habis. Baik saat mengisi daya maupun saat baterai habis, sebagian energi hilang dalam bentuk panas; kehilangan panas ini disebabkan oleh resistansi internal baterai. EMF dari sumber arus seperti itu sama dengan beda potensial di seluruh terminalnya dalam kondisi rangkaian terbuka, bila tidak ada penurunan tegangan. IR tentang resistensi internal.

Sirkuit DC.

Untuk menghitung kekuatan arus searah dalam rangkaian sederhana, Anda dapat menggunakan hukum yang ditemukan oleh Ohm dalam mempelajari kolom volt:

dimana R - resistansi rangkaian dan V. - Sumber EMF.

Jika beberapa resistor dengan resistansi R 1 , R 2, dll. dihubungkan secara seri, lalu di masing-masing arus saya adalah sama dan perbedaan potensial total sama dengan jumlah perbedaan potensial individu (Gbr. 1, dan). Resistensi total dapat didefinisikan sebagai resistansi R s koneksi seri dari sekelompok resistor. Perbedaan potensial pada grup ini adalah

Jika resistor dihubungkan secara paralel, maka beda potensial di seluruh grup bertepatan dengan beda potensial di masing-masing resistor (Gbr. 1, b). Arus total melalui sekelompok resistor sama dengan jumlah arus yang melalui resistor individu, mis.

Sejauh saya 1 = V./R 1 , saya 2 = V./R 2 , saya 3 = V./R 3, dll., Resistansi koneksi paralel grup R p ditentukan oleh rasio

Saat memecahkan masalah dengan rangkaian DC jenis apa pun, Anda harus terlebih dahulu menyederhanakan masalah sebanyak mungkin, menggunakan relasi (9) dan (10).

Hukum Kirchhoff.

G. Kirchhoff (1824-1887) mempelajari hukum Ohm secara rinci dan mengembangkan metode umum untuk menghitung arus searah dalam rangkaian listrik, termasuk yang mengandung beberapa sumber EMF. Metode ini didasarkan pada dua aturan yang disebut hukum Kirchhoff:

1. Jumlah aljabar dari semua arus di sembarang simpul rangkaian sama dengan nol.

2. Jumlah aljabar dari semua perbedaan potensial IR dalam setiap loop tertutup sama dengan jumlah aljabar dari semua EMF dalam loop tertutup ini.

MAGNETOSTATIK

Magnetostatika berhubungan dengan gaya yang muncul antara benda-benda dengan magnetisasi permanen.

Sifat magnet alami dilaporkan dalam tulisan Thales of Miletus (c. 600 SM) dan Plato (427-347 SM). Kata "magnet" berasal dari fakta bahwa magnet alami ditemukan oleh orang Yunani di Magnesia (Thessaly). Pada abad ke-11. mengacu pada pesan dari Shen Kua dan Chu Yu Tiongkok tentang pembuatan kompas dari magnet alami dan penggunaannya dalam navigasi. Jika jarum panjang yang terbuat dari magnet alami diseimbangkan pada sumbu yang memungkinkannya berputar bebas pada bidang horizontal, maka ujungnya selalu menghadap utara dan ujung lainnya ke selatan. Dengan menandai ujung yang mengarah ke utara, Anda dapat menggunakan kompas tersebut untuk menentukan arah. Efek magnetis terkonsentrasi di ujung jarum, dan oleh karena itu disebut kutub (utara dan selatan, masing-masing).

Komposisi oleh W. Hilbert Tentang magnet (De magnete, 1600) adalah upaya pertama yang diketahui untuk mempelajari fenomena magnet dari sudut pandang sains. Karya ini berisi informasi yang tersedia tentang listrik dan magnet, serta hasil eksperimen penulis sendiri.

Batang yang terbuat dari besi, baja, dan beberapa bahan lainnya menjadi magnet saat bersentuhan dengan magnet alami, dan kemampuannya menarik potongan kecil besi, seperti magnet alami, biasanya memanifestasikan dirinya di dekat kutub yang terletak di ujung batang. Seperti muatan listrik, kutub terdiri dari dua jenis. Kutub identik saling tolak, dan kutub berlawanan menarik. Setiap magnet memiliki dua kutub berlawanan dengan kekuatan yang sama. Berbeda dengan muatan listrik yang dapat dipisahkan satu sama lain, pasangan kutub ternyata tidak dapat dipisahkan. Jika batang magnet dipotong dengan hati-hati di tengah antara kutub, maka dua kutub baru dengan gaya yang sama muncul. Karena muatan listrik tidak mempengaruhi kutub magnet dan sebaliknya, fenomena listrik dan magnet telah lama dianggap sangat berbeda di alam.

Coulomb menetapkan hukum gaya tarik-menarik dan tolakan kutub, menggunakan bobot yang mirip dengan yang ia gunakan, mencari tahu hukum gaya yang bekerja di antara dua muatan titik. Ternyata gaya yang bekerja antara kutub titik sebanding dengan "besarnya" dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya. Hukum ini tertulis dalam bentuk

dimana p dan pў - "besaran" kutub, r Apakah jarak antara mereka, dan K m - koefisien proporsionalitas, yang bergantung pada unit pengukuran yang digunakan. Dalam fisika modern, pertimbangan besaran kutub magnet telah diabaikan (untuk alasan yang akan dijelaskan di bagian selanjutnya), jadi hukum ini terutama berkaitan dengan kepentingan sejarah.

EFEK MAGNETIK ARUS LISTRIK

Pada tahun 1820, G. Oersted (1777–1851) menemukan bahwa konduktor dengan arus bekerja pada jarum magnet, memutarnya. Seminggu kemudian, Ampere menunjukkan bahwa dua konduktor paralel dengan arus searah yang sama tertarik satu sama lain. Belakangan, dia menyarankan bahwa semua fenomena magnet disebabkan oleh arus, dan sifat magnetis magnet permanen dikaitkan dengan arus yang terus beredar di dalam magnet ini. Asumsi ini sepenuhnya sesuai dengan konsep modern. Cm. MAGNET DAN SIFAT MAGNETIK DARI SUBSTANSI.

Medan listrik yang diciptakan oleh muatan listrik di ruang sekitarnya dicirikan oleh gaya yang bekerja pada satu muatan uji. Medan magnet muncul di sekitar bahan dan konduktor yang dimagnetisasi dengan arus listrik, yang awalnya dicirikan oleh gaya yang bekerja pada kutub uji "tunggal". Meskipun metode penentuan kekuatan medan magnet ini tidak lagi digunakan, pendekatan ini tetap dipertahankan dalam menentukan arah medan magnet. Jika jarum magnet kecil digantung di pusat massanya dan dapat berputar bebas ke segala arah, maka orientasinya akan menunjukkan arah medan magnet.

Penggunaan kutub magnet untuk menentukan karakteristik medan magnet harus ditinggalkan karena sejumlah alasan: pertama, Anda tidak dapat mengisolasi satu kutub; kedua, baik posisi maupun besar tiang tidak dapat ditentukan secara akurat; ketiga, kutub magnet pada dasarnya adalah konsep fiktif, karena sebenarnya efek magnetis disebabkan oleh pergerakan muatan listrik. Karenanya, medan magnet sekarang mencirikan gaya yang mereka lakukan pada konduktor pembawa arus. Dalam gambar. 2 menunjukkan konduktor dengan arus sayaberbaring di bidang gambar; arah arus saya ditunjukkan dengan panah. Konduktor berada dalam medan magnet seragam, yang arahnya sejajar dengan bidang gambar dan membentuk sudut f dengan arah konduktor dengan arus. Nilai induksi magnetik B diberikan oleh

dimana F Apakah gaya yang digunakan medan bbekerja pada elemen konduktor dengan panjang l dengan arus saya... Arah gaya F tegak lurus terhadap arah medan magnet dan arah arus. Dalam gambar. 2 gaya ini tegak lurus dengan bidang gambar dan diarahkan menjauh dari pembaca. Nilai B pada prinsipnya dapat ditentukan dengan memutar konduktor sampai F tidak akan mencapai nilai maksimum B = F maks / Il... Arah medan magnet juga dapat diatur dengan cara memutar konduktor hingga terjadi gaya F tidak akan lenyap, yaitu konduktornya akan sejajar B... Meskipun aturan ini sulit diterapkan dalam praktiknya, metode eksperimental untuk menentukan besar dan arah medan magnet didasarkan padanya. Gaya yang bekerja pada konduktor pembawa arus biasanya ditulis sebagai

J. Bio (1774-1862) dan F. Savard (1791-1841) menurunkan hukum yang memungkinkan penghitungan medan magnet yang dibuat oleh distribusi arus listrik yang diketahui, yaitu

dimana B - induksi magnetik yang dibuat oleh elemen konduktor panjang pendek l dengan arus saya... Arah medan magnet yang dibuat oleh elemen arus ini ditunjukkan pada Gambar. 3, yang juga menjelaskan kuantitas r dan f... Rasio aspek k tergantung pada pilihan unit. Jika sebuah saya dinyatakan dalam ampere, l dan r - dalam meter, dan B - dalam teslas (T), lalu k = m0/4p \u003d 10 –7 H / m. Untuk menentukan ukuran dan arah B pada titik mana pun di ruang, yang menciptakan konduktor dengan panjang yang besar dan bentuk yang berubah-ubah, Anda harus secara mental memecah konduktor menjadi segmen-segmen pendek, menghitung nilainya bdan menentukan arah bidang yang dibuat oleh segmen garis individual, lalu menambahkan bidang individual ini secara vektor. Misalnya jika saat ini saya dalam konduktor membentuk lingkaran dengan jari-jari sebuah, diarahkan searah jarum jam, maka bidang di tengah lingkaran mudah dihitung. Dalam rumus (13), jarak r dari setiap elemen konduktor ke pusat lingkaran tersebut sebuah dan f \u003d 90 °. Selain itu, margin yang dihasilkan oleh setiap elemen tegak lurus dengan bidang lingkaran dan menjauhi pembaca. Menambahkan semua bidang, kami mendapatkan induksi magnet di tengah:

Untuk menemukan medan di dekat konduktor yang dibuat oleh konduktor pembawa arus yang lurus dan sangat panjang saya, untuk penjumlahan bidang, seseorang perlu menggunakan integrasi. Bidang yang ditemukan dengan cara ini sama dengan:

dimana r Adalah jarak tegak lurus dari konduktor. Ekspresi ini digunakan dalam definisi ampere yang diterima saat ini.

Galvanometer.

Relation (12) memungkinkan Anda membandingkan kekuatan arus listrik. Perangkat yang dibuat untuk tujuan ini disebut galvanometer. Perangkat semacam itu pertama kali dibuat oleh I. Schweiger pada tahun 1820. Itu adalah gulungan kawat dengan jarum magnet digantung di dalamnya. Arus yang diukur melewati kumparan dan menciptakan medan magnet di sekitar panah. Panah bekerja pada torsi yang sebanding dengan kekuatan arus, yang diimbangi dengan elastisitas benang suspensi. Medan magnet bumi terdistorsi, tetapi pengaruhnya dapat dihilangkan dengan mengelilingi panah dengan magnet permanen. Pada tahun 1858 W. Thomson, lebih dikenal sebagai Lord Kelvin, memasang cermin ke penunjuk dan memperkenalkan sejumlah perbaikan lain yang secara signifikan meningkatkan sensitivitas galvanometer. Galvanometer semacam itu termasuk dalam kelas perangkat dengan penunjuk yang dapat digerakkan.

Meskipun galvanometer penunjuk bergerak dapat dibuat sangat sensitif, galvanometer hampir sepenuhnya digantikan oleh kumparan bergerak atau perangkat bingkai yang ditempatkan di antara kutub magnet permanen. Medan magnet magnet tapal kuda besar di galvanometer ternyata sangat kuat dibandingkan dengan medan magnet bumi sehingga pengaruhnya dapat diabaikan (Gbr. 4). Galvanometer dengan rangka yang dapat digerakkan diusulkan pada tahun 1836 oleh W. Steurgen (1783–1850), tetapi tidak menerima pengakuan yang semestinya sampai, pada tahun 1882, J.D. Arsonval membuat versi modern dari perangkat ini.

