Понятие явления электромагнитной силы и условия возникновения
Электрический ток образует вокруг себя магнитное поле. Сила, с которой оно действует на провод, называется электромагнитной. Наибольшее значение величина электромагнитной силы приобретает, когда действует прямо перпендикулярно на движение заряженных частиц. Особенность электромагнитного поля в том, что оно стремится вытолкнуть проводник за свои границы.
Определение направления
Чтобы найти направление силы магнитного излучения, нужно воспользоваться правилом левой руки.
На изображении видно, что через ладонь проходит вектор — это направление тока. Вектор, который входит в ладонь — магнитная индукция. Отогнутый большой палец показывает, как движется электромагнитная сила. Её величину можно рассчитать с помощью закона Ампера по формуле:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Зная величину угла между проводом и вектором индукции, величину электромагнитной силы можно вычислить по формуле:
B — магнитная индукция;
l — длина провода, расположенного в магнитном поле;
α — угол между вектором индукции и направлением тока.
Единицей измерения электромагнитной силы является ньютон.
Виды и применение
Действие электромагнитных сил можно наблюдать не только в искусственных условиях, но и в естественной среде, где происходит взаимодействие магнитного поля с заряженными частицами. Например, явление света и видимости существует благодаря возникновению и перемещению электромагнитных волн.
К электромагнитным силам можно также отнести:
- Силу трения, возникающую из-за неровных поверхностей соприкасающихся тел. Эта сила всегда направлена противоположно движению.
- Силу упругости, возникающую при упругой деформации в теле. Направлена против деформации.
- Вес тела — электромагнитная сила, направленная на другие тела благодаря притяжению Земли.
Действие электромагнитной силы находит применение в различных устройствах: от бытовых электроприборов до двигателей ракетных установок. Обычно эти механизмы работают на основе электромагнитов, которые представляют собой катушку с ферромагнитным сердечником. По обмотке электромагнита протекает ток, создающий магнитное поле. В результате магнитные поля частиц сердечника образуют единое сильное поле.
В зависимости от того, какой ток проходит через катушку, различают электромагниты переменного тока, нейтральные и поляризованные магниты постоянного тока.
Электромагнитные силы в природе
Электромагнитные силы по частоте проявления в природе занимают первое место среди других явлений. На микроскопическом уровне они действуют в атомах, позволяя им объединяться в молекулы веществ в различных агрегатных состояниях. При расщеплении ядер атомов электромагнитные силы разгоняют осколки, что сопровождается высвобождением колоссальной энергии.
Широкое распространение электромагнитных сил обусловлено тем, что все вещества состоят из заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют друг с другом.
Примеры проявлений силы упругости, трения, натяжения, а так же притяжения мы постоянно наблюдаем в природе и используем в повседневном быту, производстве, научных экспериментах.
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.
Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.
Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.
Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.
Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.
От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.
Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными
Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г и зарядом q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
| № | Параметр сравнения | Электромагнитное взаимодействие | Гравитационное взаимодействие |
| 1 | Источник | Электрический заряд | Тензор энергии-импульса |
| 2 | Продолжительность | 10 — 21 c | 10 16 с |
| 3 | Тип проявления | Существование молекул, атомов и химических сил | Универсальное с участием всех частиц |
| 4 | Радиус распространения | Бесконечный | Бесконечный |
| 5 | Переносчик | Фотон | Гравитон |
| 6 | Какие частицы взаимодействуют | Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой | Все без исключения |
| 7 | Статическая сила взаимодействия между протонами | F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 , где ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м является электрической постоянной, ε — диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами. | F g = G m p 2 r 2 где показатель G равен 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а r означает расстояние между частицами. |
Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия
Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:
a = e 2 4 π ε 0 h c .
Здесь заряд электрона будет равен e = — 1 , 6 · 10 — 19 К л , а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · c , c = 3 · 10 8 м с . Вычислим значение постоянной:
α = ( 1 , 6 · 10 — 19 ) 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 , 05 · 10 — 34 3 · 10 8 ≈ 2 , 56 · 10 — 38 348 , 15 · 10 — 38 ≈ 1 137 .
Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.
Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.
Решение
Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу F g = G m p 2 r 2 . Здесь расстояние между частицами будет равно G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г .
Вычислим значение с учетом этих данных:
F g = 6 , 67 · 10 — 11 1 , 67 · 10 — 27 2 1 2 = 18 , 6 · 10 — 45 ( Н ) .
Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:
F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 .
Здесь электрическая постоянная будет равна ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м . Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:
F e = 1 , 6 · 10 — 19 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 2 = 2 , 56 · 10 — 38 110 , 53 · 10 — 12 = 2 , 31 · 10 — 28 ( Н ) .
Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18 , 6 · 10 — 45 Н . Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2 , 31 · 10 — 28 Н .
Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.
Решение
Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.
F g = G m 2 r 2 , буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r расстояние, на котором расположены частицы.
F e = q 2 4 π ε ε 0 r 2 , буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε 0 – электрическая постоянная, а r расстояние между частицами.
