BLOG
Tomáš Búran
Tomáš Búran
5 142

Elektromagnetizmus v skratke

Cieľom tohto článku je veľmi jednoducho, v jazyku obyčajného človeka nevediaceho o elektromagnetizme takmer nič, vysvetliť jav elektriny a magnetizmu. Fyzika ma veľmi zaujíma a mojou obľúbenou témou je práve elektromagnetizmus. Tak sa na to poďme laicky pozrieť. Snáď v niekom vzbudím záujem o hlbšie štúdium tejto témy. Budem písať formou priameho adresovania čitateľovi (tykanie). Bude to viac osobnejšie.

Elektrická interakcia

Atóm

Dnes už vieme veľmi dobre čo je atóm. Predchádzali tomu však stovky rokov výskumu. Môžeme s istotou povedať, že sa skladá z protónového jadra (s kladným elektrickým nábojom), okolo ktorého „krúžia“ elektróny (so záporným elektrickým nábojom). V jadre sa nachádza aj neutrón, ktorý elektricky nepôsobí, pretože nenesie žiadny elektrický náboj (je neutrálny).

c-atom_e1

Všetko je okolo nás a vrátane nás tvorené takýmito atómami. Objekty sú však natoľko komplexné, že elektrické účinky jednotlivých atómov sa zneutralizujú. Inými slovami: práve elektricky nepriťahuješ (ani neodpudzuješ) napr. skrinku vedľa seba. Ak sa ale ku nej priblížiš a položíš na ňu ruku, je to práve elektrická sila, ktorá ti cez ňu zabráni prejsť. Ako sme si vyššie povedali, na obale atómov sú záporne nabité elektróny. Čo sa stane, ak sa dotkneš skrinky? Elektróny na tvojej ruke začnú interagovať* s elektrónmi na skrinke a vzniká veľmi silná odpudivá sila. Narozdiel od gravitačnej interakcie môže byť tá elektrická záporná a aj kladná – teda dva elektrické náboje sa môžu odpudzovať aj priťahovať. Oproti gravitačnej je mnohonásobne silnejšia.

Bodový náboj

Ignoruj teraz atóm ako celok a myšlienkovo si zober len jeden elektrón. Ten so sebou nesie určitý náboj |Q1| (píšem s absolútnou hodnotou, pretože ma zaujíma len jeho veľkosť). Ak by si vedľa neho umiestnil ďalší elektrón s nábojom |Q2|, budú na seba pôsobiť elektrickou odpudivou silou. Môžeš taktiež tvrdiť, že sa okolo elektrónov vytvorilo elektrostatické pole. Je matematicky veľmi podobné ako gravitačné pole. V tom sú fyzikálne zákony nášho vesmíru úžasné. Pamätáš si na gravitačné silové pôsobenie dvoch hmotných bodov? Vyzerá takto:

Rovnica(1) - m1 a m2 sú hmotnosti objektov, r je vzdialenosť objektov a κ (kappa) konštanta.

Rovnica(1) – m1 a m2 sú hmotnosti objektov, r je vzdialenosť objektov a κ (kappa) je konštanta.

Tvoje dva elektróny budú na seba pôsobiť veľmi podobne:

6423c690f3e97bf262f3d6774834e8b3

Rovnica(2) – Q1 a Q2 sú elektrické náboje objektov, r je vzdialenosť objektov a prvý zlomok môžeme chápať ako konštantu.

Ide o jednoduchý a kvantitatívny** zápis elektrickej sily pôsobiacej medzi dvoma elektrickými nábojmi v pokoji. Tento zápis sa nazýva Coulombov zákon.***

Magnetická interakcia

Doteraz sme sa zaoberali len elektrickými nábojmi, ktoré sa nepohybovali. Dnes veľmi dobre vieme, že všetky magnetické efekty sú dôsledkom usmerneného pohybu elektrických nábojov. Takže čo stačí pre vytvorenie magnetického poľa, ktoré bude taktiež kvantitatívne pôsobiť silou? Uveď svoje elektróny (všeobecne elektrické náboje) do pohybu!

Relativita

Môže ťa trochu znepokojiť tvrdenie, že magnetizmus je atribút pohybu nábojov, teda že závisí od ich rýchlosti. Trochu odbočme. Ako rýchlo sa práve pohybuješ? Voči Zemi si v pokoji. Ako rýchlo sa pohybuje auto? V meste najviac 50km/h. Musíš si uvedomiť čo majú moje výroky spoločné. Je ňou vzťažná sústava**** a záleží len od teba, ktorú si vyberieš. Ak si zvolíš inú (napr. vzťažná sústava bude Mesiac či galaxia Andromeda), zrazu si v pohybe hoci sedíš na stoličke. V podstate sa vždy musíš pýtať „vzhľadom k čomu?“. Inými slovami môžeš povedať, že rýchlosť je relatívna.

Keďže samotná rýchlosť objektov je relatívna, aj magnetizmus je len relativistickým javom. Ak sa 2 elektrické náboje voči sebe nepohybujú (napr. pôjdu rovnakou rýchlosťou v vedľa seba), nebudú medzi nimi magnetické účinky, zatiaľ čo z tvojho pohľadu (iná vzťažná sústava) budeš tieto kvantitatívne (silové) magnetické účinky pozorovať. Podobne ako elektrické pole, aj magnetické pole sa dá definovať pomocou sily, ktorú vytvára:

f965f9ede0199cd77c83a5b72c6f3b48

Rovnica(3) – q je elektrický náboj, v je rýchlosť, je hustota magnetického toku a x značí, že ide o vektorový súčin, ktorého výsledkom je vektor.