Induksi elektromagnetik.

Setelah Oersted menemukan bahwa arus searah menciptakan torsi yang bekerja pada magnet, banyak upaya telah dilakukan untuk mendeteksi arus yang disebabkan oleh keberadaan magnet. Namun, magnetnya terlalu lemah dan metode pengukuran saat ini terlalu kasar untuk mendeteksi efek apa pun. Akhirnya, dua peneliti - J.Henry (1797-1878) di Amerika dan M. Faraday (1791-1867) di Inggris - secara independen menemukan pada tahun 1831 bahwa ketika medan magnet berubah di sirkuit konduksi di dekatnya, arus jangka pendek muncul, tetapi arus efek tidak ada jika medan magnet tetap konstan.

Faraday percaya bahwa tidak hanya listrik, tetapi juga medan magnet adalah garis-garis gaya yang mengisi ruang. Jumlah garis medan magnet yang melintasi permukaan sembarang s, sesuai dengan nilai F, yang disebut fluks magnet:

dimana B n - proyeksi medan magnet B ke elemen normal ke area ds... Satuan untuk mengukur fluks magnet disebut weber (Wb); 1 Wb \u003d 1 TlChm 2.

Faraday merumuskan hukum tentang EMF yang diinduksi dalam loop tertutup kawat oleh medan magnet yang berubah (hukum induksi magnet). Menurut hukum ini, EMF seperti itu sebanding dengan laju perubahan fluks magnet total melalui kumparan. Dalam sistem satuan SI, faktor proporsionalitasnya adalah 1 dan, dengan demikian, EMF (dalam volt) sama dengan laju perubahan fluks magnet (dalam Wb / s). Secara matematis, ini dinyatakan dengan rumus

dimana tanda minus menunjukkan bahwa medan magnet dari arus yang diciptakan oleh EMF ini diarahkan sedemikian rupa sehingga mengurangi perubahan fluks magnet. Aturan untuk menentukan arah EMF yang diinduksi ini konsisten dengan aturan yang lebih umum yang dirumuskan pada tahun 1833 oleh E. Lenz (1804–1865): EMF yang diinduksi diarahkan agar melawan penyebab yang menyebabkannya. Dalam kasus sirkuit tertutup di mana arus terjadi, aturan ini dapat diturunkan langsung dari hukum kekekalan energi; aturan ini menentukan arah EMF yang diinduksi juga dalam kasus rangkaian terbuka, ketika arus induksi tidak muncul.

Jika koil terdiri dari N lilitan kawat, yang masing-masing ditembus oleh fluks magnet F, kemudian

Hubungan ini berlaku terlepas dari alasan perubahan fluks magnet yang menembus sirkuit.

Generator.

Prinsip pengoperasian generator mesin listrik ditunjukkan pada Gambar. 5. Lingkaran persegi panjang dari kawat berputar berlawanan arah jarum jam dalam medan magnet di antara kutub magnet. Ujung kumparan dibawa ke cincin selip dan dihubungkan ke sirkuit eksternal melalui sikat kontak. Ketika bidang loop tegak lurus dengan medan, fluks magnet yang menembus loop maksimal. Jika bidang lingkaran sejajar dengan bidang, maka fluks magnet adalah nol. Ketika bidang lingkaran kembali tegak lurus dengan medan, setelah berputar 180 °, fluks magnet melalui loop maksimum ke arah yang berlawanan. Jadi, dengan perputaran kumparan, fluks magnet yang menembusnya terus menerus berubah dan, sesuai dengan hukum Faraday, tegangan yang melintasi terminal berubah.

Untuk menganalisa apa yang terjadi pada alternator sederhana, kita akan mengasumsikan bahwa fluks magnet positif pada sudutnya q berada dalam kisaran dari 0 ° hingga 180 °, dan negatif ketika q berkisar dari 180 ° hingga 360 °. Jika sebuah B - induksi medan magnet dan SEBUAH Merupakan luas loop, maka fluks magnet yang melalui loop akan sama dengan:

Jika kumparan berputar pada suatu frekuensi f rev / s (mis.2 pf rad / s), lalu setelah beberapa saat t dari saat dimulainya rotasi saat q sama dengan 0, kami dapatkan q = 2pft senang. Jadi, ekspresi aliran melalui loop mengambil bentuk

Menurut hukum Faraday, tegangan induksi diperoleh dengan membedakan fluks:

Tanda-tanda di sikat pada gambar menunjukkan polaritas tegangan yang diinduksi pada saat yang sesuai. Kosinusnya berubah dari +1 menjadi -1, jadi nilainya 2 pfAB hanya ada amplitudo tegangan; Anda dapat menunjukkannya dengan dan menulis

(Dalam hal ini, kami menghilangkan tanda minus, menggantinya dengan pilihan yang tepat dari polaritas kabel generator pada Gbr. 5.) Pada Gbr. Gambar 6 menunjukkan grafik variasi tegangan dari waktu ke waktu

Tegangan yang dibangkitkan oleh generator sederhana yang dijelaskan secara berkala membalikkan arahnya; hal yang sama berlaku untuk arus yang dibuat di sirkuit listrik oleh tegangan ini. Generator seperti itu disebut alternator.

Arus yang selalu mempertahankan arah yang sama disebut konstan. Dalam beberapa kasus, misalnya, untuk mengisi baterai, diperlukan arus ini. Ada dua cara untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak-balik. Salah satunya adalah penyearah termasuk dalam rangkaian eksternal, melewatkan arus hanya dalam satu arah. Hal ini memungkinkan, seolah-olah, untuk mematikan generator selama satu setengah siklus dan menyalakannya hanya dalam setengah siklus tersebut ketika tegangan memiliki polaritas yang diinginkan. Cara lain adalah dengan mengganti kontak yang menghubungkan belokan ke sirkuit eksternal setiap setengah siklus ketika tegangan membalikkan polaritas. Kemudian arus pada rangkaian eksternal akan selalu diarahkan ke satu arah, meskipun tegangan yang diinduksi pada loop berubah polaritasnya. Peralihan kontak dilakukan dengan menggunakan setengah cincin kolektor yang dipasang sebagai pengganti cincin selip, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, dan... Ketika bidang belok vertikal, laju perubahan fluks magnet dan oleh karena itu tegangan yang diinduksi turun menjadi nol. Pada saat inilah sikat meluncur di atas celah yang memisahkan dua setengah cincin, dan sakelar sirkuit eksternal. Tegangan yang muncul di sirkuit eksternal berubah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, b.

Induksi timbal balik.

Jika dua kumparan tertutup kawat terletak bersebelahan, tetapi tidak terhubung secara elektrik satu sama lain, maka ketika arus berubah di salah satunya, EMF diinduksi di yang lain. Karena fluks magnet melalui kumparan kedua sebanding dengan arus pada kumparan pertama, perubahan arus ini memerlukan perubahan fluks magnet dengan induksi EMF yang sesuai. Kumparan dapat dibalik, dan kemudian ketika arus berubah pada kumparan kedua, EMF akan diinduksi pada kumparan pertama. EMF yang diinduksi dalam satu kumparan ditentukan oleh laju perubahan arus di kumparan lainnya dan bergantung pada ukuran dan jumlah lilitan masing-masing kumparan, serta pada jarak antara kumparan dan orientasinya relatif satu sama lain. Hubungan ini relatif sederhana jika tidak ada bahan magnetis di dekatnya. Rasio EMF yang diinduksi dalam satu kumparan dengan laju perubahan arus di kumparan lainnya disebut koefisien induksi timbal balik dari dua kumparan yang sesuai dengan lokasi yang diberikan. Jika EMF yang diinduksi dinyatakan dalam volt, dan laju perubahan arus dalam ampere per detik (A / s), maka induksi timbal balik akan dinyatakan dalam henry (H). EMF yang diinduksi dalam kumparan diberikan oleh rumus berikut:

dimana M - Koefisien induksi timbal balik dari dua kumparan. Kumparan yang terhubung ke sumber arus biasanya disebut kumparan primer atau lilitan, dan kumparan lainnya disebut kumparan sekunder. Arus searah pada belitan primer tidak menghasilkan tegangan pada belitan sekunder, meskipun pada saat arus dihidupkan dan dimatikan, EMF terjadi untuk waktu yang singkat pada belitan sekunder. Tetapi jika EMF dihubungkan ke belitan primer, yang menciptakan arus bolak-balik pada belitan ini, EMF bolak-balik juga diinduksi pada belitan sekunder. Dengan demikian, belitan sekunder dapat memasok beban aktif atau rangkaian lain dengan arus bolak-balik tanpa langsung menghubungkannya ke sumber EMF.

Transformer.

Induktansi timbal balik dari dua belitan dapat sangat ditingkatkan dengan menggulungnya pada inti bersama yang terbuat dari bahan feromagnetik seperti besi. Alat seperti itu disebut transformator. Dalam transformator modern, inti feromagnetik membentuk sirkuit magnet tertutup, sehingga hampir semua fluks magnet melewati inti dan melalui kedua belitan. Sumber EMF bolak-balik yang terhubung ke belitan primer menciptakan fluks magnet bolak-balik di inti besi. Fluks ini menginduksi EMF variabel pada belitan primer dan sekunder, dan nilai maksimum setiap EMF sebanding dengan jumlah belitan pada belitan yang sesuai. Pada transformator yang baik, resistansi belitan sangat kecil sehingga EMF yang diinduksi pada belitan primer hampir bertepatan dengan tegangan yang diberikan, dan perbedaan potensial pada terminal belitan sekunder hampir bertepatan dengan EMF yang diinduksi di dalamnya.

Dengan demikian, rasio penurunan tegangan pada beban belitan sekunder terhadap tegangan yang diterapkan pada belitan primer sama dengan rasio jumlah belitan pada belitan sekunder dan primer, yang biasanya ditulis dalam bentuk persamaan.

dimana V. 1 - tegangan jatuh N 1 putaran belitan primer, dan V. 2 - tegangan jatuh N 2 putaran belitan sekunder. Bergantung pada rasio jumlah belitan pada belitan primer dan sekunder, transformator step-up dan step-down dibedakan. Sikap N 2 /N 1 adalah lebih dari satu pada transformator step-up dan kurang dari satu pada transformator step-down. Transformator memungkinkan transmisi ekonomis energi listrik jarak jauh.

Induksi diri.

Arus listrik dalam kumparan tunggal juga menciptakan fluks magnet yang menembus kumparan itu sendiri. Jika arus dalam kumparan berubah seiring waktu, maka fluks magnet melalui kumparan juga akan berubah, menginduksi EMF di dalamnya dengan cara yang sama seperti yang terjadi saat transformator beroperasi. Munculnya EMF dalam kumparan ketika arus di dalamnya berubah disebut induksi sendiri. Self-induction mempengaruhi arus dalam kumparan dengan cara yang sama seperti inersia mempengaruhi pergerakan benda dalam mekanika: ini memperlambat pembentukan arus searah di sirkuit saat dihidupkan dan mencegahnya berhenti segera saat diputar mati. Ini juga menyebabkan percikan api yang melompat di antara kontak sakelar saat rangkaian dibuka. Dalam rangkaian arus bolak-balik, induksi sendiri menciptakan reaktansi yang membatasi amplitudo arus.

Dengan tidak adanya bahan magnet di dekat kumparan stasioner, fluks magnet yang melewatinya sebanding dengan arus di sirkuit. Menurut hukum Faraday (16), EMF induksi diri dalam hal ini harus proporsional dengan laju perubahan arus, yaitu.

dimana L - Koefisien proporsionalitas, disebut induksi diri atau induktansi rangkaian. Rumus (18) dapat dianggap sebagai definisi kuantitas L... Jika EMF diinduksi di koil dinyatakan dalam volt, arus saya - dalam ampere dan waktu t - dalam beberapa detik, lalu L akan diukur dalam henry (Hn). Tanda minus menunjukkan bahwa EMF yang diinduksi melawan kenaikan arus saya, sebagai berikut dari hukum Lenz. EMF eksternal yang mengatasi EMF induksi-diri harus memiliki tanda plus. Oleh karena itu, dalam rangkaian AC, penurunan tegangan pada induktansi adalah L di/dt.

