Uma das seções mais importantes da física moderna são as interações eletromagnéticas e todas as definições relacionadas a elas. É essa interação que explica todos os fenômenos elétricos. A teoria da eletricidade abrange muitas outras áreas, incluindo a óptica, já que a luz é radiação eletromagnética. Neste artigo, tentaremos explicar a essência da corrente elétrica e da força magnética em uma linguagem acessível e compreensível.
Magnetismo é o fundamento dos fundamentos
Quando crianças, os adultos nos mostraram vários truques de mágica usando ímãs. Essas figuras incríveis, que se atraem e podem atrair pequenos brinquedos, sempre agradaram os olhos das crianças. O que são ímãs e como a força magnética age nas peças de ferro?
Explicando em linguagem científica, você tem que recorrer a uma das leis básicas da física. De acordo com a lei de Coulomb e a teoria da relatividade especial, uma certa força atua sobre a carga, que é diretamente proporcional à velocidade da própria carga (v). Essa interação é chamadaforça magnética.
Características Físicas
Em geral, deve-se entender que qualquer fenômeno magnético ocorre apenas quando as cargas se movem dentro do condutor ou na presença de correntes neles. Ao estudar ímãs e a própria definição de magnetismo, deve-se entender que eles estão intimamente relacionados ao fenômeno da corrente elétrica. Portanto, vamos entender a essência da corrente elétrica.
Força elétrica é a força que atua entre um elétron e um próton. É numericamente muito maior do que o valor da força gravitacional. Ele é gerado por uma carga elétrica, ou melhor, pelo seu movimento dentro do condutor. As cargas, por sua vez, são de dois tipos: positivas e negativas. Como você sabe, partículas carregadas positivamente são atraídas por partículas carregadas negativamente. No entanto, cargas de mesmo sinal tendem a se repelir.
Então, quando essas mesmas cargas começam a se mover no condutor, uma corrente elétrica surge nele, que é explicada como a razão da quantidade de carga que flui através do condutor em 1 segundo. A força que atua em um condutor com corrente em um campo magnético é chamada de força Ampere e é encontrada de acordo com a regra da "mão esquerda".
Dados empíricos
Você pode encontrar interação magnética na vida cotidiana ao lidar com ímãs permanentes, indutores, relés ou motores elétricos. Cada um deles tem um campo magnético que é invisível aos olhos. Só pode ser rastreado por sua ação, queafeta partículas em movimento e corpos magnetizados.
A força que atua em um condutor de corrente em um campo magnético foi estudada e descrita pelo físico francês Ampère. Não só esta força tem o nome dele, mas também a magnitude da força atual. Na escola, as leis de Ampère são definidas como as regras da mão "esquerda" e "direita".
Características do campo magnético
Deve-se entender que um campo magnético sempre ocorre não apenas em torno de fontes de corrente elétrica, mas também em torno de ímãs. Ele é geralmente representado com linhas magnéticas de força. Graficamente, parece que uma folha de papel foi colocada em um ímã e limalha de ferro foi derramada em cima. Eles serão exatamente como na imagem abaixo.
Em muitos livros populares de física, a força magnética é introduzida como resultado de observações experimentais. É considerada uma força fundamental separada da natureza. Tal ideia é errônea; de fato, a existência de uma força magnética decorre do princípio da relatividade. Sua ausência violaria este princípio.
Não há nada fundamental sobre a força magnética - é apenas uma consequência relativística da lei de Coulomb.
Usando ímãs
Segundo a lenda, no século I d. C. na ilha de Magnésia, os antigos gregos descobriram pedras incomuns que tinham propriedades incríveis. Atraíam para si qualquer coisa feita de ferro ou aço. Os gregos começaram a tirá-los da ilha e estudar suas propriedades. E quando as pedras caíram nas mãos da ruamágicos, tornaram-se assistentes indispensáveis em todas as suas performances. Usando os poderes das pedras magnéticas, eles foram capazes de criar um show fantástico que atraiu muitos espectadores.
À medida que as pedras se espalhavam por todas as partes do mundo, lendas e vários mitos começaram a circular sobre elas. Certa vez, as pedras foram parar na China, onde receberam o nome da ilha em que foram encontradas. Os ímãs tornaram-se objeto de estudo de todos os grandes cientistas da época. Foi notado que se você colocar uma pedra de ferro magnética em um flutuador de madeira, fixá-lo e depois girá-lo, ele tentará retornar à sua posição original. Simplificando, a força magnética agindo sobre ele irá girar o minério de ferro de uma certa maneira.