Všimni si, že je označené hrubou kurzívou (aj rýchlosť a hustota magnetického toku). Je to z toho dôvodu, že sa zaujímame aj o smer pôsobenia sily (smer rýchlosti a hustoty magnetického toku). Vyššie pri zákonoch sily elektrickej interakcie som smer sily zanedbal – pri gravitačnej sile je smer sily stále rovnaký (gravitácia len priťahuje) a pri Coulombovej sile som zapísali absolútne hodnoty jednotlivých elektrických nábojov. Vďaka tomu som nedostal vektor sily s určitým smerom pôsobenia ale skalárnu veličinu F, ktorá smer nemá.*****

Elektromagnetizmus

Magnetizmus a elektrina sú neoddeliteľné časti všeobecnejšieho prírodného fenoménu – elektromagnetizmu. Silný magnetizmus permanentných magnetov (feromagnetizmus) je tiež spôsobený pohybom elektrónov v atóme železa po orbitách. Ide najmä o ich rotačný pohyb okolo vlastnej osi – ich spin, teda ich moment hybnosti******.

11954233642049158303johnny_automatic_magnet.svg.med

James Clerk Maxwell

Maxwell je vo všeobecnosti považovaný za vynikajúceho vedca 19. storočia. Pri príležitosti stého výročia jeho narodenia Einstein opísal Maxwellovu prácu ako „najdômyselnejšie a najplodnejšie, čo fyzika zažila od Newtonových čias“.

Maxwell totiž demonštroval, že elektrické a magnetické sily sú dve dopĺňajúce sa stránky elektromagnetizmu. Ukázal, že elektrické a magnetické polia sa šíria priestorom vo forme vĺn konštantnou rýchlosťou 3 . 108 m/s. Možno ti je táto rýchlosť známa. Je to rýchlosť svetla. Aj svetlo je formou elektromagnetického žiarenia.

Maxwellove rovnice

Maxwellove rovnice sú krásnou ukážkou elegancie prírodných zákonov. Nejdem ich podrobne vysvetľovať, dávam ich sem len preto, aby si sa pokochal nad ich eleganciou:

eqcat2-1000x370

Maxwellove rovnice – prvá popisuje Gaussov zákon elektrostatiky, druhá zákon spojitosti magnetického indukčného toku, tretia zákon elektromagnetickej indukcie a štvrtá pojednáva o všeobecnom Ampérovom zákone. 

Totiž všetky deje elektromagnetizmu možno zapísať do týchto krásnych a jednoduchých rovníc. Sú matematickým zjednotením elektriny a magnetizmu – elektromagnetizmu.

Vysvetlivky, odkazy:
* interakcia – V preklade znamená vzájomné pôsobenie 2 a viac činiteľov. Môžeme kvantitatívne interpretovať aj ako silu.

** Pripomínam, že kvantitatívnou charakteristikou elektrickej interakcie je sila.

*** Môžeme ďalej hovoriť aj o intenzite elektrostatického poľa, toku (Gaussova veta), potenciáli elstat. poľa atď., lenže pre potreby tohto článku by som príliš zachádzal do detailov. Operuje sa tam s integrálnym počtom, diferenciálnymi operátormi (div, grad, rot). Tieto veci sú veľa ľuďom vzdialené, preto sa tým nebudeme obťažovať, avšak ak sa nájdu takí, ktorí majú záujem, čerpal som z prednášok pána profesora Dušana Pudiša: http://fyzika.uniza.sk/sk/zaklady/zaklady/12.pdf.

**** Vzťažná sústava je spôsob, ako pozorujeme pohyby a ďalšie deje v skúmanom systéme.

***** Magnetizmus je taktiež obsiahlejší a uviedol som len silový účinok magnetického poľa. Môžeme sa ale hlbšie rozprávať aj o magnetickej indukcii, toku vektora magnetickej indukcie, Laplaceovom zákone a pod. Čerpal som z dokumentov pána Tirpáka: http://files.gamepub.sk/Bakalar/Fyzika%202/Andrej%20Tirpak,%20Elektromagnetizmus/kapitoly/06_kap06.pdf

****** Táto interpretácia spinu elektrónu ako bodového objektu nezodpovedá predstavám kvantovej fyziky.

Text je súčasťou blogov Denníka N, nie je redakčným obsahom.
Administrátorov blogov môžete kontaktovať na adrese blog@dennikn.sk.

Aj priestor pre blogerov Denníka N vznikol vďaka vám. Predplaťte si nás a podporte našu snahu o kvalitnú žurnalistiku.

Sme závislí len od vás! Predplaťte si nás

Dnes na DenníkN.sk

Som mladý študent s otvorenou mysľou, no nie natoľko, aby mi vypadla z hlavy. ,,Iste malo v minulosti veľa ľudí veľa vier, veľa hier. Celý život v niečo veriť, ale na kľukatej ceste aj tak veľa dier. Veľa otázkami obklopený, ako vodou svetadiel. Niektorí veria v mier, niektorí vo vojnu sfanatizovaní svojou vierou vier. Obetovaných často veľa tiel. Nie každý kľudne vybral si, že s ktorou vierou vtedy teda šiel. Niektorý začal veriť preto, lebo nemal cieľ. Pod vplyvom viery namaľovaných aj veľa diel, no taktiež aj nabitých veľa diel, čo odpálili veľa striel." - Čistychov

Blogy

|