MENGUBAH ARUS

Seperti yang telah disebutkan, arus bolak-balik adalah arus yang arahnya berubah secara berkala. Jumlah siklus siklus arus per detik disebut frekuensi arus bolak-balik dan diukur dalam hertz (Hz). Listrik biasanya disuplai ke konsumen dalam bentuk arus bolak-balik dengan frekuensi 50 Hz (di Rusia dan di negara-negara Eropa) atau 60 Hz (di AS).

Karena arus bolak-balik berubah seiring waktu, solusi sederhana yang sesuai untuk rangkaian arus searah tidak dapat diterapkan secara langsung di sini. Pada frekuensi yang sangat tinggi, muatan dapat berosilasi - mengalir dari satu tempat di sirkuit ke tempat lain dan kembali. Dalam hal ini, berbeda dengan rangkaian DC, arus pada konduktor yang terhubung seri mungkin tidak sama. Kapasitansi yang ada di sirkuit AC memperkuat efek ini. Selain itu, ketika arus berubah, efek induksi sendiri memiliki efek, yang menjadi signifikan bahkan pada frekuensi rendah jika kumparan induktansi tinggi digunakan. Pada frekuensi yang relatif rendah, rangkaian AC masih dapat dihitung menggunakan aturan Kirchhoff, yang, bagaimanapun, perlu dimodifikasi.

Sirkuit yang mencakup berbagai resistor, induktor, dan kapasitor dapat dipandang seolah-olah itu adalah resistor, kapasitor, dan induktor umum yang dihubungkan secara seri. Pertimbangkan properti dari rangkaian seperti itu yang terhubung ke generator arus bolak-balik sinusoidal (Gbr. 8). Untuk merumuskan aturan penghitungan rangkaian AC, Anda perlu mencari hubungan antara penurunan tegangan dan arus untuk masing-masing komponen rangkaian tersebut.

Kapasitor memainkan peran yang sangat berbeda dalam rangkaian AC dan DC. Jika, misalnya, sirkuit pada Gambar. 8 hubungkan sel elektrokimia, kemudian kapasitor akan mulai mengisi sampai tegangan yang melewatinya menjadi sama dengan EMF sel. Kemudian pengisian akan berhenti dan arus akan turun ke nol. Jika rangkaian dihubungkan ke alternator, maka dalam satu setengah siklus, elektron akan mengalir keluar dari plat kiri kapasitor dan terakumulasi di sebelah kanan, begitu juga sebaliknya di setengah siklus lainnya. Elektron yang bergerak ini mewakili arus bolak-balik, yang kekuatannya sama di kedua sisi kapasitor. Selama frekuensi AC tidak terlalu tinggi, arus yang melalui resistor dan induktor juga sama.

Di atas, diasumsikan bahwa arus bolak-balik di sirkuit telah terbentuk. Pada kenyataannya, ketika rangkaian dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik, transien terjadi di dalamnya. Jika resistansi rangkaian tidak dapat diabaikan, arus transien melepaskan energinya dalam bentuk panas dalam resistor dan meluruh dengan cepat, setelah itu mode arus bolak-balik stasioner ditetapkan, seperti yang diasumsikan di atas. Dalam banyak kasus, transien di sirkuit AC dapat diabaikan. Jika mereka perlu diperhitungkan, maka perlu untuk menyelidiki persamaan diferensial yang menggambarkan ketergantungan arus tepat waktu.

Nilai-nilai yang efektif.

Tugas utama pembangkit listrik distrik pertama adalah menyediakan cahaya yang dibutuhkan untuk filamen lampu penerangan. Oleh karena itu, muncul pertanyaan tentang efisiensi penggunaan arus searah dan bolak-balik untuk rangkaian ini. Menurut rumus (7), untuk energi listrik yang diubah menjadi panas dalam resistor, pelepasan panas sebanding dengan kuadrat kuat arus. Dalam kasus arus bolak-balik, pembangkitan panas terus berfluktuasi bersama dengan nilai seketika dari kuadrat arus. Jika arus berubah menurut hukum sinusoidal, maka nilai rata-rata waktu kuadrat arus sesaat sama dengan setengah kuadrat arus maksimum, yaitu.

dimana dapat dilihat bahwa semua daya dihabiskan untuk memanaskan resistor, sedangkan daya tidak diserap di kapasitor dan induktor. Benar, induktor nyata memang menyerap sebagian daya, terutama jika mereka memiliki inti besi. Dengan pembalikan magnetisasi berkelanjutan, inti besi memanas - sebagian oleh arus yang diinduksi pada besi, dan sebagian lagi karena gesekan internal (histeresis), yang mencegah pembalikan magnetisasi. Selain itu, induktansi dapat menginduksi arus di sirkuit terdekat. Saat diukur dalam rangkaian AC, semua kerugian ini muncul sebagai kerugian daya dalam resistansi. Oleh karena itu, resistansi rangkaian yang sama untuk arus bolak-balik biasanya sedikit lebih tinggi daripada arus searah, dan ditentukan melalui rugi daya:

Agar pembangkit listrik beroperasi secara ekonomis, kehilangan panas di saluran transmisi listrik (TL) harus cukup rendah. Jika sebuah P c – listrik dipasok ke konsumen, lalu P c = V c I untuk arus dc dan ac, karena jika dihitung dengan benar, cos q bisa dijadikan satu. Kerugian di saluran listrik akan menjadi P l = R l I 2 = R l P c 2 /V c 2. Karena jalur transmisi membutuhkan setidaknya dua konduktor panjangnya l, perlawanannya R l = r2l/SEBUAH... Dalam hal ini, kerugian baris

Jika konduktor terbuat dari tembaga, resistivitas r yang minimal, maka tidak ada nilai di pembilang yang dapat dikurangi secara signifikan. Satu-satunya cara praktis untuk mengurangi kerugian adalah dengan meningkatkan V c 2, karena penggunaan konduktor dengan luas penampang yang besar SEBUAH tidak menguntungkan. Ini berarti bahwa daya harus disalurkan menggunakan tegangan setinggi mungkin. Generator mesin listrik yang digerakkan oleh turbin konvensional tidak dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi yang tidak dapat ditahan oleh insulasinya. Selain itu, tegangan ekstra tinggi berbahaya bagi personel servis. Namun, tegangan AC yang dihasilkan oleh pembangkit listrik dapat ditingkatkan untuk transmisi melalui saluran listrik dengan menggunakan trafo. Di ujung lain saluran listrik, konsumen menggunakan trafo step-down yang memberikan output tegangan rendah yang lebih aman dan praktis. Saat ini, tegangan pada saluran transmisi listrik mencapai 750.000 V.

Literatur:

Rogers E. Fisika bagi yang penasaran, t. 3.M., 1971
Orier J. Fisika, t. 2.M., 1981
Giancoli D. Fisika, t. 2.M., 1989

Magnetisme telah dipelajari sejak zaman kuno, dan selama dua abad terakhir telah menjadi dasar peradaban modern.

Alexey Levin

Umat \u200b\u200bmanusia telah mengumpulkan pengetahuan tentang fenomena magnet setidaknya selama tiga setengah ribu tahun (pengamatan pertama gaya listrik terjadi seribu tahun kemudian). Empat ratus tahun yang lalu, pada awal fisika, sifat magnetis zat dipisahkan dari listrik, setelah itu untuk waktu yang lama keduanya dipelajari secara independen. Ini adalah bagaimana dasar eksperimental dan teoritis diciptakan, yang pada pertengahan abad ke-19 menjadi dasar untuk teori terpadu fenomena elektromagnetik. Kemungkinan besar, sifat yang tidak biasa dari mineral magnetit alam (bijih besi magnet, Fe3O4) telah diketahui di Mesopotamia sejak Zaman Perunggu. Dan setelah kemunculan metalurgi besi, mustahil untuk tidak memperhatikan bahwa magnetit menarik produk besi. Alasan ketertarikan semacam itu sudah dipikirkan oleh bapak filosofi Yunani Thales of Miletus (sekitar 640-546 SM), yang menjelaskannya dengan animasi khusus mineral ini (Thales juga tahu bahwa ambar yang digosokkan pada wol menarik daun kering dan daun kecil. keripik, dan karena itu memberinya kekuatan spiritual). Belakangan, para pemikir Yunani berbicara tentang uap tak terlihat yang menyelimuti magnetit dan besi dan menariknya satu sama lain. Tidaklah mengherankan bahwa kata "magnet" juga memiliki akar bahasa Yunani. Kemungkinan besar, itu kembali ke nama Magnesia-y-Sipila, sebuah kota di Asia Kecil, di dekat tempat magnetit diendapkan. Penyair Yunani Nikandr menyebutkan tentang gembala Magnis, yang berada di sebelah batu yang menarik ujung besi tongkatnya ke dirinya sendiri, tetapi ini, kemungkinan besar, hanyalah legenda yang indah.

Magnet alam juga tertarik pada Tiongkok kuno. Kemampuan magnetit untuk menarik besi disebutkan dalam risalah The Spring and Autumn Records of Master Liu, bertanggal kembali ke 240 SM. Seabad kemudian, orang Cina menyadari bahwa magnetit tidak berpengaruh pada tembaga atau keramik. Pada abad VII-VIII. / bm9icg \u003d\u003d\u003d\u003e ekah mereka menemukan bahwa jarum besi bermagnet yang tergantung bebas berubah menjadi Bintang Utara. Akibatnya, pada paruh kedua abad ke-11, kompas laut asli muncul di Tiongkok; navigator Eropa menguasainya seratus tahun kemudian. Kira-kira pada waktu yang sama, orang China menemukan bahwa jarum magnet mengarah ke timur dari arah ke utara dan dengan demikian menemukan deklinasi magnetik, jauh di depan para navigator Eropa dalam hal ini, yang sampai pada kesimpulan ini hanya pada abad ke-15.

Magnet kecil

Dalam feromagnet, momen magnet intrinsik atom disejajarkan secara paralel (energi orientasi ini minimal). Akibatnya, daerah magnet terbentuk, domain adalah magnet permanen mikroskopis (10−4-10−6 m) yang dipisahkan oleh dinding domain. Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, momen magnet dari domain diorientasikan secara acak di feromagnet; di bidang eksternal, batas-batas mulai bergeser, sehingga domain dengan momen sejajar dengan medan menggantikan semua yang lain - feromagnet adalah termagnetisasi.

Asal muasal ilmu magnetisme

Deskripsi pertama di Eropa tentang sifat-sifat magnet alami dibuat oleh orang Prancis Pierre de Maricourt. Pada 1269 ia bertugas di pasukan Raja Charles dari Anjou dari Sisilia, yang mengepung kota Lucera di Italia. Dari sana dia mengirim dokumen ke temannya di Picardia, yang tercatat dalam sejarah sains sebagai "Surat pada Magnet" (Epistola de Magnete), di mana dia menceritakan tentang eksperimennya dengan bijih besi magnet. Marikur memperhatikan bahwa di setiap bagian magnetit ada dua daerah yang sangat menarik besi. Dia melihat kesejajaran antara zona ini dan kutub bola langit dan meminjam nama mereka untuk wilayah gaya magnet maksimum - itulah mengapa kita sekarang berbicara tentang kutub magnet utara dan selatan. Jika Anda mematahkan sepotong magnetit menjadi dua, tulis Marikour, setiap potongan memiliki kutubnya sendiri. Marikur tidak hanya membenarkan bahwa baik tarikan dan tolakan terjadi antara potongan magnetit (ini sudah diketahui), tetapi untuk pertama kalinya dia menghubungkan efek ini dengan interaksi antara kutub berlawanan (utara dan selatan) atau seperti kutub.