Согласно первоначальным условиям, F g = F e , значит, G m 2 r 2 = q 2 4 π ε ε 0 r 2 и 4 π ε ε 0 G m 2 = q 2 → q m = 4 π ε ε 0 G .
Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε = 1 . Зная, что значение гравитационной постоянной G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а электрической – ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м , можем вычислить ответ:
q m = 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 6 , 67 · 10 — 11 ≈ 8 , 9 · 10 — 11 .
Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8 , 9 · 10 — 11 К л к г .
Электромагнитные силы
Электромагнитные силы в широком разнообразии существуют вокруг нас в окружающем пространстве. С их помощью мы видим окружающий мир, так как свет – это один из примеров проявления электромагнитных сил.
Поведение этих сил описывается законами взаимодействия тел с заряженными частицами. Электромагнитные силы появляются между электрически заряженными частичками.
Электромагнитные взаимодействия могут появляться и осуществляться исключительно в электромагнитном поле.
Электромагнитные силы в магнитном поле
Энергия магнитного поля воздействует на подвижный электрический заряд посредством электромагнитной силы. Эта сила действует на магнитное поле в направлении, перпендикулярном силовым линиям, и стремится вытолкнуть заряженную частичку за границы магнитного поля.
При помещении в магнитное поле проводника с электрическим током \(I\) , между электронами, которые находятся в проводнике, и магнитным полем появятся магнитные силы, которые способствуют образованию силы \(F\) , пытающейся вытолкнуть проводник из магнитного поля.
Величину этой электромагнитной силы определяют из закона Ампера, который гласит, что электромагнитная сила действия на проводник, по которому течет электрический ток, располагается в магнитном поле и действует перпендикулярно силовым линиям данного поля, рассчитывается так:
\(F=IBl\) ,
где \(I\) — сила тока;
\(B \) — магнитная индукция;
\(l\) — длины проводника.
Направление воздействия силы \(F\) устанавливают по правилу левой руки, оно звучит так: если левую руку повернуть так, чтобы линии магнитного поля были направлены в ладонь, четыре пальца – по действию силы тока, тогда вытянутый под прямым углом большой палец будет показывать направление действия силы.
Выталкивающая сила возникает лишь в тех случаях, когда проводник размещен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля или под углом к ним. Если же проводник размещен вдоль силовых линий, то выталкивающая сила будет равняться нулю.
Для изменения направления электромагнитной силы изменяют направление силовых линий или силы тока в проводнике.
Возникновение электромагнитной силы \(F\) , что образуется между магнитным полем и проводником с током, можно объяснить как результат взаимного воздействия двух полей. Вокруг проводника, по которому течет электрический ток, появляется магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с другим магнитным полем. В процессе такого взаимодействия с правой стороны от проводника, где силовые линии его поля совпадают с силовыми линиями внешнего поля, происходит разрежение силовых магнитных линий.
Силовые линии магнитного поля считаются упругими. В данном случае можно провести параллель с резиновыми нитями, которые стремятся сократиться при растяжении и вытеснить проводник из магнитного поля с места сгущения в место их разрежения. Вот почему появляется электромагнитная сила \(F\) .
Электромагнитные силы
Электромагнитные силы являются наиболее распространенными в природной среде. Благодаря им мы можем видеть друг друга, поскольку свет также является проявлением электромагнитного взаимодействия. Действия электромагнитных сил подчиняются фундаментальным законам взаимодействия заряженных частиц и тел. Электромагнитные силы возникают между элементарными частицами, которые имеют электрический заряд.
Электромагнитное взаимодействие возникает и реализуется только при помощи электромагнитного поля.
Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем
Энергия, которая заключена в магнитное поле, проявляет себя при помощи электромагнитных сил, что возникают при взаимодействии движущихся электрических зарядов и магнитного поля. Электромагнитная сила, которая возникает в магнитном поле при движении электрического заряда, действует на поле в направлении, что перпендикулярно направлению и движению силовых линий, а также стремится вытолкнуть заряд за его пределы.
Если в магнитное поле поместить проводник с током $I$, то между магнитным полем и электронами, которые проходят по проводнику, возникнут электромагнитные силы, что образуют результирующую силу $F$, стремящуюся вытолкнуть из магнитного поля проводник.
Электромагнитную силу можно определить при помощи закона Ампера. Он сформулирован так: электромагнитная сила, которая действует на проводник с электрическим током, что находится в магнитном поле и располагается перпендикулярно направлению данного поля, равна произведению индукции поля $B$, силы тока $I$ и длины проводника $ l $.
По правилу левой руки можно определить направление действия силы $F$: левая рука располагается так, чтобы магнитные линии входили прямо в ладонь, а четыре вытянутых пальца совмещались с направлением электрического тока – тогда большой палец, что расположен под прямым углом, укажет направление действия силы.
Сила возникнет только в том случае, если проводник располагается под некоторым углом или перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если проводник располагается вдоль силовых линий магнитного поля, то электромагнитная сила приравнивается нулю.
Чтобы изменить направление электромагнитной силы, нужно изменить направление магнитного поля или направление электрического тока в проводнике.
