Законы электромагнетизма - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции (вспомните: два куска янтаря («электрон»), потертые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы…). Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

18-й век, ознаменовавшийся становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18 в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для зарядов ).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу moe=9,1×10-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

Где e - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к:.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал j.

Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.

Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r) , а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT .

Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДСi = k×DФm/Dt , где DФm/Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

План лекции

1. Электростатика. Краткий обзор.

2. Магнитное взаимодействие электрических токов.

3. Магнитное поле. Закон Ампера. Индукция магнитного поля.

4. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей.

4.1. Магнитное поле прямолинейного тока.

4.2. Магнитное поле на оси кругового тока.

4.3. Магнитное поле движущегося заряда.

1. Электростатика. Краткий обзор.

Изучению магнитостатики предпошлём краткий обзор основных положений электростатики. Такое введение представляется уместным, потому что при создании теории электромагнетизма использовались методические приёмы, с которыми мы уже встречались в электростатике. Потому-то и нелишне их вспомнить.

1) Основной опытный закон электростатики - закон взаимодействия точечных зарядов - закон Кулона:

Сразу после его открытия возник вопрос: каким образом на расстоянии взаимодействуют точечные заряды?

Сам Кулон придерживался концепции дальнодействия. Однако теория Максвелла и последующие экспериментальные исследования электромагнитных волн показали, что взаимодействие зарядов происходит с участием электрических полей, создаваемых зарядами в окружающем пространстве. Электрические поля - не хитроумное изобретение физиков, но объективная реальность природы.

2) Единственным проявлением электростатического поля является сила, действующая на заряд, помещённый в этот поле. Поэтому ничего нет неожиданного в том, что в качестве основной характеристики поля принят вектор напряжённости, связанный именно с этой силой:

,. (Э2)

3) Объединив определение напряжённости (Э2) и закон Кулона (Э1) найдём напряжённость поля, созданного одним точечным зарядом:

. (Э3)

4) Теперь - очень важный опытный результат: принцип суперпозиции электростатических полей:

. (Э4)

Этот «принцип» позволил рассчитывать электрические поля, созданные зарядами самых разнообразных конфигураций.

Этим можно, пожалуй, ограничить краткий обзор электростатики и перейти к электромагнетизму.

1. Магнитное взаимодействие электрических токов

Взаимодействие токов было открыто и подробно изучено Ампером в 1820 году.

На рис. 8.1. приведена схема одной из его экспериментальных установок. Здесь прямоугольная рамка 1 имеет возможность легко поворачиваться вокруг вертикальной оси. Надёжный электрический контакт при поворотах рамки обеспечивался ртутью, наливаемой в опорные чашечки. Если к такой рамке поднести другую рамку с током (2), то между ближними сторонами рамок возникает сила взаимодействия. Именно эту силу измерял и анализировал Ампер, считая, что силами взаимодействия удалённых рёбер рамок можно пренебречь.

Рис. 8.1.

Экспериментально Ампер установил, что параллельные токи одинакового направления (рис. 8.2., а ), взаимодействуя, притягиваются, а противоположно направленные токи - отталкиваются (рис. 8.2.,b ). При взаимодействии параллельных токов на единицу длины проводника действует сила, пропорциональная произведению токов и обратно пропорциональная расстоянию между ними (r ):

. (8.1)

Рис. 8.2.

Этот экспериментальный закон взаимодействия двух параллельных токов используется в системе СИ для определения основной электрической единицы - единицы силы тока 1 ампер.

1 ампер - это сила такого постоянного тока, течение которого по двум прямолинейным проводникам бесконечной длины и малого сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, сопровождается возникновением между проводниками силы, равной 2  10 –7 Н на каждый метр их длины .

Определив таким образом единицу силы тока, найдём значение коэффициента пропорциональности в выражении (8.1):

.

При I 1 =I 2 = 1А иr = 1 м сила, действующая на каждый метр длины проводника
= 210 –7 Н/м. Следовательно:

.

В рационализированной СИ =, где 0 - магнитная постоянная:

 0 = 4= 410 –7
.

Очень короткое время оставалась неясной природа силового взаимодействия электрических токов. В том же 1820 году датский физик Эрстед обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку (рис. 8.3.). В опыте Эрстеда над магнитной стрелкой, ориентированной по магнитному меридиану Земли, был протянут прямолинейный проводник. При включении тока в проводнике, стрелка поворачивается, устанавливаясь перпендикулярно проводнику с током.

Рис. 8.3.