Banyak sejarawan sains menganggap Marikur sebagai pelopor sains eksperimental Eropa yang tak terbantahkan. Bagaimanapun, catatannya tentang magnet muncul dalam lusinan salinan, dan setelah munculnya percetakan, itu diterbitkan sebagai brosur terpisah. Mereka dikutip dengan hormat oleh banyak naturalis hingga abad ke-17. Karya ini dikenal baik oleh naturalis Inggris dan dokter (dokter Ratu Elizabeth dan penggantinya James I) William Gilbert, yang pada tahun 1600 menerbitkan (sebagaimana mestinya, dalam bahasa Latin) sebuah karya yang luar biasa "Pada magnet, benda magnet dan magnet besar - Bumi ". Dalam buku ini, Hilbert tidak hanya mengutip hampir semua informasi yang diketahui tentang sifat magnet alami dan besi termagnetisasi, tetapi juga menggambarkan eksperimennya sendiri dengan bola magnetit, dengan bantuannya ia mereproduksi fitur utama magnet terestrial. Misalnya, ia menemukan bahwa di kedua kutub magnet "Bumi kecil" (Latin terrella), jarum kompas dipasang tegak lurus dengan permukaannya, di ekuator - sejajar, dan di garis lintang tengah - di posisi tengah. Jadi Hilbert memodelkan kemiringan magnet, yang keberadaannya telah diketahui di Eropa selama lebih dari setengah abad (pada tahun 1544 fenomena ini pertama kali dijelaskan oleh mekanik Nuremberg, Georg Hartmann).

Sebuah revolusi dalam navigasi. Kompas telah merevolusi navigasi maritim, menjadikan perjalanan global bukan hanya insiden yang terisolasi, tetapi juga rutinitas biasa.

Hilbert mereproduksi pada modelnya deklinasi geomagnetik, yang dia kaitkan dengan permukaan bola yang tidak mulus secara ideal (dan karena itu, dalam skala planet, menjelaskan efek ini dengan daya tarik benua). Dia menemukan bahwa besi yang sangat panas kehilangan sifat magnetnya, tetapi ketika didinginkan, mereka pulih. Akhirnya, Hilbert adalah orang pertama yang membuat perbedaan yang jelas antara tarikan magnet dan tarikan amber gosok, yang disebutnya gaya listrik (dari nama Latin untuk elektrum amber). Secara umum, itu adalah karya yang sangat inovatif, dihargai oleh orang sezaman dan keturunannya. Penegasan Hilbert bahwa Bumi harus dianggap sebagai "magnet besar" menjadi kesimpulan ilmiah fundamental kedua tentang sifat fisik planet kita (yang pertama adalah penemuan kebulatannya, dibuat pada zaman purbakala).

Dua abad jeda

Setelah Hilbert, ilmu magnetisme mengalami kemajuan yang sangat sedikit hingga awal abad ke-19. Apa yang telah dilakukan selama ini secara harfiah dapat dihitung dengan jari. Pada tahun 1640, mahasiswa Galileo Benedetto Castelli menjelaskan daya tarik magnetit dengan adanya banyak partikel magnetik kecil dalam komposisinya - tebakan pertama dan sangat tidak sempurna bahwa sifat kemagnetan harus dicari pada tingkat atom. Orang Belanda Sebald Brugmans memperhatikan pada tahun 1778 bahwa bismut dan antimon menolak kutub jarum magnet - ini adalah contoh pertama dari fenomena fisik yang oleh Faraday disebut diamagnetisme 67 tahun kemudian. Pada tahun 1785, Charles-Augustin Coulomb, melalui pengukuran presisi pada keseimbangan torsi, menunjukkan bahwa gaya interaksi kutub magnet berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya - seperti gaya interaksi antar muatan listrik (tahun 1750, orang Inggris John Michell sampai pada kesimpulan yang sama, tetapi kesimpulan Coulomb jauh lebih dapat diandalkan).

Tetapi studi tentang kelistrikan pada tahun-tahun itu bergerak dengan pesat. Ini tidak sulit untuk dijelaskan. Magnet alam tetap menjadi satu-satunya sumber utama gaya magnet - sains tidak mengenal orang lain. Kekuatan mereka stabil, tidak dapat diubah (kecuali dihancurkan oleh pemanasan), apalagi yang dihasilkan sesuka hati. Jelas bahwa keadaan ini sangat membatasi kemungkinan para peneliti.

Listrik berada dalam posisi yang jauh lebih menguntungkan karena dapat diterima dan disimpan. Generator muatan statis pertama dibangun pada tahun 1663 oleh walikota Magdeburg Otto von Guericke (belahan Magdeburg yang terkenal juga merupakan gagasannya). Seabad kemudian, generator semacam itu menjadi begitu tersebar luas sehingga mereka diperlihatkan bahkan pada resepsi masyarakat kelas atas. Pada 1744, seorang Jerman Ewald Georg von Kleist dan tidak lama kemudian orang Belanda Peter van Muschenbruck menemukan tabung Leyden, kapasitor listrik pertama; pada saat yang sama, elektrometer pertama kali muncul. Akibatnya, pada akhir abad ke-18, sains mengetahui lebih banyak tentang listrik daripada pada awalnya. Tapi ini tidak bisa dikatakan tentang magnetisme.

Dan kemudian segalanya berubah. Pada tahun 1800, Alessandro Volta menemukan sumber kimia pertama untuk arus listrik, baterai galvanik, yang juga dikenal sebagai tiang volta. Setelah itu, penemuan hubungan antara listrik dan magnet tinggal menunggu waktu. Ini bisa terjadi paling cepat tahun depan, ketika ahli kimia Prancis Nicolas Gautereau memperhatikan bahwa dua kabel paralel dengan arus saling tertarik. Namun, baik dia, maupun Laplace yang agung, maupun fisikawan eksperimental yang luar biasa Jean-Baptiste Biot, yang kemudian mengamati fenomena ini, tidak mementingkan hal itu. Oleh karena itu, prioritasnya tepat pergi ke ilmuwan, yang sejak lama mengasumsikan adanya hubungan semacam itu dan mengabdikan bertahun-tahun untuk mencarinya.

Dari Kopenhagen ke Paris

Semua orang membaca dongeng dan cerita Hans Christian Andersen, tetapi hanya sedikit orang yang tahu bahwa ketika penulis The Naked King and Thumbelina di masa depan mencapai Kopenhagen sebagai remaja berusia empat belas tahun, dia menemukan seorang teman dan pelindung dalam diri orang dengan nama ganda yang sama. , seorang profesor fisika dan kimia biasa di Universitas Kopenhagen Hans Christian Oersted. Dan keduanya memuliakan negara mereka ke seluruh dunia.

Variasi medan magnet Ampere mempelajari interaksi antara konduktor paralel dengan arus. Ide-idenya dikembangkan oleh Faraday, yang mengajukan konsep garis medan magnet.

Sejak tahun 1813, Oersted secara sadar mencoba untuk membangun hubungan antara listrik dan magnet (dia adalah penganut filsuf besar Immanuel Kant, yang percaya bahwa semua kekuatan alam memiliki kesatuan batin). Oersted menggunakan kompas sebagai indikator, tetapi untuk waktu yang lama tidak berhasil. Oersted berharap kekuatan magnet dari arus itu sejajar dengan dirinya, dan untuk memperoleh torsi maksimum, ia memposisikan kabel listrik tegak lurus dengan jarum kompas. Secara alami, panah tidak bereaksi terhadap penyalaan arus. Dan hanya pada musim semi tahun 1820, selama kuliah, Oersted merentangkan kawat sejajar dengan panah (entah untuk melihat apa yang akan terjadi, atau dia memiliki hipotesis baru - sejarawan fisika masih memperdebatkan hal ini). Dan di sinilah anak panah itu mengayun - tidak terlalu banyak (Oersted memiliki baterai berdaya rendah), tetapi masih terlihat.

Benar, penemuan besar itu belum terjadi pada saat itu. Untuk beberapa alasan, Oersted menghentikan percobaan selama tiga bulan dan kembali ke percobaan tersebut hanya pada bulan Juli. Dan saat itulah dia menyadari bahwa "efek magnetis dari arus listrik diarahkan sepanjang lingkaran yang melingkupi arus ini." Ini adalah kesimpulan yang paradoks, karena gaya berputar sebelumnya tidak muncul baik dalam mekanika atau cabang fisika lainnya. Oersted menguraikan temuannya dalam sebuah artikel dan mengirimkannya ke beberapa jurnal ilmiah pada 21 Juli. Kemudian dia tidak lagi mempelajari elektromagnetisme, dan relai diteruskan ke ilmuwan lain. Orang Paris adalah yang pertama menerimanya. Pada tanggal 4 September, fisikawan dan matematikawan terkenal Dominic Arago berbicara tentang penemuan Oersted pada pertemuan Akademi Ilmu Pengetahuan. Rekannya André-Marie Ampere memutuskan untuk menangani aksi magnetis arus dan memulai eksperimen keesokan harinya. Pertama-tama, dia mengulangi dan mengkonfirmasi eksperimen Oersted, dan pada awal Oktober dia menemukan bahwa konduktor paralel tertarik jika arus mengalir melalui mereka ke arah yang sama, dan menolak - jika berlawanan arah. Ampere mempelajari interaksi antara konduktor non-paralel dan menyajikannya dengan rumus (hukum Ampere). Dia juga menunjukkan bahwa konduktor melingkar dengan pergantian arus dalam medan magnet, seperti jarum kompas (dan sementara itu menemukan solenoida - kumparan magnet). Akhirnya, ia mengajukan hipotesis yang berani: arus melingkar paralel mikroskopis non-redaman mengalir di dalam material bermagnet, yang merupakan alasan aksi magnetnya. Pada saat yang sama, Bio dan Felix Savard bersama-sama mengidentifikasi hubungan matematis yang memungkinkan seseorang untuk menentukan intensitas medan magnet yang diciptakan oleh arus searah (hukum Bio-Savard).

Untuk menekankan kebaruan dari efek yang dipelajari, Ampere mengusulkan istilah "fenomena elektrodinamik" dan terus-menerus menggunakannya dalam terbitannya. Tapi ini belum elektrodinamika dalam pengertian modern. Oersted, Ampere dan rekan mereka bekerja dengan arus searah yang menciptakan gaya magnet statis. Fisikawan hanya perlu menemukan dan menjelaskan proses elektromagnetik nonstasioner yang benar-benar dinamis. Masalah ini diselesaikan pada tahun 1830-1870-an. Sekitar selusin peneliti dari Eropa (termasuk Rusia - ingat aturan Lenz) dan Amerika Serikat terlibat di dalamnya. Namun, prestasi utama tidak diragukan lagi adalah milik dua raksasa sains Inggris - Faraday dan Maxwell.

Tandem London

Bagi Michael Faraday, 1821 benar-benar tahun yang menentukan. Dia menerima posisi yang didambakan sebagai Superintendent of the Royal Institution of London dan, pada kenyataannya, secara tidak sengaja memulai program penelitian, berkat itu dia mengambil tempat yang unik dalam sejarah sains dunia.

Magnetik dan tidak begitu. Zat yang berbeda pada medan magnet luar berperilaku berbeda, hal ini disebabkan oleh perbedaan perilaku momen magnet intrinsik atom. Yang paling terkenal adalah feromagnet, ada paramagnet, antiferromagnet dan ferrimagnet, serta diameter, yang atom-atomnya tidak memiliki momen magnetnya sendiri (di medan eksternal mereka dimagnetisasi dengan lemah "melawan medan").

Itu terjadi seperti ini. Editor jurnal Annals of Philosophy, Richard Phillips, mengundang Faraday untuk menulis tinjauan kritis tentang karya baru tentang aksi magnetis saat ini. Faraday tidak hanya mengikuti nasihat ini dan menerbitkan "Sketsa Sejarah Elektromagnetisme", tetapi memulai penelitiannya sendiri, yang berlangsung selama bertahun-tahun. Pada awalnya, dia, seperti Ampere, mengulangi eksperimen Oersted, setelah itu dia melanjutkan. Pada akhir tahun 1821, ia telah membuat perangkat di mana konduktor pembawa arus diputar di sekitar magnet strip dan magnet lain diputar di sekitar konduktor kedua. Faraday menyarankan bahwa magnet dan kabel hidup dikelilingi oleh garis gaya konsentris, yang menentukan efek mekanisnya. Ini sudah menjadi cikal bakal konsep medan magnet, meski Faraday sendiri tidak menggunakan istilah semacam itu.

