Естественные науки

Вопрос только физикам (про магнит и гвоздь)

Этот вопрос я уже задавал когда-то давно. Но ответа так и не получил. Возможно с тех пор что-то изменилось

Гвоздь притягивается к магниту (это факт!) . Будучи отпущенным, гвоздь приобретает скорость (в направлении магнита) , а значит и кинетическую энергию. Следовательно КАКАЯ-ТО сила совершает над ним работу. Вопрос: что это за сила?

(Намёк: на гвоздь действует только магнитное поле, оно оказывает только силу Лоренца, а она работу никогда НЕ совершает, будучи всегда направленной перпендикулярно скорости)
FS
Farhat Shaymardankulow
33 030
На самом деле этот вопрос очень риторический.
То, что вопрос является риторическим, можно понять на такой аналогии. Рассмотрим, вопрос Гвоздь притягивается к Земле (это факт!) . Будучи отпущенным, гвоздь приобретает скорость (в направлении Земли) , а значит и кинетическую энергию. Следовательно КАКАЯ-ТО сила совершает над ним работу. Вопрос: что это за сила? Я просто в Вашем вопросе поменял слово "магнит" на слово "Земля".
Почему-то на этот вопрос все легко отвечают, что работу над гвоздем совершает сила тяжести (сила гравитационного притяжения) . Но на самом деле, все дают такой ответ просто потому, что эта сила имеет название. Мы эту силу можем назвать своим именем. А суть ее это градиент гравитационного поля.
Также и в случае с магнитом. Суть силы, которая притягивает гвоздь к магниту, это градиент магнитостатического поля. Ну не дали этому градиенту никакого специального названия. Ну что поделать. Так получилось исторически.
AU
Assel Ummusman
93 292
Лучший ответ
Farhat Shaymardankulow Может быть. Но это какая-то новая электродинамика (не максвелловская). А в старой никаких анонимных потенциальных сил магнитное поле на заряд не оказывает. Только силу Лоренца.
Могу предположить, что это "упругость атомов", то есть в конечном счёте - электростатическое взаимодействие между электронной плотностью (искажённой в неоднородном поле магнита) и ядрами, получающими ускорение в сторону, куда в результате смещена плотнось.
Такой уровень модели сойдёт?
Farhat Shaymardankulow БРАВО! Осталось объяснить, почему это ядра ускоряются под воздействием электронов, а не наоборот (как там с 3-м з-ном Ньютона?)
Abduvaxob Eminov Для того чтобы электронная плотность могла исказиться, на эту электронную плотность надо подействовать чем-то материальным.
Два вопроса:
1. Какая именно материя воздействует на электронную плотность, заставляя её претерпевать изменения и искажаться?
2. Что является источником возникновения этой материи?
На этот вопрос я уже отвечал не так уж и давно.

Соглашусь, сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости.
Но скорости чего?
Электронов.
А электроны по гипотезе Ампера (ничего не изменилось, фигушки! ) - это круговые токи.
Так вот, сила Лоренца, действующая всегда перпендикулярно скорости, может быть направлена только вдоль оси того круга, по которому течёт ток.
То бишь она притягивает этот ток (атом в частности и кристаллическую решётку в общем) .
И сила Лоренца в данном случае уже не перпендикулярна перемещению и работу совершает.

P.S. Аналогично и в гаусс-пушке сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости электронов и движет таки проводник с током - снаряд.
Екатерина Лукьянова Гвоздь электронейтрален, надо полагать. По крайне мере про его заряд ничего не сказано
Анастасия Бондарь Перечитал, однако, прошлый вопрос.
Шибко задумался.
Бросил это дело.

Василиск, у нас же есть только 4 типа взаимодействий, из которых только электромагнитное здесь играет значение и имеет роль.
Поэтому вопрос "какая сила?", я полагаю, здесь неуместен.
Анастасия Бондарь С энергией, в принципе, кое-что надумал.

