Transcription
Всем глобальный привет! На связи Владич, твой препод по физике в Global, и сегодня ты познакомишься с магнетизмом. Не выключай ролик, если ты хочешь узнать, какие характеристики существуют у магнитного поля, как магнитное поле вообще работает и как оно связано с полем электрическим. Что такое правая, ой, правая и левая рука и как правильно этими правилами рук пользоваться? Что такое сила Ампера и сила Лоренца и как они друг с другом связаны? И что нужно знать для того, чтобы на спокичах решить абсолютно любую задачку в ОГЭ или ЕГЭ по физике? Присаживайся поудобней, а мы начинаем.
В прошлых анимационных роликах ты познакомился с полями и выделил для себя три основных вида: гравитационная, электрическая и магнитная. И на протяжении всех роликов для нас оставалось загадкой, что же всё-таки за магнитное поле. Ну вот мы к нему и наконец подошли. Напомню, что каждое поле можно описать двумя способами: с помощью его силовой характеристики, то насколько поле мощное, и с помощью его характеристики энергетической, сколько энергии запасено в теле при определённых условиях. Начнём с источника. Источником гравитационного поля является масса. То, что создаёт электрическое поле, называется зарядом. А вот то, что создаёт магнитное поле, называется зарядом, который двигается. Получается нелогично, что у гравитационного поля есть свой источник – это масса, у электрического поля тоже есть свой источник – это заряд, а у магнитного поля как будто бы своего источника, магнитного заряда, нету.
И вот, знаете, был такой чувак, которого зовут Джеймс Клерк Максвелл, и он создал и вывел четыре основных уравнения электродинамики. И вот созданная им система уравнений запрещает монополии. Да, именно так называются так называемые магнитные заряды. Но Джеймс Клерк Максвелл – это прям level high. Это, короче, очень высокий уровень с тяжёлой математикой, с крупными, короче, мозгами. И у многих школьников его уравнения могут показаться не особо понятны. Именно поэтому в эти четыре уравнения мы вдаваться не будем. Смысла в этом вообще абсолютно никакого нет, если мы хотим подготовиться к ЕГЭ по физике.
А вот ещё один чувак был, который магнитные поля, так скажем, предсказывал. Вот он был из небогатой семьи, я бы даже сказал, из нищей семьи. У него не было бабок, чтобы нормально учиться, но у него было стремление, у него была цель. И звали его Майкл Фарадей. И вот он как раз-таки открыл графическое изображение полей, которые мы прямо сейчас наблюдаем. Все поля рисуются с помощью силовых линий. Если у тебя какая-то масса, то вокруг неё рисуются силовые линии ускорения свободного падения G. Вот так. Если у тебя какой-нибудь заряд, например, положительный, то вокруг него рисуются силовые линии напряжённости. Вот так. А что такое вообще силовая линия? Грубо говоря, это линия, вдоль которой будет действовать сила.
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. И у магнитного поля силовые линии, в отличие от электрического, гравитационного поля, замкнуты. У магнита выделяют два полюса: условно северный и южный. Силовые линии всегда заходят в южный и выходят с севера. И они получаются вот такими замкнутыми. Есть два типа магнитов: полосовой и подковообразный. Силовая линия всегда заходит любому магниту взад, идёт внутри него и выходит наружу, а потом делает манёвр обратно. Снаружи получается неоднородное поле. В любой точке оно смотрит в разные стороны. И чем дальше мы находимся от магнита, тем слабее это поле становится. А внутри магнита всё чётко по прямой. И для того, чтобы снаружи магнита определить, куда в конкретной точке будет направлено магнитное поле, необходимо просто взять и нарисовать касательную к магнитным линиям в интересующей точке. У подковообразного магнита всё тоже просто. Силовые линии опять-таки входят в задницу, бегут по нему, выходят с севера и бегут обратно в южный полюс.
Нередко в задачах ты можешь встретить вот такие обозначения. Это тоже направление вектора магнитной индукции. И любой вектор можно представить как стрелу. Если она летит тебе в глаз, ты видишь остриё, поэтому мы это обозначаем точкой. Оно летит на нас. Если же стрела улетает от нас, то мы видим её оперение сзади и рисуем крестик. По аналогии со стрелой.