Pada awalnya, dia menghormati garis gaya sebagai metode yang nyaman untuk menggambarkan pengamatan, tetapi seiring waktu dia menjadi yakin akan realitas fisiknya (terutama karena dia menemukan cara untuk mengamati mereka dengan bantuan serbuk besi yang tersebar di antara magnet). Pada akhir tahun 1830-an, ia dengan jelas menyadari bahwa energi, yang merupakan sumber magnet permanen dan konduktor arus, didistribusikan dalam ruang yang dipenuhi garis gaya. Faktanya, Faraday sudah berpikir dalam istilah lapangan-teoritis, di mana dia jauh di depan orang-orang sezamannya.

Tapi penemuan utamanya adalah sesuatu yang lain. Pada Agustus 1831, Faraday berhasil membuat magnet menghasilkan arus listrik. Perangkatnya terdiri dari cincin besi dengan dua lilitan berlawanan. Salah satu spiral dapat dihubungkan ke baterai listrik, yang lainnya dihubungkan ke konduktor yang terletak di atas kompas magnet. Panah tidak berubah posisi jika arus searah mengalir melalui kumparan pertama, tetapi diayunkan saat dinyalakan dan dimatikan. Faraday menyadari bahwa saat ini, impuls listrik muncul pada belitan kedua, akibat munculnya atau hilangnya garis medan magnet. Dengan kata lain, ia menemukan bahwa perubahan medan magnet adalah penyebab gaya gerak listrik. Efek ini juga ditemukan oleh fisikawan Amerika Joseph Henry, tetapi dia menerbitkan hasilnya lebih lambat dari Faraday dan tidak membuat kesimpulan teoretis yang begitu serius.

Elektromagnet dan solenoida adalah inti dari banyak teknologi, yang tanpanya mustahil membayangkan peradaban modern: dari pembangkit listrik, generator listrik, motor listrik, transformator hingga komunikasi radio dan, secara umum, hampir semua elektronik modern.

Menjelang akhir hayatnya, Faraday sampai pada kesimpulan bahwa pengetahuan baru tentang elektromagnetisme membutuhkan rumusan matematis. Dia memutuskan bahwa tugas ini akan diserahkan kepada James Clerk Maxwell, seorang profesor muda di Marishall College di kota Aberdeen, Skotlandia, yang dia tulis pada November 1857. Dan Maxwell benar-benar menggabungkan semua pengetahuan tentang elektromagnetisme ke dalam satu teori matematika. Pekerjaan ini terutama dilakukan pada paruh pertama tahun 1860-an, ketika ia menjadi profesor filsafat alam di King's College London. Konsep medan elektromagnetik pertama kali muncul pada tahun 1864 dalam sebuah memoar yang disajikan kepada Royal Society of London. Maxwell menciptakan istilah ini yang berarti "bagian dari ruang yang berisi dan mengelilingi benda-benda dalam keadaan listrik atau magnet", dan secara khusus menekankan bahwa ruang ini dapat kosong atau diisi dengan segala jenis materi.

Hasil utama dari karya Maxwell adalah sistem persamaan yang menghubungkan fenomena elektromagnetik. Dalam Treatise on Electricity and Magnetism, yang diterbitkan pada tahun 1873, dia menyebutnya persamaan umum medan elektromagnetik, dan hari ini disebut persamaan Maxwell. Kemudian, mereka digeneralisasikan lebih dari sekali (misalnya, untuk menggambarkan fenomena elektromagnetik di berbagai lingkungan), dan juga ditulis ulang menggunakan formalisme matematika yang semakin sempurna. Maxwell juga menunjukkan bahwa persamaan ini menerima solusi yang melibatkan gelombang geser yang tidak teredam, kasus tertentu adalah cahaya tampak.

Teori Maxwell menyajikan magnet sebagai jenis interaksi khusus antara arus listrik. Fisika kuantum abad ke-20 hanya menambahkan dua poin baru pada gambaran ini. Kita sekarang tahu bahwa interaksi elektromagnetik dibawa oleh foton dan bahwa elektron serta banyak partikel elementer lainnya memiliki momen magnetnya sendiri. Semua pekerjaan eksperimental dan teoritis di bidang magnet didasarkan pada fondasi ini.

Berisi materi teoritis pada bagian "Magnet" dari disiplin "Fisika".

Dirancang untuk membantu siswa dengan spesialisasi teknis dari semua bentuk studi dalam pekerjaan mandiri, serta dalam persiapan untuk latihan, kolokium, dan ujian.

© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009

 Lembaga pendidikan negeri untuk pendidikan profesional tinggi "St. Petersburg State University of Telecommunications dinamai prof. M.A.Bonch-Bruevich ", 2009

PENGANTAR

Pada tahun 1820, seorang profesor di Universitas Kopenhagen, Hans Christian Oersted, mengajar tentang listrik, galvanisme, dan magnetisme. Pada saat itu, listrik disebut elektrostatika, galvanisme adalah sebutan untuk fenomena yang disebabkan oleh arus searah yang diterima dari baterai, kemagnetan dikaitkan dengan sifat-sifat bijih besi yang diketahui, dengan jarum kompas, dengan medan magnet bumi.

Untuk mencari hubungan antara galvanisme dan magnetisme, Oersted melakukan percobaan dengan melewatkan arus melalui kawat yang digantung di atas jarum kompas. Ketika arus dinyalakan, panah menyimpang dari arah meridional. Jika arah arus berubah atau panah ditempatkan di atas arus, itu menyimpang ke arah lain dari meridian.

Penemuan Oersted merupakan pendorong yang kuat untuk penelitian dan penemuan lebih lanjut. Sedikit waktu berlalu dan Ampere, Faraday dan yang lainnya melakukan studi lengkap dan akurat tentang aksi magnetis arus listrik. Penemuan Faraday tentang fenomena induksi elektromagnetik terjadi 12 tahun setelah percobaan Oersted. Berdasarkan penemuan eksperimental ini, teori klasik elektromagnetisme dibangun. Maxwell memberikannya bentuk akhir dan bentuk matematisnya, dan Hertz dengan cemerlang mengonfirmasinya pada tahun 1888, secara eksperimental membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik.

1. LAPANGAN MAGNETIK DALAM VAKUM

1.1. Interaksi arus. Induksi magnetik

Arus listrik berinteraksi satu sama lain. Pengalaman menunjukkan bahwa dua konduktor paralel lurus, yang melaluinya arus mengalir, ditarik jika arus di dalamnya memiliki arah yang sama, dan menolak jika arus berlawanan arah (Gbr. 1). Dalam hal ini, gaya interaksi mereka per satuan panjang konduktor berbanding lurus dengan kekuatan arus di masing-masing konduktor dan berbanding terbalik dengan jarak di antara mereka. Hukum interaksi arus ditetapkan secara eksperimental oleh André Marie Ampere pada tahun 1820.

Dalam logam, muatan total kisi ionik bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif adalah nol. Tuduhan didistribusikan secara merata di konduktor. Jadi, tidak ada medan listrik di sekitar konduktor. Itulah sebabnya konduktor tidak berinteraksi satu sama lain jika tidak ada arus.

Namun, dengan adanya arus (gerakan teratur pembawa muatan bebas), interaksi terjadi antara konduktor, yang biasa disebut magnet.

Dalam fisika modern, interaksi magnetis arus diinterpretasikan sebagai efek relativistik yang timbul dalam kerangka acuan, relatif terhadap gerakan muatan yang teratur. Dalam tutorial ini, kita akan menggunakan konsep medan magnet sebagai properti ruang yang mengelilingi arus listrik. Adanya medan magnet saat ini memanifestasikan dirinya ketika berinteraksi dengan konduktor lain dengan arus (hukum Ampere), atau ketika berinteraksi dengan partikel bermuatan yang bergerak (gaya Lorentz, Subbab 2.1), atau ketika jarum magnet yang ditempatkan di dekat konduktor dengan arus dibelokkan (Percobaan Oersted).

Untuk mengkarakterisasi medan magnet arus, kami memperkenalkan konsep vektor induksi magnet. Untuk ini, dengan cara yang sama seperti dalam menentukan karakteristik medan elektrostatis, konsep muatan titik uji digunakan, ketika memperkenalkan vektor induksi magnet, kita akan menggunakan rangkaian uji dengan arus. Biarkan datar tertutup kontur bentuknya sembarangan dan dimensi kecil. Begitu kecilnya sehingga pada titik-titik lokasinya, medan magnet bisa dianggap sama. Orientasi kontur dalam ruang akan dicirikan oleh vektor normal ke kontur yang terkait dengan arah arus di dalamnya dengan aturan sekrup kanan (gimlet): ketika gagang gimbal berputar searah arus (Gbr. . 2), pergerakan translasi ujung gimbal menentukan arah vektor normal satuan ke bidang kontur.

X karakteristik rangkaian uji adalah momen magnetnya, dimana s Apakah luas sirkuit uji.

E jika Anda menempatkan rangkaian uji dengan arus pada titik yang dipilih di sebelah arus maju, maka arus akan berinteraksi. Dalam hal ini, torsi sepasang gaya akan bekerja pada rangkaian uji dengan arus M (gbr. 3). Besarnya momen ini, seperti yang diperlihatkan oleh pengalaman, bergantung pada sifat-sifat medan pada suatu titik tertentu (ukuran konturnya kecil) dan pada sifat-sifat kontur (momen magnetnya).

Dalam gambar. 4, yang merupakan bagian dari Gambar. Gambar 3 dalam bidang horizontal, menunjukkan beberapa posisi rangkaian uji dengan arus dalam medan magnet arus maju saya... Titik dalam lingkaran menunjukkan arah arus menuju pengamat. Salib menunjukkan arah arus untuk gambar tersebut. Posisi 1 sesuai dengan keseimbangan kontur yang stabil ( M \u003d 0) saat gaya meregangnya. Posisi 2 sesuai dengan ekuilibrium yang tidak stabil ( M \u003d 0). Pada posisi 3, rangkaian uji dengan arus dipengaruhi oleh gaya torsi maksimum. Bergantung pada orientasi kontur, nilai torsi dapat mengambil nilai apa pun dari nol hingga maksimum. Pengalaman menunjukkan bahwa pada titik mana pun, yaitu nilai maksimum momen mekanis dari suatu pasangan gaya bergantung pada besarnya momen magnet dari rangkaian uji dan tidak dapat berfungsi sebagai karakteristik medan magnet pada titik yang diteliti. Rasio momen mekanis maksimum dari suatu pasangan gaya terhadap momen magnet dari rangkaian uji tidak bergantung pada momen magnetis dan dapat berfungsi sebagai karakteristik medan magnet. Ciri ini disebut induksi magnet (magnetic field induction)

DI kami membawanya sebagai besaran vektor. Untuk arah vektor induksi magnet, kita akan mengambil arah momen magnet dari rangkaian uji dengan arus, ditempatkan pada titik bidang yang diselidiki, pada posisi kesetimbangan stabil (posisi 1 pada Gambar 4). Arah ini bertepatan dengan arah ujung utara jarum magnet yang ditempatkan pada titik ini. Dari apa yang telah dikatakan berikut bahwa itu mencirikan efek gaya medan magnet pada arus dan, oleh karena itu, analog dengan kekuatan medan dalam elektrostatika. Bidang vektor dapat direpresentasikan dengan menggunakan garis-garis induksi magnet. Pada setiap titik garis, vektor diarahkan ke sana secara tangensial. Karena vektor induksi magnet di setiap titik medan memiliki arah tertentu, maka arah garis induksi magnet di setiap titik medan adalah unik. Akibatnya, garis-garis induksi magnet, serta garis-garis gaya medan listrik, tidak berpotongan. Dalam gambar. Gambar 5 menunjukkan beberapa garis induksi medan magnet arus maju, digambarkan dalam bidang tegak lurus terhadap arus. Mereka tampak seperti lingkaran tertutup yang berpusat pada sumbu saat ini.