Usando esta propriedade dos ímãs, os cientistas inventaram a bússola. Sobre uma forma redonda de madeira ou cortiça, foram desenhados dois pólos principais e instalada uma pequena agulha magnética. Este design foi abaixado em uma pequena tigela cheia de água. Com o tempo, os modelos de bússolas melhoraram e se tornaram mais precisos. Eles são usados não apenas por marinheiros, mas também por turistas comuns que gostam de explorar áreas desérticas e montanhosas.
Experiências interessantes
O cientista Hans Oersted dedicou quase toda a sua vida à eletricidade e aos ímãs. Um dia, durante uma palestra na universidade, ele mostrou a seus alunos a seguinte experiência. Ele passou uma corrente através de um condutor de cobre comum, depois de um tempo o condutor aqueceu e começou a dobrar. Foi um fenômeno térmicocorrente elétrica. Os alunos continuaram esses experimentos, e um deles percebeu que a corrente elétrica tem outra propriedade interessante. Quando a corrente fluiu no condutor, a seta da bússola localizada nas proximidades começou a se desviar pouco a pouco. Estudando esse fenômeno com mais detalhes, o cientista descobriu a chamada força que atua sobre um condutor em um campo magnético.
Correntes de amperes em ímãs
Cientistas tentaram encontrar uma carga magnética, mas um pólo magnético isolado não foi encontrado. Isso se explica pelo fato de que, diferentemente das elétricas, as cargas magnéticas não existem. Afinal, caso contrário, seria possível separar uma carga unitária simplesmente quebrando uma das extremidades do ímã. No entanto, isso cria um novo pólo oposto na outra extremidade.
Na verdade, qualquer ímã é um solenóide, na superfície do qual circulam correntes intra-atômicas, são chamadas de correntes de Ampère. Acontece que o ímã pode ser considerado como uma haste de metal através da qual circula uma corrente contínua. É por esta razão que a introdução de um núcleo de ferro no solenóide aumenta muito o campo magnético.
Energia magnética ou EMF
Como qualquer fenômeno físico, um campo magnético tem energia necessária para mover uma carga. Existe o conceito de EMF (força eletromotriz), que é definido como o trabalho para mover uma carga unitária do ponto A0 até o ponto A1.
A CEM é descrita pelas leis de Faraday, que são aplicadas em três diferentessituações:
- O circuito conduzido se move no campo magnético uniforme gerado. Neste caso, eles falam de fem magnética.
- O contorno está em repouso, mas a própria fonte do campo magnético está se movendo. Isso já é um fenômeno de fem elétrica.
- Finalmente, o circuito e a fonte do campo magnético são estacionários, mas a corrente que cria o campo magnético está mudando.
Numericamente, a EMF de acordo com a fórmula de Faraday é: EMF=W/q.
Conseqüentemente, a força eletromotriz não é uma força no sentido literal, pois é medida em Joules por Coulomb ou em Volts. Acontece que ele representa a energia que é transmitida ao elétron de condução ao contornar o circuito. Cada vez, fazendo a próxima rodada do quadro rotativo do gerador, o elétron adquire uma energia numericamente igual à EMF. Essa energia adicional pode não apenas ser transferida durante colisões de átomos na cadeia externa, mas também liberada na forma de calor Joule.
Força de Lorentz e ímãs
A força que atua sobre a corrente em um campo magnético é determinada pela seguinte fórmula: q|v||B|sen a (o produto da carga do campo magnético, os módulos de velocidade da mesma partícula, o vetor de indução de campo e o seno do ângulo entre suas direções). A força que atua sobre uma carga unitária móvel em um campo magnético é chamada de força de Lorentz. Um fato interessante é que a 3ª lei de Newton é inválida para esta força. Ela obedece apenas à lei da conservação do momento, razão pela qual todos os problemas para encontrar a força de Lorentz devem ser resolvidos com base nela. Vamos descobrir comovocê pode determinar a força do campo magnético.
Problemas e exemplos de soluções
Para encontrar a força que surge em torno de um condutor com corrente, você precisa conhecer várias grandezas: a carga, sua velocidade e o valor da indução do campo magnético emergente. O problema a seguir ajudará você a entender como calcular a força de Lorentz.
Determine a força que atua sobre um próton que se move a uma velocidade de 10 mm/s em um campo magnético com indução de 0,2 C (o ângulo entre eles é 90o, uma vez que uma partícula carregada se move perpendicularmente às linhas de indução). A solução se resume a encontrar a carga. Olhando para a tabela de cargas, descobrimos que o próton tem uma carga de 1,610-19 Cl. Em seguida, calculamos a força usando a fórmula: 1, 610-19100, 21 (o seno do ângulo reto é 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