Электромагнитная сила $F$ возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ее возникновение наглядно можно представить как результат взаимодействия магнитных полей. Собственное круговое магнитное поле возникает вокруг проводника с электрическим током, оно будет складываться с внешним полем. При этом справа от проводника, в котором силовые линии поля совпадают с внешними линиями магнитного поля, осуществляется разрежение силовых магнитных линий.
Силовые линии магнитного поля обладают свойством упругости, которое напоминает свойство резиновых нитей, что стремятся сократиться по длине и вытолкнуть проводник из места сгущения силовых линий в сторону их разрежения. В результате этого и возникает электромагнитная сила $F$.
Если в магнитное поле поместить не проводник, а катушку или виток с током, и расположить их вертикально, то используя правило левой руки, можно определить, что электромагнитные силы, действующие на них, направляются в разные стороны. В результате взаимодействия двух сил возникает вращающий момент $M$, который приведет к повороту катушки или витка.
$M = FD$, где $D$ — это расстояние между сторонами катушки или витка.
Виток будет вращаться в магнитном поле, пока не займет положение, что будет перпендикулярным силовым линиям поля. Для того чтобы увеличить вращающий момент в электродвигателях, применяется не один виток, а несколько.
Виды электромагнитных сил
Электромагнитные силы – это силы, которые действуют между телами по причине того, что эти тела состоят из заряженных движущихся частиц, между которыми действуют магнитные и электрические силы.
К электромагнитным силам можно отнести:
- сила трения $ \vec< F_<тр>> $;
- сила упругости $ \vec< F_<упр>> $;
- вес тела $ \vec < P>$.
Сила трения $ \vec< F_<тр>> $ — это электромагнитная сила, которая возникает вследствие того, что соприкасающиеся тела имеют неровные поверхности.
Сила трения всегда направлена в сторону, которая противоположна движению. Она не имеет точки приложения. Существует два вида силы трения:
- Сила трения покоя. Она возникает при относительном покое тел, иными словами, когда соприкасающиеся тела относительно друг друга абсолютно неподвижны. Сила трения покоя по величине всегда приравнивается внешней силе и направляется в противоположную сторону. Она не может превышать максимального значения $F_ <тр.\ max>= \mu N$.
- Если внешняя сила, которая приложена к телу, становится больше $F_<тр.\ max>$, то случается проскальзывание. Сила трения в таком случае имеет название «сила трения скольжения».
Сила трения скольжения определяется по следующей формуле:
- $ \mu $ — это коэффициент трения (безразмерная величина), который зависит только от материала изготовления тел и степени их обработки;
- $ N$ — это сила реакции опоры.
Кроме вышеперечисленных сил трения также можно выделить электромагнитные силы вязкого трения и силы трения качения.
Сила упругости $ \vec< F_<упр>> $ — это электромагнитная сила, которая возникает при упругой деформации в теле.
Она направляется противоположно деформации. Модуль силы упругости можно вычислить по формуле:
$ |F_<упр>| = k \delta l$, где
- $k$ — жесткость пружины;
- $\delta l$ — это деформация.
Также к электромагнитным силам можно отнести вес тела.
Вес тела $ \vec < P>$ – это электромагнитная сила, с которой тело воздействует на другие тела по причине его притяжения к поверхности Земли.
Если тело находится в состоянии покоя относительно вертикали или движется вверх или вниз равномерно, то его вес приравнивается к силе тяжести:
Если тело движется вверх с замедлением или вниз с ускорением, то его вес значительно меньше силы тяжести. Найти его можно по следующей формуле:
Если тело падает свободно, то наступает невесомое состояние. Вес тела в таком случае приравнивается нулю:
Если тело опускается вниз с замедлением или движется вверх с ускорением, то его вес превышает силу тяжести. Найти вес тела можно по формуле:
В таком случае отношение веса тела к силе тяжести можно назвать перегрузкой.
Формулу веса тела, которое движется равноускорено через векторную разность, в общем случае можно выразить в таком виде:
Электромагнитные силы в природе
Огромную совокупность электромагнитных процессов охватывает классическая теория электричества. Среди основных типов взаимодействий (гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые) электромагнитные силы занимают первое место по разнообразию проявлений и частоте встречаемости. Упругая сила пара имеет электромагнитную природу, поэтому смена «столетия пара» на «столетие электричества» означает лишь смену эпохи, когда люди не могли управлять и воздействовать на электромагнитные силы, на ту эпоху, где человечество распоряжается этими силами на свое усмотрение.
Электромагнитные силы, которые существуют в природе, перечислить сложно. Благодаря им определяется устойчивость атомов, происходит объединение атомов в молекулы, обуславливается взаимодействие между ними, что приводит к образованию жидких и твердых тел. Все виды трения и упругости имеют электромагнитную природу.
Роль электрических сил имеет огромное значение в атомном ядре. При взрыве атомной бомбы в ядерном реакторе электромагнитные силы разгоняют осколки ядер, что приводит к выделению мощной энергии. Даже взаимодействие между телами происходит при помощи электромагнитных волн – радиоволн, света, а также теплового излучения.