Perlu diperhatikan bahwa garis induksi medan magnet selalu tertutup. Ini adalah ciri khas dari medan pusaran, di mana fluks vektor induksi magnet melalui permukaan tertutup yang berubah-ubah adalah nol (teorema Gauss dalam magnetisme).

1.2. Hukum Bio-Savard-Laplace.
Prinsip superposisi dalam magnet

Biot dan Savard melakukan studi tentang medan magnet arus dalam berbagai bentuk pada tahun 1820. Mereka menemukan bahwa induksi magnet dalam semua kasus sebanding dengan kekuatan arus yang menciptakan medan magnet. Laplace menganalisis data eksperimen yang diperoleh Biot dan Savard, dan menemukan medan magnet itu arus saya konfigurasi apa pun dapat dihitung sebagai jumlah vektor (superposisi) bidang yang dibuat oleh masing-masing bagian dasar arus.

D garis setiap bagian arus sangat kecil sehingga dapat dianggap sebagai segmen lurus, jarak dari titik pengamatan ke titik pengamatan jauh lebih besar. Lebih mudah untuk memperkenalkan konsep elemen arus di mana arah vektor bertepatan dengan arah arus saya, dan modulusnya adalah (Gbr. 6).

Untuk induksi medan magnet yang dibuat oleh elemen arus pada titik yang terletak di kejauhan r dari situ (Gbr. 6), Laplace menurunkan rumus yang valid untuk ruang hampa:

. (1.1)

Rumus hukum Biot - Savard - Laplace (1.1) ditulis dalam sistem SI, di mana ada konstanta disebut konstanta magnet.

Telah dicatat bahwa dalam magnetisme, seperti dalam listrik, prinsip superposisi medan terjadi, yaitu induksi medan magnet yang dibuat oleh sistem arus pada titik tertentu di ruang angkasa sama dengan jumlah vektor dari medan magnet. induksi medan magnet yang dibuat pada titik ini oleh masing-masing arus secara terpisah:

H dan gbr. Gambar 7 menunjukkan contoh konstruksi vektor induksi magnet pada medan dua arus yang sejajar dan berlawanan arah dan:

1.3. Penerapan hukum Biot - Savard - Laplace.
Medan magnet arus searah

Pertimbangkan segmen arus maju. Elemen saat ini menciptakan medan magnet, yang induksi pada titik tersebut DAN (Gbr. 8) menurut hukum Biot-Savart-Laplace ditemukan dengan rumus:

, (1.3)

Kekuatan medan listrik

Kekuatan medan listrik adalah karakteristik vektor medan, gaya yang bekerja pada muatan listrik unit diam dalam kerangka acuan tertentu.

Ketegangan ditentukan dengan rumus:

$ E↖ (→) \u003d (F↖ (→)) / (q) $

di mana $ E↖ (→) $ adalah kekuatan medan; $ F↖ (→) $ adalah gaya yang bekerja pada muatan $ q $ yang ditempatkan pada titik bidang tertentu. Arah vektor $ E↖ (→) $ bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada muatan positif, dan berlawanan dengan arah gaya yang bekerja pada muatan negatif.

Satuan SI untuk tegangan adalah volt per meter (V / m).

Kekuatan medan muatan titik. Menurut hukum Coulomb, muatan poin $ q_0 $ bertindak atas muatan lain $ q $ dengan gaya yang sama dengan

$ F \u003d k (| q_0 || q |) / (r ^ 2) $

Modulus kekuatan medan suatu titik mengisi $ q_0 $ pada jarak $ r $ darinya

$ E \u003d (F) / (q) \u003d k (| q_0 |) / (r ^ 2) $

Vektor intensitas pada setiap titik medan listrik diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan titik ini dan muatan.

Garis-garis gaya medan listrik

Medan listrik di ruang angkasa biasanya diwakili oleh garis gaya. Konsep garis gaya diperkenalkan oleh M. Faraday dalam studi kemagnetan. Kemudian konsep ini dikembangkan oleh J. Maxwell dalam penelitian tentang elektromagnetisme.

Garis gaya, atau garis kekuatan medan listrik, adalah garis yang bersinggungan di setiap titik bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada muatan titik positif yang terletak di titik medan tersebut.

Garis tegangan dari bola bermuatan positif;

Garis tegangan dari dua bola yang bermuatan berlawanan;

Garis tegangan dari dua bola bermuatan serupa

Garis tegangan dari dua pelat yang diisi dengan tanda yang berbeda, tetapi sama dalam muatan nilai absolut.

Garis-garis tegangan pada gambar terakhir hampir sejajar di ruang antara pelat, dan kerapatannya sama. Ini menunjukkan bahwa bidang di wilayah ruang ini seragam. Medan listrik disebut homogen, yang kekuatannya sama di semua titik di ruang angkasa.

Dalam medan elektrostatis, garis gaya tidak tertutup, mereka selalu berawal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Mereka tidak berpotongan di mana pun; perpotongan garis gaya akan menunjukkan ketidakpastian arah kekuatan medan di titik perpotongan. Kepadatan garis medan lebih besar di dekat benda bermuatan, di mana kekuatan medan lebih besar.

Lapangan bola diisi. Kekuatan medan bola konduksi bermuatan pada jarak dari pusat bola yang melebihi radius $ r≥R $ ditentukan dengan rumus yang sama dengan bidang muatan poin. Hal ini dibuktikan dengan distribusi garis gaya, mirip dengan distribusi garis tegangan suatu muatan titik.

Muatan bola didistribusikan secara merata di atas permukaannya. Kekuatan medan di dalam bola konduksi adalah nol.

Medan magnet. Interaksi magnet

Fenomena interaksi magnet permanen (pembentukan panah magnet di sepanjang meridian magnet bumi, tarikan kutub yang berlawanan, tolakan kutub yang sama) telah dikenal sejak zaman kuno dan diselidiki secara sistematis oleh W.Hilbert (the Hasilnya diterbitkan pada tahun 1600 dalam risalahnya "Pada magnet, benda magnet dan magnet besar - Bumi").

Magnet alami (alami)

Sifat magnetis dari beberapa mineral alam sudah dikenal di jaman dahulu. Misalnya, ada bukti tertulis lebih dari 2000 tahun yang lalu tentang penggunaan magnet permanen alami sebagai kompas di Cina. Daya tarik dan tolakan magnet dan magnetisasinya pada kikir besi disebutkan dalam karya ilmuwan Yunani dan Romawi kuno (misalnya, dalam puisi "On the Nature of Things" oleh Lucretius Kara).

Magnet alam adalah bongkahan bijih besi magnet (magnetit) yang terdiri dari $ FeO $ (31%) dan $ Fe_2O $ (69%). Jika sepotong mineral dibawa ke benda besi kecil - paku, serbuk gergaji, pisau tipis, dll., Mereka akan tertarik padanya.

Magnet permanen buatan

Magnet permanen Adalah produk yang terbuat dari bahan yang merupakan sumber medan magnet konstan (independen, terisolasi).

Magnet permanen buatan dibuat dari paduan khusus, yang meliputi besi, nikel, kobalt, dll. Logam ini memperoleh sifat magnetis (termagnetisasi) jika dibawa ke magnet permanen. Oleh karena itu, untuk membuat magnet permanen darinya, mereka secara khusus disimpan di medan magnet yang kuat, setelah itu mereka sendiri menjadi sumber medan magnet konstan dan mampu mempertahankan sifat magnet untuk waktu yang lama.

Gambar tersebut menunjukkan magnet busur dan strip.

Dalam gambar. Gambar-gambar medan magnet magnet ini diberikan, diperoleh dengan metode yang pertama kali diterapkan M. Faraday dalam penelitiannya: dengan bantuan serbuk besi yang tersebar di selembar kertas tempat magnet itu berada. Setiap magnet memiliki dua kutub - ini adalah tempat dengan konsentrasi garis medan magnet terbesar (disebut juga garis medan magnet, atau garis induksi medan magnet). Ini adalah tempat di mana besi paling menarik. Salah satu kutub biasanya disebut sebelah utara(($ N $), yang lainnya selatan ($ S $). Jika Anda membawa dua magnet satu sama lain dengan kutub yang sama, Anda dapat melihat bahwa magnet ditolak, dan jika berlawanan, magnet tertarik.

Dalam gambar. terlihat jelas bahwa garis magnet magnet - garis tertutup... Tampil adalah garis-garis gaya medan magnet dari dua magnet yang saling berhadapan dengan kutub yang sama dan berlawanan. Bagian tengah gambar ini menyerupai gambar medan listrik dua muatan (berlawanan dan dengan nama yang sama). Namun, perbedaan yang signifikan antara medan listrik dan magnet adalah bahwa garis-garis medan listrik berawal dari muatan dan berakhir di garis tersebut. Muatan magnet tidak ada di alam. Garis-garis medan magnet meninggalkan kutub utara magnet dan masuk ke selatan, garis-garis itu berlanjut di dalam tubuh magnet, yaitu, seperti yang disebutkan di atas, mereka adalah garis-garis tertutup. Bidang yang garis gaya tertutup disebut pusaran... Medan magnet adalah medan pusaran (dalam hal ini berbeda dengan medan listrik).

Penerapan magnet

Alat magnet paling kuno adalah kompas terkenal. Dalam teknologi modern, magnet digunakan sangat luas: pada motor listrik, teknik radio, peralatan pengukur listrik, dll.

Medan magnet bumi

Bola dunia adalah magnet. Seperti magnet lainnya, ia memiliki medan magnet dan kutub magnetnya sendiri. Itulah sebabnya jarum kompas diorientasikan ke arah tertentu. Jelas jelas di mana kutub utara jarum magnet harus menunjuk, karena kutub yang berlawanan menarik... Oleh karena itu, kutub utara jarum magnet mengarah ke kutub selatan magnet bumi. Kutub ini terletak di utara dunia, agak jauh dari kutub utara geografis (di Pulau Prince of Wales - sekitar $ 75 ° $ lintang utara dan $ 99 ° $ bujur barat, pada jarak sekitar $ 2100 $ km dari kutub utara geografis).

Saat mendekati kutub geografis utara, garis-garis gaya medan magnet bumi dimiringkan pada sudut yang lebih besar ke cakrawala, dan di wilayah kutub selatan magnet garis tersebut menjadi vertikal.

Kutub utara magnet bumi terletak di dekat kutub selatan geografis, yaitu di $ 66.5 ° $ lintang selatan dan $ 140 ° $ bujur timur. Disinilah garis-garis medan magnet muncul dari bumi.

Dengan kata lain, kutub magnet bumi tidak bertepatan dengan kutub geografisnya. Oleh karena itu, arah jarum magnet tidak sesuai dengan arah meridian geografis, dan jarum magnet kompas hanya secara kasar menunjukkan arah ke utara.

Beberapa fenomena alam juga dapat mempengaruhi jarum kompas, misalnya, badai magnet, yang merupakan perubahan sementara di medan magnet bumi yang terkait dengan aktivitas matahari. Aktivitas matahari disertai dengan pengeluaran aliran partikel bermuatan, khususnya elektron dan proton dari permukaan Matahari. Aliran ini, bergerak dengan kecepatan tinggi, menciptakan medan magnetnya sendiri, berinteraksi dengan medan magnet bumi.

Di globe (kecuali untuk perubahan jangka pendek dalam medan magnet), terdapat wilayah yang memiliki deviasi konstan arah panah magnet dari arah garis magnet bumi. Ini adalah wilayahnya anomali magnetik (dari anomalia Yunani - penyimpangan, kelainan). Salah satu area terbesar adalah Anomali Magnetik Kursk. Penyebab anomali ini adalah endapan bijih besi yang sangat besar pada kedalaman yang relatif dangkal.