Если взять тот же круговой ток, то его энергия во внешнем магнитном поле пропорциональна произведению магнитного момента на индукцию: W = mB = BIS.
Если контур в поле поворачивается, то площадь, пронизываемая индукцией, уменьшается.
Соответственно, уменьшается и потенциальная энергия контура.
Стало быть, появляется кинетическая энергия.
Анастасия Бондарь Сила Лоренца в данном случае как раз поворачивает этот контур.
Алексей Мезрин А Вы уверены, что сила Ампера (тот механизм, который вы описали, есть объяснением совершения этой силой работы) действует на гвоздь со стороны магнита?
Если к вопросу подходить формально, то работу совершает сила Ампера. Два магнитных диполя притягиваются, точно также как проводники, по которым течет ток.
Классическая электродинамика не дает и не может дать ответа на то, каким образом постоянный вихревой ток в магните индуцирует ток в веществе гвоздя или другом теле. Коэффициент пропорциональности между напряженностью поля и индукцией обозначают μ, но как вычислить эту величину и откуда она берется, классическая электродинамика не знает.
Точно также, два нейтральных металлических шара не притягиваются, а между двумя нейтральными атомами действует сила притяжения. Спрашивается, каким образом один нейтральный атом смог индуцировать на другом дипольный электрический момент, а второй сделал тоже самое на первом? Ведь именно взаимной индукцией атомов объясняется сила Ван-дер-Ваальс, которую можно понять только на квантовомеханическом уровне.
Если вы до конца станете вычислять, откуда взялось μ, то окажется, что из обменных интегралов или из вакуума (сила Казимира) .
Вадим Руденко
Вадим Руденко
86 604
Farhat Shaymardankulow > Если к вопросу подходить формально, то работу совершает сила Ампера

Еще раз (наверно уже 7 или 8-й раз в этом вопросе): НЕ МОЖЕТ сила Ампера совершать работу. Ни формально, ни неформально. Ибо она есть сумма сил Лоренца, каждая из которых направлена перпендикулярно перемещению соответствующего заряда
Сила Лоренца не совершает работу только над движущимся в нем электрическим зарядом. А притягивание железного гвоздя - это воздействие магнитного поля на магнитные диполи в металле-ферромагнетике. Тут работа вполне себе может совершаться. Интересны подробности - гугли по "ферромагнетикам" и "магнитным доменам".
Гузель Баранова Так-то оно так - да только природа ЛЮБОГО магнитного диполя - замкнутый ток, ибо ничто другое кроме движущихся зарядов не может быть источником магнитного поля
divB=0 однако
Farhat Shaymardankulow > Сила Лоренца не совершает работу только над движущимся в нем электрическим зарядом

А ни на что другое она и не действует (воздействие на диполь не более чем воздействие на один зарял - воздействие на другой)
Всякая замкнутая система стремится к минимуму потенциальной энергии. Для системы гвоздь-магнит такое состояние наступает при слипании гвоздя и магнита.
Силу Лоренца вы поняли неверно. Сила Лоренца — сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу.
На гвозде в магнитном поле образуются два полюса. В однородном поле равнодействующая сил равна нулю. В неоднородном поле (наш случай) равнодействующая сил не равна нулю и будет двигать гвоздь к магниту
Гузель Баранова То есть вы предлагаете Василиску аккуратно гамильтониан написать и на том формально успокоиться?
Сначала магнит своим магнитным излучением намагничивает гвоздь, который в результате этого воздействия тоже становится магнитом и начинает испускать из себя своё собственное магнитное излучение, которое, взаимодействуя с излучением первого магнита, заставляет два этих металлических предмета двигаться навстречу друг другу. Причём, видимо, и магнит и гвоздь впитывают в себя излучение партнёра из разделяющего их пространства, заставляя их этим действием совершать движение навстречу друг к другу.
Алина Лущай
Алина Лущай
6 756
Работа, совершаемая неоднородным магнитным полем над гвоздем-ферромагнетиком, состоит из двух слагаемых:
1. Слагаемого, связанного с намагничиванием ферромагнетика в результате переориентации векторов магнитных моментов доменов ферромагнетика по полю:
A = ∫H*dB (границы - 0, B).
В результате возникает магнитный диполь, энергия магнитного поля которого больше, чем в изначальном состоянии, так как зависит от объема, в котором это поле существует.
2. Слагаемого, связанного с работой по перемещению намагниченного ферромагнетика в поле магнита - втягиванию в область с более сильным магнитным полем. Работа совершается за счет уменьшения потенциальной энергии взаимодействия магнитного момента ферромагнетика с индукцией магнита
U = (μ⋅B). (1)
Сила, совершающая работу, есть градиентом от выражения (1):
F = ∇(U).
Качественно это объясняется тем, что, когда линии индукции магнита замкнуты на ферромагнетике и наоборот, энергия суммарного поля минимальна, чем при изолированных друг от друга магните и ферромагнетике (опять же, зависимость энергии поля от объема, в котором поле существует) .

