Mojawapo ya sehemu muhimu zaidi za fizikia ya kisasa ni mwingiliano wa sumakuumeme na ufafanuzi wote unaohusiana nayo. Ni mwingiliano huu unaoelezea matukio yote ya umeme. Nadharia ya umeme inashughulikia maeneo mengine mengi, kutia ndani macho, kwani mwanga ni mionzi ya sumakuumeme. Katika makala haya, tutajaribu kueleza kiini cha mkondo wa umeme na nguvu ya sumaku kwa lugha inayoweza kufikiwa na inayoeleweka.
Magnetism ndio msingi wa misingi
Kama watoto, watu wazima walituonyesha mbinu mbalimbali za uchawi kwa kutumia sumaku. Figurines hizi za kushangaza, ambazo zinavutia kila mmoja na zinaweza kuvutia toys ndogo, daima zimependeza macho ya watoto. Sumaku ni nini na nguvu ya sumaku hufanyaje kazi kwenye sehemu za chuma?
Ukifafanua katika lugha ya kisayansi, unapaswa kurejea kwa mojawapo ya sheria za kimsingi za fizikia. Kwa mujibu wa sheria ya Coulomb na nadharia maalum ya uhusiano, nguvu fulani hufanya juu ya malipo, ambayo ni sawa na kasi ya malipo yenyewe (v). Mwingiliano huu unaitwanguvu ya sumaku.
Sifa za Kimwili
Kwa ujumla, inapaswa kueleweka kuwa matukio yoyote ya sumaku hutokea tu wakati chaji zinapoingia ndani ya kondakta au uwepo wa mikondo ndani yake. Wakati wa kusoma sumaku na ufafanuzi sana wa sumaku, inapaswa kueleweka kuwa zinahusiana kwa karibu na uzushi wa sasa wa umeme. Kwa hivyo, hebu tuelewe kiini cha mkondo wa umeme.
Nguvu ya umeme ni nguvu inayofanya kazi kati ya elektroni na protoni. Kiidadi ni kubwa zaidi kuliko thamani ya nguvu ya uvutano. Inazalishwa na malipo ya umeme, au tuseme, kwa harakati zake ndani ya kondakta. Malipo, kwa upande wake, ni ya aina mbili: chanya na hasi. Kama unavyojua, chembe zenye chaji chanya huvutiwa na zenye chaji hasi. Hata hivyo, malipo ya ishara sawa huwa yanapingana.
Kwa hivyo, chaji hizi zinapoanza kusogea kwenye kondakta, mkondo wa umeme hutokea ndani yake, ambao unafafanuliwa kama uwiano wa kiasi cha chaji kinachotiririka kupitia kondakta kwa sekunde 1. Nguvu inayofanya kazi kwa kondakta yenye mkondo katika uwanja wa sumaku inaitwa nguvu ya Ampere na hupatikana kwa mujibu wa sheria ya "mkono wa kushoto".
Data ya uhakiki
Unaweza kukumbana na mwingiliano wa sumaku katika maisha ya kila siku unaposhughulika na sumaku za kudumu, inductors, relay au motors za umeme. Kila mmoja wao ana uwanja wa sumaku ambao hauonekani kwa jicho. Inaweza kupatikana tu kwa hatua yake, ambayo nihuathiri chembe zinazosonga na miili yenye sumaku.
Nguvu inayofanya kazi kwenye kondakta inayobeba sasa katika uwanja wa sumaku ilichunguzwa na kuelezwa na mwanafizikia wa Kifaransa Ampère. Sio tu nguvu hii inaitwa jina lake, lakini pia ukubwa wa nguvu za sasa. Shuleni, sheria za Ampère hufafanuliwa kuwa kanuni za mkono wa "kushoto" na "kulia".
Sifa za uga wa sumaku
Inapaswa kueleweka kuwa uga wa sumaku daima hutokea sio tu karibu na vyanzo vya mkondo wa umeme, lakini pia karibu na sumaku. Kawaida anaonyeshwa na mistari ya sumaku ya nguvu. Kwa mchoro, inaonekana kama karatasi iliwekwa kwenye sumaku, na vichungi vya chuma vilimiminwa juu. Zitafanana kabisa na picha iliyo hapa chini.