Medan magnet bumi dengan andal melindungi permukaan bumi dari radiasi kosmik, yang pengaruhnya merusak organisme hidup.

Penerbangan stasiun ruang angkasa dan pesawat ruang angkasa antarplanet memungkinkan untuk menetapkan bahwa Bulan dan planet Venus tidak memiliki medan magnet, dan medan magnet planet Mars sangat lemah.

Eksperimen Oerstedai \u200b\u200bAmpere. Induksi medan magnet

Pada tahun 1820, ilmuwan Denmark G. X. Oersted menemukan bahwa jarum magnet, ditempatkan di dekat konduktor yang melaluinya arus mengalir, berputar, cenderung ditempatkan tegak lurus dengan konduktor.

Skema percobaan G. X. Oersted ditunjukkan pada gambar. Konduktor yang termasuk dalam rangkaian sumber arus terletak di atas jarum magnet yang sejajar dengan porosnya. Saat rangkaian ditutup, jarum magnet menyimpang dari posisi semula. Saat rangkaian dibuka, jarum magnet kembali ke posisi semula. Oleh karena itu, konduktor dengan arus dan jarum magnet berinteraksi satu sama lain. Berdasarkan pengalaman tersebut, dapat disimpulkan bahwa terdapat medan magnet yang berhubungan dengan aliran arus pada penghantar dan sifat pusaran medan tersebut. Eksperimen yang dijelaskan dan hasilnya adalah manfaat ilmiah terpenting Oersted.

Pada tahun yang sama, fisikawan Prancis Ampere, yang tertarik dengan eksperimen Oersted, menemukan interaksi dua konduktor lurus dengan arus. Ternyata jika arus dalam konduktor mengalir ke satu arah, yaitu paralel, maka konduktor tertarik, jika berlawanan arah (yaitu, antiparalel), maka mereka ditolak.

Interaksi antara konduktor dengan arus, yaitu interaksi antara muatan listrik yang bergerak, disebut magnet, dan gaya yang digunakan konduktor dengan arus bekerja satu sama lain disebut gaya magnet.

Menurut teori aksi jarak pendek yang dianut oleh M. Faraday, arus pada salah satu konduktor tidak dapat secara langsung mempengaruhi arus pada konduktor lainnya. Demikian pula halnya dengan muatan listrik stasioner, disekitarnya terdapat medan listrik, disimpulkan bahwa ada medan magnet di ruang yang mengelilingi arus, yang bekerja dengan beberapa gaya pada konduktor lain dengan arus, ditempatkan di medan ini, atau pada magnet permanen. Pada gilirannya, medan magnet yang dihasilkan oleh konduktor pembawa arus kedua bekerja pada arus pada konduktor pertama.

Sama seperti medan listrik dideteksi oleh pengaruhnya pada muatan uji yang dimasukkan ke dalam medan ini, medan magnet dapat dideteksi dengan efek orientasi medan magnet pada bingkai dengan arus kecil (dibandingkan dengan jarak di mana magnet bidang berubah secara nyata) dimensi.

Kabel yang memasok arus ke rangka harus dijalin (atau ditempatkan berdekatan satu sama lain), maka gaya yang dihasilkan dari sisi medan magnet pada kabel ini akan menjadi nol. Gaya-gaya yang bekerja pada kerangka seperti itu dengan arus akan memutarnya, sehingga bidangnya akan tegak lurus dengan garis-garis induksi medan magnet. Pada contoh, frame akan berputar sehingga konduktor pembawa arus berada pada bidang frame. Ketika arah arus pada konduktor berubah, bingkai akan berputar $ 180 ° $. Di bidang antara kutub magnet permanen, bingkai akan berputar dalam bidang tegak lurus terhadap garis gaya magnet magnet.

Induksi magnetik

Induksi magnet ($ В↖ (→) $) adalah besaran fisik vektor yang mencirikan medan magnet.

Arah dari vektor induksi magnetik $ В↖ (→) $ diambil:

1) arah dari kutub selatan $ S $ ke kutub utara $ N $ jarum magnet, yang dipasang bebas di medan magnet, atau

2) arah normal positif ke sirkuit tertutup dengan arus pada suspensi fleksibel, dipasang bebas di medan magnet. Normal dianggap positif, diarahkan ke pergerakan ujung gimbal (dengan potongan kanan), yang pegangannya diputar ke arah arus dalam bingkai.

Jelas bahwa arah 1) dan 2) bertepatan, yang ditetapkan oleh eksperimen Ampere.

Adapun besarnya induksi magnet (yaitu, modulusnya) $ B $, yang dapat mencirikan kekuatan aksi medan, secara eksperimental ditetapkan bahwa gaya maksimum $ F $ yang digunakan medan bekerja pada konduktor dengan arus (ditempatkan tegak lurus dengan garis medan magnet induksi), tergantung pada $ I $ saat ini di konduktor dan pada panjangnya $ ∆l $ (sebanding dengan mereka). Namun, gaya yang bekerja pada elemen arus (satuan panjang dan kekuatan arus) hanya bergantung pada medan itu sendiri, yaitu, rasio $ (F) / (I∆l) $ untuk medan tertentu adalah nilai konstan (mirip dengan rasio gaya terhadap muatan untuk medan listrik). Nilai ini didefinisikan sebagai induksi magnet.

Induksi medan magnet pada titik tertentu sama dengan rasio gaya maksimum yang bekerja pada konduktor dengan arus terhadap panjang konduktor dan kekuatan arus pada konduktor yang ditempatkan pada titik ini.

Semakin besar induksi magnet pada titik medan tertentu, semakin besar gaya medan yang akan bekerja pada titik ini pada jarum magnet atau muatan listrik yang bergerak.

Satuan induksi magnet dalam SI adalah tesla (Tl), dinamai menurut insinyur listrik Serbia Nikola Tesla. Seperti dapat dilihat dari rumus, $ 1 $ T $ \u003d l (H) / (A m) $

Jika ada beberapa sumber medan magnet yang berbeda, vektor induksi yang pada titik tertentu di ruang sama dengan $ (B_1) ↖ (→), (B_2) ↖ (→), (B_3) ↖ (→), ... $, lalu, menurut prinsip superposisi bidang, induksi medan magnet pada titik ini sama dengan jumlah vektor induksi medan magnet yang dibuat oleh setiap sumber.

$ В↖ (→) \u003d (В_1) ↖ (→) + (В_2) ↖ (→) + (В_3) ↖ (→) + ... $

Garis induksi magnetik

Untuk representasi visual dari medan magnet, M. Faraday memperkenalkan konsep tersebut garis medan magnet, yang berulang kali dia tunjukkan dalam eksperimennya. Pola garis gaya dapat dengan mudah diperoleh dengan menggunakan serutan besi yang dituangkan di atas karton. Gambar tersebut menunjukkan: garis induksi magnet arus searah, solenoid, arus melingkar, magnet searah.

Garis induksi magnet, atau garis gaya magnet, atau sederhananya garis magnet disebut garis, garis singgung yang pada titik mana pun bertepatan dengan arah vektor induksi magnet $ В↖ (→) $ pada titik bidang ini.

Jika alih-alih arsip besi, panah magnet kecil ditempatkan di sekitar konduktor bujursangkar panjang dengan arus, maka Anda tidak hanya dapat melihat konfigurasi garis gaya (lingkaran konsentris), tetapi juga arah garis gaya (kutub utara panah magnet menunjukkan arah vektor induksi pada titik tertentu).

Arah medan magnet arus maju dapat ditentukan dengan aturan gimbal yang benar.

Jika anda memutar gagang gimbal sehingga gerakan translasi ujung gimbal menunjukkan arah arus, maka arah putaran gagang gimbal akan menunjukkan arah garis gaya medan magnet arus.

Arah medan magnet arus searah juga dapat ditentukan dengan menggunakan aturan pertama tangan kanan.

Jika Anda memegang konduktor dengan tangan kanan, mengarahkan ibu jari yang tertekuk ke arah arus, maka ujung jari yang tersisa di setiap titik akan menunjukkan arah vektor induksi pada titik tersebut.

Bidang pusaran

Garis-garis induksi magnet tertutup, ini menunjukkan bahwa tidak ada muatan magnet di alam. Bidang yang garis gaya tertutup disebut bidang pusaran.... Artinya, medan magnet adalah medan pusaran. Inilah yang membedakannya dari medan listrik yang diciptakan oleh muatan.

Solenoid

Solenoida adalah kumparan kawat pembawa arus.

Solenoida dicirikan oleh jumlah putaran per satuan panjang $ n $, panjang $ l $ dan diameter $ d $. Ketebalan kawat pada solenoida dan tinggi tinggi spiral (heliks) lebih kecil dibandingkan dengan diameter $ d $ dan panjang $ l $. Istilah "solenoida" juga digunakan dalam arti yang lebih luas - ini adalah nama untuk gulungan dengan penampang sembarang (solenoida persegi, solenoida persegi panjang), dan tidak harus silinder (solenoida toroidal). Perbedaan dibuat antara solenoida panjang ($ l \u003e\u003e d $) dan solenoida pendek ($ l

Solenoida ditemukan pada tahun 1820 oleh A. Ampere untuk meningkatkan aksi magnetis arus yang ditemukan oleh H. Oersted dan digunakan oleh D. Arago dalam percobaan magnetisasi batang baja. Sifat magnetik solenoida dipelajari secara eksperimental oleh Ampere pada tahun 1822 (pada saat yang sama ia memperkenalkan istilah "solenoida"). Kesetaraan solenoida dengan magnet alami permanen didirikan, yang merupakan konfirmasi dari teori elektrodinamika Ampere, yang menjelaskan magnetisme dengan interaksi arus molekul cincin yang tersembunyi di dalam benda.

Garis medan magnet solenoida ditunjukkan pada gambar. Arah garis-garis ini ditentukan dengan menggunakan aturan kedua dari tangan kanan.

Jika Anda memegang solenoida dengan telapak tangan kanan, mengarahkan empat jari melalui arus secara bergantian, maka ibu jari yang berada di samping akan menunjukkan arah garis magnet di dalam solenoida.

Membandingkan medan magnet solenoida dengan medan magnet permanen, Anda dapat melihat bahwa keduanya sangat mirip. Seperti magnet, solenoida memiliki dua kutub - utara ($ N $) dan selatan ($ S $). Kutub Utara adalah salah satu tempat keluarnya garis-garis magnet; kutub selatan adalah yang mereka masuki. Kutub utara solenoida selalu terletak di sisi yang ditunjuk ibu jari jika diposisikan sesuai dengan aturan kedua di tangan kanan.

Sebuah solenoida berbentuk kumparan dengan jumlah putaran yang banyak digunakan sebagai magnet.

Studi medan magnet solenoida menunjukkan bahwa aksi magnet solenoida meningkat dengan meningkatnya kekuatan arus dan jumlah putaran dalam solenoida. Selain itu, aksi magnet solenoida atau koil dengan arus ditingkatkan dengan dimasukkannya batang besi ke dalamnya, yang disebut inti.

Elektromagnet

Solenoida dengan inti besi di dalamnya disebut elektromagnet.

Elektromagnet tidak dapat mengandung satu, tetapi beberapa kumparan (belitan) dan pada saat yang sama memiliki inti dengan bentuk yang berbeda.

Elektromagnet serupa pertama kali dirancang oleh penemu Inggris W. Sturgeon pada tahun 1825. Dengan massa $ 0,2 $ kg, elektromagnet W. Sturgeon menahan beban seberat $ 36 N. Pada tahun yang sama, J. Joule meningkatkan gaya angkat elektromagnet menjadi $ 200 N, dan enam tahun kemudian ilmuwan Amerika J. Henry membangun elektromagnet dengan berat $ 300 $ kg, mampu menahan beban seberat $ 1 $ t!

Elektromagnet modern dapat mengangkat beban seberat beberapa puluh ton. Mereka digunakan di pabrik saat memindahkan produk besi dan baja berat. Elektromagnet juga digunakan dalam pertanian untuk menghilangkan gulma dari biji-bijian sejumlah tanaman dan industri lainnya.