Вообще, можно рассмотреть прямой проводник с током I и длиной L, перемещающийся поступательно параллельно самому себе на отрезок dx и переходящий, таким образом, из некоего положения 1 в некое положение 2.
Если вектор индукции B перпендикулярен к L и dx, на проводник действует сила
F = I*B*L,
а работа, которая совершается этой силой, будет равна
dA = I*B*L*dx = I*B*dS,
где dS - площадь, которую описал проводник с током при движении.
В более общем случае, если вектор индукции направлен иначе, чем строго перпендикулярно к L, его можно разложить его на компоненту Bперп. , перпендикулярную dS, и компоненту Bпар. , параллельную dS. Из-за того, что сила F перпендикулярна B, параллельная составляющая Bпар. обусловит силу, перпендикулярную dS, работа которой будет равна нулю.
Отсюда
dA = I*Bперп. *dS.

Аналогично, кстати, выглядит и выражение для работы при вращательном движении проводника в магнитном поле. Если элемент dL проводника поворачивается на угол dα, то при движении он описывает площадь
dS = L*dα*dL,
где L - расстояние элемента dL от оси вращения. Тогда сила по перемещению будет равна
dF = I*dL*Bперп. ,
а работа -
dA = I*dL*Bперп. *L*dα = I*Bперп. *dS.
Наташа **********
Наташа **********
3 059
Наташа ********** "...наоборот, энергия суммарного поля минимальна, чем при изолированных друг от друга магните и ферромагнетике (опять же, зависимость энергии поля от объема, в котором поле существует)..."
Так и знал, что неувязка будет. Правильно должно было быть написано так:
"...наоборот, энергия суммарного поля меньше, чем при изолированных друг от друга магните и ферромагнетике (опять же, зависимость энергии поля от объема, в котором поле существует)...".
Farhat Shaymardankulow > Сила, совершающая работу, есть градиентом от выражения (1):
F = ∇(U).

Это не объяснение, а просто переписывание. Можно сказать, что сила - градиент U, но это ничего не проясняет. ЧТО это за потенциальная сила F?

> Вообще, можно рассмотреть прямой проводник с током I и длиной L,

Нет, это другая история. Здесь есть ток, источник питаня, его ЭДС и т.д.
Работает закон сохранения импульса. Сколько импульса втекает, столько же должно вытечь.
Гвоздь парамагнетик - намагничивается по линиям магнитного поля, в отличие от диамагнетика. Работу совершает пондеромоторная объемная сила, которая в силу вышеупмянутого закона сводится к поверхностной. Сила эта создает отрицательное давление на поверхности парамагнетика, иначе притягивает гвоздь к магниту. Или происходит компенсация втекающего импульса.
IZ
Irakly Zid-Va
1 483
Сила тяжести воздуха.
(Vdt) Lovec **
(Vdt) Lovec **
803