Katika vitabu vingi maarufu vya fizikia, nguvu ya sumaku huletwa kutokana na uchunguzi wa majaribio. Inachukuliwa kuwa nguvu tofauti ya asili ya asili. Wazo kama hilo ni potofu; kwa kweli, uwepo wa nguvu ya sumaku hufuata kutoka kwa kanuni ya uhusiano. Kutokuwepo kwake kungekiuka kanuni hii.
Hakuna jambo la msingi kuhusu nguvu ya sumaku - ni matokeo tu ya uhusiano wa sheria ya Coulomb.
Kutumia sumaku
Kulingana na hekaya, katika karne ya kwanza AD kwenye kisiwa cha Magnesia, Wagiriki wa kale waligundua mawe yasiyo ya kawaida ambayo yalikuwa na sifa za kushangaza. Walivutia kwao wenyewe kitu chochote kilichofanywa kwa chuma au chuma. Wagiriki walianza kuwatoa nje ya kisiwa na kusoma mali zao. Na wakati mawe yalipoanguka mikononi mwa barabarawachawi, wamekuwa wasaidizi wa lazima katika maonyesho yao yote. Kwa kutumia nguvu za mawe ya sumaku, waliweza kuunda onyesho zuri kabisa lililovutia watazamaji wengi.
Maji hayo yalipoenea sehemu zote za dunia, hekaya na ngano mbalimbali zilianza kuenea kuyahusu. Mara moja mawe hayo yaliishia Uchina, ambapo yalipewa jina la kisiwa ambacho walipatikana. Sumaku ikawa somo la wanasayansi wote wakuu wa wakati huo. Imeonekana kwamba ikiwa utaweka chuma cha magnetic kwenye kuelea kwa mbao, kurekebisha, na kisha kugeuka, itajaribu kurudi kwenye nafasi yake ya awali. Kwa ufupi, nguvu ya sumaku inayofanya kazi juu yake itageuza madini ya chuma kwa njia fulani.
Kwa kutumia sifa hii ya sumaku, wanasayansi walivumbua dira. Juu ya sura ya pande zote iliyofanywa kwa mbao au cork, miti miwili kuu ilitolewa na sindano ndogo ya magnetic iliwekwa. Ubunifu huu ulipunguzwa kwenye bakuli ndogo iliyojaa maji. Baada ya muda, mifano ya dira imeboreshwa na kuwa sahihi zaidi. Hazitumiwi na mabaharia pekee, bali pia na watalii wa kawaida wanaopenda kutalii maeneo ya jangwa na milima.
Matukio ya kuvutia
Mwanasayansi Hans Oersted alitumia takriban maisha yake yote kwa ajili ya umeme na sumaku. Siku moja, wakati wa hotuba katika chuo kikuu, aliwaonyesha wanafunzi wake jambo lifuatalo. Alipitisha mkondo kupitia kondakta wa kawaida wa shaba, baada ya muda kondakta alipasha moto na kuanza kuinama. Ilikuwa ni hali ya jotomkondo wa umeme. Wanafunzi waliendelea na majaribio haya, na mmoja wao aliona kwamba mkondo wa umeme una mali nyingine ya kuvutia. Wakati mkondo ulipotiririka kwenye kondakta, mshale wa dira iliyokuwa karibu ulianza kupotoka kidogo kidogo. Akisoma jambo hili kwa undani zaidi, mwanasayansi aligundua kile kinachoitwa nguvu inayofanya kazi kwenye kondakta katika uwanja wa sumaku.
Mikondo ya Ampere kwenye sumaku
Wanasayansi wamejaribu kutafuta chaji ya sumaku, lakini nguzo ya sumaku iliyotengwa haikupatikana. Hii inafafanuliwa na ukweli kwamba, tofauti na umeme, malipo ya magnetic haipo. Baada ya yote, vinginevyo itawezekana kutenganisha malipo ya kitengo kwa kuvunja moja ya mwisho wa sumaku. Hata hivyo, hii huunda nguzo mpya iliyo kinyume upande mwingine.