Kekuatan ampere

Gaya $ F $ bekerja pada bagian lurus dari konduktor $ ∆l $, yang dilalui arus $ I $ saat ini, dalam medan magnet dengan induksi $ B $.

Untuk menghitung gaya ini, gunakan ekspresi:

$ F \u003d B | Saya | ∆lsinα $

di mana $ α $ adalah sudut antara vektor $ B↖ (→) $ dan arah segmen konduktor dengan arus (elemen arus); arah elemen arus diambil sebagai arah arus mengalir melalui konduktor. Gaya $ F $ dipanggil oleh Ampere untuk menghormati fisikawan Prancis A. M. Ampere, yang merupakan orang pertama yang menemukan pengaruh medan magnet pada konduktor pembawa arus. (Faktanya, Ampere membentuk hukum gaya interaksi antara dua elemen konduktor dengan arus. Dia adalah pendukung teori aksi jarak jauh dan tidak menggunakan konsep medan.

Namun, menurut tradisi dan untuk mengenang manfaat ilmuwan, ekspresi gaya yang bekerja pada konduktor dengan arus dari sisi medan magnet juga disebut hukum Ampere.)

Arah gaya ampere ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri.

Jika Anda memposisikan telapak tangan kiri Anda sehingga garis-garis gaya medan magnet memasukinya secara tegak lurus, dan empat jari yang terulur menunjukkan arah arus dalam konduktor, maka jempol yang disetel akan menunjukkan arah gaya yang bekerja pada konduktor dengan arus. Jadi, gaya Ampere selalu tegak lurus terhadap vektor induksi magnet dan arah arus dalam konduktor, yaitu tegak lurus dengan bidang di mana kedua vektor ini berada.

Konsekuensi dari gaya Ampere adalah rotasi bingkai dengan arus dalam medan magnet konstan. Ini menemukan aplikasi praktis di banyak perangkat, misalnya, di alat ukur listrik - galvanometer, amperemeter, di mana bingkai yang dapat digerakkan dengan arus berputar di bidang magnet permanen dan dengan sudut defleksi panah, yang terhubung tanpa gerak ke bingkai, seseorang dapat menilai besarnya arus yang mengalir di sirkuit.

Berkat aksi rotasi medan magnet pada bingkai dengan arus, dimungkinkan juga untuk dibuat dan digunakan motor listrik - mesin di mana energi listrik diubah menjadi energi mekanik.

Kekuatan Lorentz

Gaya Lorentz adalah gaya yang bekerja pada muatan listrik titik bergerak di medan magnet luar.

Fisikawan Belanda H. A. Lorenz pada akhir abad ke-19. menemukan bahwa gaya yang bekerja dari medan magnet pada partikel bermuatan yang bergerak selalu tegak lurus terhadap arah gerak partikel dan garis gaya medan magnet tempat partikel ini bergerak.

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri.

Jika Anda menempatkan telapak tangan kiri Anda sehingga empat jari yang terulur menunjukkan arah pergerakan muatan, dan vektor medan induksi magnet memasuki telapak tangan, maka jempol yang disetel akan menunjukkan arah gaya Lorentz yang bekerja. dengan muatan positif.

Jika muatan partikelnya negatif, maka gaya Lorentz akan berarah berlawanan.

Modulus gaya Lorentz dengan mudah ditentukan dari hukum Ampere dan adalah:

dimana $ q $ adalah muatan partikel, $ υ $ adalah kecepatan geraknya, $ α $ adalah sudut antara vektor kecepatan dan induksi medan magnet.

Jika selain medan magnet, ada juga medan listrik yang bekerja pada muatan dengan gaya $ (F_ (el)) ↖ (→) \u003d qE↖ (→) $, maka gaya total yang bekerja pada muatan aku s:

$ F↖ (→) \u003d (F_ (e)) ↖ (→) + (F_l) ↖ (→) $

Gaya total ini sering disebut gaya Lorentz, dan gaya yang dinyatakan dengan rumus $ F \u003d | q | υBsinα $ disebut gaya bagian magnet dari gaya Lorentz.

Karena gaya Lorentz tegak lurus terhadap arah gerak partikel, ia tidak dapat mengubah kecepatannya (tidak bekerja), tetapi hanya dapat mengubah arah gerakannya, yaitu dapat menekuk lintasannya.

Lengkungan lintasan elektron dalam tabung gambar TV mudah diamati jika Anda membawa magnet permanen ke layarnya: gambar akan terdistorsi.

Pergerakan partikel bermuatan dalam medan magnet yang seragam.Biarkan partikel bermuatan terbang dengan kecepatan $ υ $ ke medan magnet seragam yang tegak lurus dengan garis intensitas. Gaya yang bekerja pada partikel dari medan magnet akan membuatnya berputar seragam di sekitar lingkaran berjari-jari r, yang mudah ditemukan menggunakan hukum kedua Newton, ekspresi percepatan sentripetal dan rumus $ F \u003d | q | υBsinα $:

$ (mυ ^ 2) / (r) \u003d | q | υB $

Dari sini kita dapatkan

$ r \u003d (mυ) / (| q | B) $

dimana $ m $ adalah massa partikel.

Penerapan gaya Lorentz. Tindakan medan magnet pada muatan bergerak digunakan, misalnya, dalam spektrograf massa, yang memungkinkan untuk memisahkan partikel bermuatan sesuai dengan muatan spesifiknya, yaitu rasio muatan partikel terhadap massanya, dan dari hasil yang diperoleh, untuk menentukan massa partikel secara akurat.

Ruang vakum perangkat ditempatkan di lapangan (vektor induksi $ B↖ (→) $ tegak lurus dengan gambar). Partikel bermuatan (elektron atau ion) yang dipercepat oleh medan listrik, setelah menggambarkan busur, jatuh pada pelat fotografi, di mana mereka meninggalkan jejak, yang memungkinkan untuk mengukur dengan sangat akurat jari-jari lintasan $ r $. Jari-jari ini digunakan untuk menentukan muatan spesifik ion. Mengetahui muatan sebuah ion, mudah untuk menghitung massanya.

Sifat magnetik zat

Untuk menjelaskan keberadaan medan magnet magnet permanen, Ampere mengemukakan bahwa arus melingkar mikroskopis ada dalam suatu zat dengan sifat magnet (mereka disebut molekuler). Belakangan, setelah penemuan elektron dan struktur atom, gagasan ini dengan cemerlang dikonfirmasi: arus ini diciptakan oleh pergerakan elektron di sekitar inti dan, dengan orientasi yang sama, secara total menciptakan medan di sekitar dan di dalam. magnet.

Dalam gambar. bidang di mana arus listrik elementer berada diorientasikan secara acak karena gerakan termal atom yang kacau, dan zat tidak menunjukkan sifat magnetis. Dalam keadaan magnet (di bawah aksi, misalnya, medan magnet eksternal), bidang-bidang ini diorientasikan dengan cara yang sama, dan tindakannya bertambah.

Permeabilitas magnetik. Reaksi medium terhadap aksi medan magnet luar dengan induksi $ B_0 $ (medan dalam vakum) ditentukan oleh suseptibilitas magnet $ μ $:

dimana $ B $ adalah induksi medan magnet dalam zat. Permeabilitas magnetik mirip dengan konstanta dielektrik $ ε $.

Menurut sifat magnetnya, zat dibagi menjadi diamagnets, paramagnets dan ferromagnets... Untuk diameter, koefisien $ μ $, yang mencirikan sifat magnetis medium, kurang dari $ 1 $ (misalnya, untuk bismut, $ μ \u003d 0,999824 $); untuk paramagnets $ μ\u003e 1 $ (untuk platinum $ μ \u003d 1.00036 $); untuk feromagnet $ μ \u003e\u003e 1 $ (besi, nikel, kobalt).

Diamagnet menolak magnet, paramagnet menarik. Dengan ciri-ciri ini, mereka dapat dibedakan satu sama lain. Untuk sebagian besar zat, permeabilitas magnetik praktis tidak berbeda dari satu kesatuan, hanya dalam feromagnet itu sangat melampauinya, mencapai beberapa puluh ribu unit.

Ferromagnet. Ferromagnet menunjukkan sifat magnet terkuat. Medan magnet yang dihasilkan oleh feromagnet jauh lebih kuat daripada medan magnet eksternal. Benar, medan magnet feromagnet tidak tercipta karena sirkulasi elektron di sekitar inti - momen magnet orbital, dan karena rotasi elektron yang tepat - disebut momen magnet intrinsik berputar.

Suhu curie ($ T_c $) adalah suhu di mana bahan feromagnetik kehilangan sifat magnetnya. Ia memiliki sendiri untuk setiap feromagnet. Misalnya, untuk besi $ T_c \u003d 753 ° $ C, untuk nikel $ T_c \u003d 365 ° $ C, untuk kobalt $ T_c \u003d 1000 ° $ C.Ada paduan feromagnetik di mana $ T_c

Studi rinci pertama tentang sifat magnetik feromagnet dilakukan oleh fisikawan Rusia terkemuka A.G. Stoletov (1839-1896).

Ferromagnet digunakan secara luas: sebagai magnet permanen (dalam alat ukur listrik, pengeras suara, telepon, dll.), Inti baja pada transformator, generator, motor listrik (untuk meningkatkan medan magnet dan menghemat energi). Pada pita magnetik yang terbuat dari feromagnet, suara dan gambar direkam untuk pita dan perekam video. Informasi dicatat pada film magnetik tipis untuk perangkat penyimpanan di komputer elektronik.

Aturan Lenz

Aturan Lenz (hukum Lenz) ditetapkan oleh E. H. Lenz pada tahun 1834. Ini menjelaskan hukum induksi elektromagnetik, yang ditemukan pada tahun 1831 oleh M. Faraday. Aturan Lenz menentukan arah arus induksi dalam loop tertutup saat bergerak di medan magnet luar.

Arah arus induksi selalu sedemikian rupa sehingga gaya yang dialami dari sisi medan magnet melawan pergerakan rangkaian, dan fluks magnet $ Ф_1 $ yang dibuat oleh arus ini cenderung mengkompensasi perubahan fluks magnet eksternal $ Ф_e $.

Hukum Lenz adalah ekspresi hukum kekekalan energi untuk fenomena elektromagnetik. Memang, ketika loop tertutup bergerak dalam medan magnet karena gaya eksternal, perlu dilakukan beberapa pekerjaan melawan gaya yang timbul dari interaksi arus induksi dengan medan magnet dan diarahkan ke arah yang berlawanan dengan gerakan.

Aturan Lenz diilustrasikan dalam gambar. Jika magnet permanen didorong ke dalam kumparan tertutup galvanometer, arus induksi pada kumparan akan memiliki arah yang akan menciptakan medan magnet dengan vektor $ B "$ yang diarahkan berlawanan dengan vektor induksi medan magnet $ B $ yaitu akan mendorong magnet keluar dari kumparan atau menghalangi pergerakannya. Saat menarik magnet keluar dari kumparan, sebaliknya medan yang diciptakan oleh arus induksi akan menarik kumparan, yaitu mencegah pergerakannya lagi. .

Untuk menerapkan aturan Lenz untuk menentukan arah arus induksi $ I_e $ di sirkuit, Anda harus mengikuti rekomendasi ini.

1. Tentukan arah garis induksi magnet $ ² (→) $ dari medan magnet luar.
2. Cari tahu apakah fluks induksi magnet medan ini meningkat melalui permukaan yang dibatasi oleh kontur ($ ∆Ф\u003e 0 $), atau menurun ($ ∆Ф
3. Tetapkan arah garis induksi magnet $ В "↖ (→) $ medan magnet arus induksi $ I_i $. Garis-garis ini harus diarahkan, menurut aturan Lenz, berlawanan dengan garis $ В↖ (→) $, jika $ ∆Ф\u003e 0 $, dan searah dengan mereka jika $ ∆Ф
4. Mengetahui arah garis induksi magnet $ В "↖ (→) $, tentukan arah arus induksi $ I_i $, dengan menggunakan aturan gimbal.