Силовые характеристики показывают левел поля, то насколько поле прокачано. С помощью неё спавнится сила. Если перемножить M на G, ты получаешь силу гравитационную. Если примножить Q на E, то ты получаешь силу электрическую. Ну а если перемножить B, Q, V, то получишь силу магнитную.
Давай-ка внимательно взглянем на самое маленькое тело – электрон. Сколько же у него есть полей? Ну, во-первых, у электрона есть масса 9,1 x 10⁻³¹ степени кг. Значит, есть и гравитационное поле. О'кей. Заряд у электрона тоже есть, следовательно, есть электрическое поле. А поскольку электрон движется, то и магнитное поле у него тоже есть. Таким образом, чтобы создать магнитное поле, надо просто двигаться. Зарядов, которые не двигаются, вообще нет. Очевидно, что это из-за того, что абсолютный ноль недостижим. Мы не можем заставить тела замереть. Движение никогда не прекращается. Все заряды вечно двигаются. А значит, в реальности у тебя всегда одновременно существует электрическое и магнитное поле. Это называется электромагнитным полем.
Но раз всё вот так вот просто, то почему дерево или же другие какие-нибудь материалы, типа резина там или ещё что-то, почему они не магнитятся? Почему любые железки магнитятся, а дерево нифига? На самом деле, всё действительно просто, и всё кроется в структуре. У металлов атомы выглядят более порядочно. У них все орбиты атома находятся примерно в одной плоскости. Электроны в металле вращаются как будто бы в 2D, а у дерева – вот так вот, в 3D. Когда электроны вращаются в 3D в разные стороны, все они создают разные магнитные поля, которые друг друга гасят. Тогда суммарно магнитное поле будет равно нулю. А когда электроны вращаются в одной плоскости, они создают мощное магнитное поле, направленное в одну сторону. Из-за этого, по сути, и проявляются магнитные свойства. То есть разница между металлом и деревяшкой в том, что у металла атомы, электроны вращаются в одной плоскости. Это называется явлением намагничивания. Ты можешь взять любую железку, закинуть эту железку под магнитное поле. Железка под магнитным полем начнёт выравнивать свои электроны, в результате чего её беспорядочное вращение станет упорядочным, а железка станет магнитом. Металлы, где у них очень много упорядочных атомов, называются магнитами и имеют магнитные свойства.
В реальной жизни и в задачках по физике тебя очень часто будут спрашивать: "А в какую сторону направлено это магнитное поле? Как оно распространяется? Кто создаёт это магнитное поле?" И самое забавное, что для определения направления тебе не нужно знать ничего, кроме анатомии человеческого тела. И в подобных задачах основную роль играют руки. А именно в этой задаче, в определении магнитного поля, правая рука. И сейчас ты научишься ей пользоваться. Ну и, конечно же, левой рукой тоже.
Начнём с правой руки. У тебя есть провод с током. Ты понимаешь, что когда протекает ток, это означает то, что в проводочке там двигаются заряженные частицы, например, электроны. Это означает, что ток протекает влево. Ты в курсе, что электроны двигаются. Получается, у провода с током тоже есть магнитное поле. И данный опыт провёл. Он взял провод с током, поднёс к нему магнитную стрелку, включил ток и заметил, что магнитная стрелка повернулась. Выключил ток – магнитная стрелка отвалилась. Так он понял, что сам провод имеет вокруг себя магнитное поле. Правило правой руки позволяет связать между собой две величины: направление тока и вектор магнитной индукции.
Ну а теперь посмотрим, как пользоваться вот этой вот правой рукой. Допустим, есть провод, в котором протекает ток. Берём правую руку. Большой палец прямой, а остальные четыре завёрнутые. В таком положении удобно что-то прямое показывать большим пальцем, а что-то завёрнутое четырьмя пальцами. Поэтому берём правую руку и большой палец направляем по току, а четыре пальца заворачиваем вдоль проводника. Получается, что вокруг провода силовые линии направлены по кольцу таким образом, каким направлены твои пальцы. А вектор магнитной индукции B будет направлен в любой точке касательной.
