Магнітная сіла на провад з токам
Прыкладанне магнітнай сілы да правадніка з токам з'яўляецца фундаментальнай канцэпцыяй электрамагнетызму, раздзела фізікі. Гэтую з'яву ўпершыню адкрыў Ганс Крысціян Эрстэд у 1820 годзе, калі ён заўважыў, што электрычны ток, які праходзіць праз праваднік, уплывае на стрэлку компаса, якая знаходзіцца побач. Гэта адкрыццё прадэманстравала цесную сувязь паміж электрычнасцю і магнетызмам, якая пазней была далей развіта такімі навукоўцамі, як Андрэ-Мары Ампер і Майкл Фарадэй.
У гэтым артыкуле мы абмяркуем асноўныя прынцыпы дзеяння магнітнай сілы на провад з токам, як гэтая сіла працуе, асноўныя законы фізікі і некаторыя практычныя прымяненні, якія паказваюць, наколькі ўплывовая гэтая канцэпцыя ў паўсядзённым жыцці.
Асноўныя прынцыпы магнітнай сілы
Калі электрычны ток працякае па дроце, вакол яго ўзнікае магнітнае поле. Гэта можна растлумачыць з дапамогай закона Бія-Савара, які сцвярджае, што магнітнае поле \(\mathbf{B}\) у пункце прасторы, выкліканае элементам току \(I\) у дроце, можна вылічыць па наступным ураўненні:
\[ d\mathbf{B} = \frac{\mu_0 I}{4\pi} \frac{d\mathbf{s} \times \mathbf{\hat{r}}}{r^2} \]
Дзе:
– \(\mu_0\) — вакуумная пранікальнасць,
– \(d\mathbf{s}\) — элемент даўжыні дроту,
– \(\mathbf{\hat{r}}\) — адзінкавы вектар, які паказвае ад бягучага элемента да кропкі, дзе вылічваецца поле,
– \(r\) — адлегласць паміж бягучым элементам і кропкай.
Гэтае ўраўненне паказвае, што магнітнае поле, якое ствараецца правадніком з токам, залежыць не толькі ад сілы току, але і ад адлегласці і арыентацыі адносна элемента з токам. Утвараецца магнітнае поле ў выглядзе канцэнтрычнай акружнасці вакол правадніка, а яго кірунак можна вызначыць з дапамогай правіла правай рукі.
Магнітная сіла на провад з токам
Магнітная сіла, якая дзейнічае на провад з токам у знешнім магнітным полі, можа быць апісана законам Ампера, які сцвярджае, што сіла \(\mathbf{F}\) на элемент драцяной канструкцыі даўжынёй \(dl\), па якім праходзіць ток \(I\), у магнітным полі \(\mathbf{B}\), вызначаецца па формуле:
\[ d\mathbf{F} = I (d\mathbf{l} \times \mathbf{B}) \]
Гэты закон паказвае, што сіла, якая дзейнічае на провад, залежыць не толькі ад сілы току і даўжыні элемента провада, але і ад арыентацыі элемента провада адносна магнітнага поля. Калі магнітнае поле і кірунак току ў провадзе ўтвараюць пэўны вугал, то выніковая сіла будзе накіравана ў кірунку, перпендыкулярным абодвум вектарам.
Інтэграванне гэтай сілы па ўсёй даўжыні дроту дае поўную сілу, якая дзейнічае на дрот у магнітным полі. Некаторыя сферы прымянення, якія ілюструюць гэтую канцэпцыю, ўключаюць электрарухавікі, генератары і саленоіды.
Закон Ампера і сіла Лорэнца
Ампер далей развіў вышэйзгаданы закон у больш агульны закон, вядомы як закон Ампера ў інтэгральнай форме, які сцвярджае, што лінейны інтэграл магнітнага поля \(\mathbf{B}\) уздоўж замкнёнага шляху \(\mathbf{C}\) прапарцыйны агульнаму току, які працякае праз гэтую паверхню:
\[ \oint_{\mathbf{C}} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I_{\text{enc}} \]
Амаль адначасова з гэтай фармулёўкай Лорэнц унёс свой уклад у закон, які апісвае сілу, якая дзейнічае на рухомы зарад у электрычным полі (E) і магнітным полі (B). Сіла Лорэнца для зарада (q), які рухаецца са хуткасцю v, роўная:
\[ \mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) \]
У выпадку правадніка з токам хуткасць зарадаў у правадніку абумоўлена сілай току, таму гэтая сіла Лорэнца фактычна ўносіць свой уклад у магнітную сілу, якая дзейнічае на праваднік.
Практычнае прымяненне
Электрарухавік
Адным з найбольш вядомых ужыванняў магнітнай сілы ў правадах з токам з'яўляецца электрарухавік. Электрарухавікі працуюць па прынцыпе, што на праваднік з токам у магнітным полі ўздзейнічае сіла, якая выклікае рух. Напрыклад, у простым рухавіку пастаяннага току камутатар выкарыстоўваецца для забеспячэння праходжання току праз участкі правадоў, размешчаныя ў магнітным полі, тым самым падтрымліваючы кручэнне ротара.
Электрычны генератар
Амаль у адрозненне ад электрарухавіка, электрычны генератар выкарыстоўвае механічны рух для стварэння электрычнага току ў провадзе, размешчаным у магнітным полі. Іншымі словамі, калі провад круціцца ў магнітным полі, змяненне магнітнага поля праз яго выклікае індукцыю напружання ў провадзе ў адпаведнасці з законам электрамагнітнай індукцыі Фарадэя.
Саленоіды і электрамагніты
Саленоід — гэта прылада, якая складаецца з дроту, які стварае магнітнае поле пры праходжанні праз яго электрычнага току. Саленоіды часта выкарыстоўваюцца ў якасці прывадаў у розных механічных і электронных прыладах. Магнітнае поле, якое ствараецца саленоідам, можна рэгуляваць, змяняючы велічыню току, які праходзіць праз дрот.
Закрыццё
Магнітная сіла, якая дзейнічае на провад з токам, — гэта фундаментальная канцэпцыя электрамагнетызму, якая мае шматлікія прымяненні ў сучасных тэхналогіях. Ад электрарухавікоў да генератараў і саленоідаў — многія з нашых паўсядзённых прылад і машын абапіраюцца на гэты прынцып. Глыбейшае разуменне законаў, якія ляжаць у аснове гэтай магнітнай сілы, не толькі пашырае наша разуменне таго, як працуе Сусвет, але і адкрывае патэнцыял для будучых тэхналагічных інавацый.
Гэта разуменне магнітных сіл развівалася ад простых эксперыментаў да складаных ужыванняў у сучасных тэхналогіях, дэманструючы важнасць гэтых адкрыццяў для развіцця навукі і тэхнікі. Па меры таго, як мы будзем працягваць паглыбляцца, мы можам чакаць адкрыцця яшчэ больш інавацыйных спосабаў выкарыстання гэтых сіл для дабрабыту чалавецтва.