Kwa hakika, sumaku yoyote ni solenoid, juu ya uso ambayo mikondo ya ndani ya atomiki huzunguka, huitwa mikondo ya Ampère. Inageuka kuwa sumaku inaweza kuzingatiwa kama fimbo ya chuma ambayo mkondo wa moja kwa moja huzunguka. Ni kwa sababu hii kwamba kuanzishwa kwa msingi wa chuma kwenye solenoid huongeza sana uga wa sumaku.
Magnet energy au EMF
Kama jambo lolote la kimaumbile, uga wa sumaku una nishati ambayo inachukua ili kuhamisha chaji. Kuna dhana ya EMF (nguvu ya umeme), inafafanuliwa kama kazi ya kuhamisha chaji ya uniti kutoka nukta A0 hadi kumweka A1.
EMF inafafanuliwa na sheria za Faraday, ambazo zinatumika katika tatu tofauti za kimaumbile.hali:
- Mzunguko unaoendeshwa husogea katika sehemu inayofanana ya sumaku. Katika hali hii, wanazungumzia emf ya sumaku.
- Mtaro umepumzika, lakini chanzo cha uga wa sumaku kinasonga. Hili tayari ni jambo la umeme la emf.
- Mwishowe, mzunguko na chanzo cha uga sumaku havijasimama, lakini mkondo unaounda uga wa sumaku unabadilika.
Kwa nambari, EMF kulingana na fomula ya Faraday ni: EMF=W/q.
Kwa hivyo, nguvu ya kielektroniki si nguvu katika maana halisi, kama inavyopimwa kwa Joule kwa Coulomb au katika Volti. Inageuka kuwa inawakilisha nishati ambayo hutolewa kwa elektroni ya uendeshaji wakati wa kupita mzunguko. Kila wakati, kufanya mzunguko unaofuata wa sura inayozunguka ya jenereta, elektroni hupata nishati kwa nambari sawa na EMF. Nishati hii ya ziada haiwezi tu kuhamishwa wakati wa migongano ya atomi kwenye mnyororo wa nje, lakini pia kutolewa katika umbo la joto la Joule.
Nguvu ya Lorentz na sumaku
Nguvu inayofanya kazi kwenye mkondo katika uga wa sumaku hubainishwa kwa fomula ifuatayo: q|v||B|sin a (bidhaa ya chaji ya uga sumaku, moduli za kasi za chembe sawa., vekta ya induction ya shamba na sine ya pembe kati ya maelekezo yao). Nguvu inayofanya kazi kwa malipo ya kitengo cha kusonga katika uwanja wa sumaku inaitwa nguvu ya Lorentz. Ukweli wa kuvutia ni kwamba sheria ya 3 ya Newton ni batili kwa nguvu hii. Inatii tu sheria ya uhifadhi wa kasi, ndiyo sababu matatizo yote katika kutafuta nguvu ya Lorentz yanapaswa kutatuliwa kwa kuzingatia. Hebu tujue jinsi ganiunaweza kubainisha uimara wa uga wa sumaku.
Matatizo na mifano ya suluhu
Ili kupata nguvu inayotokea karibu na kondakta yenye mkondo, unahitaji kujua idadi kadhaa: chaji, kasi yake na thamani ya uingizaji wa uga unaojitokeza wa sumaku. Tatizo lifuatalo litakusaidia kuelewa jinsi ya kukokotoa nguvu ya Lorentz.
Amua nguvu inayofanya kazi kwenye protoni inayosogea kwa kasi ya 10 mm/s kwenye uwanja wa sumaku kwa uingizaji wa 0.2 C (pembe kati yake ni 90o, kwa kuwa chembe ya kushtakiwa inasonga perpendicular kwa mistari ya induction). Suluhisho linakuja kwa kutafuta malipo. Tukiangalia jedwali la gharama, tunapata kwamba protoni ina malipo ya 1.610-19 Cl. Ifuatayo, tunahesabu nguvu kwa kutumia formula: 1, 610-19100, 21 (sine ya pembe ya kulia ni 1)=3, 2 10- 19 Newtons.