Если же у тебя провод не прямой, а скажем, кольцевой, например, ток в нём направлен вот в эту сторону, то делаем всё с правой рукой исключительно наоборот. Помним, что четыре пальца – это в первую очередь что-то закруглённое. Ток здесь закруглённый, четыре пальца по закруглению запускаем, а большой палец смотрит вертикально вверх. Получается, вектор магнитной индукции направлен вертикально вверх.
О, кстати говоря, с помощью вот такого провода можно создать магнит максимально спокойно. Подключаем сюда клеммы. Ток протекает от плюса к минусу, поэтому у нас будет ток протекать в эту сторону. Берём четыре пальца, направляем вдоль тока, большой палец будет смотреть влево. Получается, что влево направлена силовая линия магнитного поля. То есть влево будет направлен вектор магнитной индукции B. Если вектор магнитной индукции направлен справа налево, то когда ты запускаешь ток, ты автоматически создаёшь из этой катушки электромагнит. То есть, пока протекает ток, эта штука ведёт себя как магнит, и у него есть полюса. Справа будет южный полюс, потому что туда вектор магнитной индукции заходит, а слева будет полюс северный, потому что оттуда вектор магнитной индукции выходит. А внутри этой катушки поле однородное, а снаружи нет. Также неплохо представлять каждый виточек по отдельности. В каждом виточке вот так протекает ток. Значит, у каждого виточка слева вектор магнитной индукции вылетает, а справа залетает, и каждый маленький виточек в этой катушке становится миниатюрным магнитом. Когда в катушке много таких витков, и ты включаешь электрический ток, то они друг к другу притягиваются, так как противоположные полюса, опять-таки, притягиваются.
Ранее мы говорили, что силы возникают благодаря источнику. Когда ты знаешь, что у поля есть ещё и силовая характеристика, то ты можешь перемножить источник на силовую характеристику и в итоге получить силу. Тут возникает подстава, так как во всех остальных силах только одна величина векторная, а у магнитной оказывается два вектора, то есть вектор скорости и вектор магнитной индукции, то в результате получается полная задница. Ну, слушай, и тут тоже появляется нормальный способ. Векторы можно перемножать двумя способами. Первый способ – это когда ты умножаешь вектор один на вектор второй, а на выходе получаешь просто число. А второй способ – это когда ты вектор один на вектор два умножаешь, и у тебя получается какой-то третий вектор. Варианты произведения в математике называют либо скалярным произведением, либо векторным. Скалярное произведение – это когда ты два вектора перемножил и получил на выходе число. А векторное, опять-таки, это когда ты перемножил два вектора и получил третий вектор. Скалярное произведение в физике будет использоваться в двух местах: работа и магнитный поток. О нём, кстати говоря, чуть попозже поразбираемся. Ну, у скалярного произведения в формуле всегда вылезает косинус, а у векторного, в свою очередь, всегда вылезает синус. Мы хотим, перемножая два вектора, получить третий вектор – вектор силы. Для этого мы используем именно векторное произведение, а значит, мы будем расписывать силу магнитную как BQV синус альфа. А синус альфа берётся между углами вектора магнитной индукции B и скорости. То есть, угол альфа – это угол между магнитной индукцией и, опять-таки, скоростью.
И вот, если модуль силы можно рассчитать по формуле, то направление силы Лоренца можно определить с помощью левой руки. Она всегда определяет направление действия силы. Магнитная сила бывает двух типов. Одна сила, которая действует на частичку, называется силой Лоренца. А сила, которая действует целиком на провод с током, называется силой Ампера.
Как работает левая рука? Допустим, у тебя есть магнитное поле, направленное на наблюдателя. Когда у тебя есть частица, которая залетает в магнитное поле, она попадает под воздействие этого самого магнитного поля. Она взаимодействует с этим внешним магнитным полем и попадает в ловушку. На эту частицу действует сила Лоренца. Берёшь левую руку и направляешь четыре пальца таким образом, чтобы они были вдоль скорости положительно заряженной частицы. Индукция B должна воткнуться острой штукой тебе в ладонь. В данном случае идёт B на нас. Значит, ты берёшь именно вот, как тыльную сторону ладони. Тогда большой отопыренный палец покажет направление этой самой магнитной силы, в данном случае силы Лоренца. Именно так называется сила, действующая на отдельную частичку. Получается, что эту частичку вправо будет тянуть сила Лоренца.
Если же взять в это поле и запихнуть отрицательно заряженную частичку, то будет использоваться та же самая рука. Четыре пальца ты уже будешь направлять против вектора скорости, так как частица отрицательная. Индукция B втыкается в ладошку, а большой палец показывает направление силы Лоренца. И формула силы Лоренца выглядит вот так: BQВ синус альфа.
Ну а теперь сила Ампера. И формулу силы Ампера можно записать вот таким вот образом. Типа, сила Ампера – это число частиц, умножить на силу Лоренца. Грубо говоря, сила Ампера – это суммарная сила Лоренца. Когда у тебя есть провод с током, в нём протекают отрицательно заряженные частички. Считается, что в таком случае ток протекает в обратную сторону. Допустим, кто-то создал внешнее поле, например, разместил снаружи какой-то мощный магнит. Из северного полюса выходит силовая линия, а входит в S. В итоге она прошивает провод вот в этом направлении, перпендикулярно. То есть, его силовая линия идёт перпендикулярно проводу. Как найти силу Лоренца, действующую на заряженную частичку? Четыре пальца направляем против скорости, потому что тут отрицательные частицы. То есть, если скорость направлена у них вправо, частица отрицательная, то четыре пальца направляем влево. Индукция B втыкается в ладошку, тогда большой палец будет смотреть наверх. Получается, что все эти электроны тянет наверх сила Лоренца. Эта суммарная сила Лоренца называется силой Ампера.
Давай-ка возьмём и попробуем всё это дело расписать. Сила Лоренца – это BQV синус альфа, умноженное всё на n. Скорость – это по сути расстояние за время, поэтому скорость можно расписать как расстояние, пройденное электронами по проводнику, делить на время, за которое они, в общем-то говоря, такое расстояние и прошли. Теперь сгруппируем вместе заряд, который проходит за время, количество вот этих вот зарядиков и время. И вот эта штука как раз-таки называется силой тока. Тогда получается, что сила Ампера равна B, I, L синус альфа. Ну и отсюда, в общем-то говоря, и возник тот самый известный мем, что Ампер бил сына. Угол альфа здесь – это угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока.
Тогда, как применять правило левой руки для провода? Четыре пальца направляешь вдоль тока, то есть влево. Индукция втыкается в ладошку, большой палец смотрит вверх. И суммарная сила Лоренца также будет смотреть вверх и будет называться одной большой мегасилой – силой Ампера.
На этом всё. И после просмотра этого ролика ты точно можешь считать себя гуру магнетизма. Ну а самое главное, после каждой теории обязательно нужно практиковаться. Поэтому практикуйся. Прямо для тебя я подобрал домашнюю работу, которую ты можешь найти по ссылочке в описании. Если хочешь больше информации, то обязательно подписывайся на этот канал для того, чтобы не пропустить ни одного крутого ролика и ни одного крутого стрима, потому что стримы проходят у меня каждое воскресенье. Ну а если хочешь заниматься вместе со мной, то обязательно записывайся на мой курс подготовки к ОГЭ или к ЕГЭ по физике по первой ссылочке в описании. А если, ну, какой-то возможности нет записаться, но при этом тебе очень хочется заниматься вместе со мной, то занимайся по боту. Переходи по первой ссылочке в описании, выбирай свой класс, выбирай раздел "База знаний", изучай материал по порядку, который тебе закинет бот. Ну а если тебе понравился этот ролик, то обязательно поставь ему лайк, подпишись на канал и напиши что-нибудь в комментариях. Будет очень приятно посмотреть и, естественно, почитать. Ну а я с тобой не прощаюсь. Мы в интернете. Увидимся в следующих роликах. До встречи. Пока-пока.