Этот эксперимент прямо свидетельствует о том, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Теперь можно предположить, что амперова сила взаимодействия токов имеет электромагнитную природу. Она возникает как результат действия на электрический ток магнитного поля, созданного вторым током.

В магнитостатике, как и в электростатике, мы пришли к полевой теории взаимодействия токов, к концепции близкодействия.

Существуют четыре фундаментальные силы физики, и одна из них называется электромагнетизм. Обычные магниты имеют ограниченное применение. Электромагнит - это устройство, которое создает во время прохождения электрического тока. Поскольку электричество может быть включено и выключено, то же самое касается и электромагнита. Он даже может быть ослаблен или усилен путем уменьшения или увеличения тока. Электромагниты находят свое применение в различных повседневных электроприборах, в разных областях промышленности, от обычных переключателей до двигательных установок космических аппаратов.

Что такое электромагнит?

Электромагнит можно рассматривать как временный магнит, который функционирует с потоком электричества, и его полярность может быть легко изменена путем изменения Также сила электромагнита может быть изменена путем изменения величины тока, протекающего через него.

Сфера применения электромагнетизма необычайно широка. Например, магнитные выключатели являются предпочтительными в использовании тем, что они менее восприимчивы к изменениям температуры и способны поддерживать номинальный ток без ложного срабатывания.

Электромагниты и их применение

Вот некоторые из примеров, где они используются:

• Моторы и генераторы. Благодаря электромагнитам стало возможным производство электродвигателей и генераторов, которые работают по принципу электромагнитной индукции. Это явление было открыто ученым Майклом Фарадеем. Он доказал, что электрический ток создает магнитноее поле. Генератор использует внешнюю силу ветра, движущейся воды или пара, вращает вал, который заставляет двигаться набор магнитов вокруг спирального провода, чтобы создать электрический ток. Таким образом, электромагниты преобразуют в электрическую другие виды энергии.
• Практика промышленного использования. Только материалы, сделанные из железа, никеля, кобальта или их сплавов, а также некоторые природные минералы реагируют на магнитное поле. Где используют электромагниты? Одной из сфер практического применения является сортировка металлов. Поскольку упомянутые элементы используются в производстве, с помощью электромагнита эффективно сортируют железосодержащие сплавы.
• Где применяют электромагниты? С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Электромагниты в повседневной жизни

Электромагниты часто используются для хранения информации, так как многие материалы способны поглощать магнитное поле, которое может быть впоследствии считано для извлечения информации. Они находят применение практически в любом современном приборе.

Где применяют электромагниты? В быту они используются в ряде бытовых приборов. Одной из полезных характеристик электромагнита является возможность изменения при изменении силы и направление тока, текущего через катушки или обмотки вокруг него. Колонки, громкоговорители и магнитофоны - это устройства, в которых реализуется этот эффект. Некоторые электромагниты могут быть очень сильными, причем их сила может регулироваться.

Где применяют электромагниты в жизни? Простейшими примерами служат и электромагнитные замки. Используется электромагнитная блокировка для двери, создавая сильное поле. Пока ток проходит через электромагнит, дверь остается закрытой. Телевизоры, компьютеры, автомобили, лифты и копировальные аппараты - вот где применяют электромагниты, и это далека не полный список.

Электромагнитные силы

Силу электромагнитного поля можно регулировать путем изменения электрического тока, проходящего через провода, обернутые вокруг магнита. Если изменить направление электрического тока, полярность магнитного поля также меняется на противоположную. Этот эффект используется для создания полей в магнитной ленте или жестком диске компьютера для хранения информации, а также в громкоговорителях акустических колонок в радио, телевизоре и стереосистемах.

Магнетизм и электричество

Словарные определения электричества и магнетизма отличаются, хотя они являются проявлениями одной и той же силы. Когда электрические заряды движутся, они создают магнитное поле. Его изменение, в свою очередь, приводит к возникновению электрического тока.

Изобретатели используют электромагнитные силы для создания электродвигателей, генераторов, аппаратов игрушек, бытовой электроники и множества других бесценных устройств, без которых невозможно представить повседневную жизнь современного человека. Электромагниты неразрывно связаны с электричеством, они просто не смогут работать без внешнего источника питания.

Применение грузоподъемных и крупномасштабных электромагнитов

Электродвигатели и генераторы жизненно важны в современном мире. Мотор принимает электрическую энергию и использует магнит, чтобы превратить электрическую энергию в кинетическую. Генератор, наоборот, преобразует движение, используя магниты, чтобы вырабатывать электричество. При перемещении габаритных металлических объектов используются грузоподъемные электромагниты. Они также необходимы при сортировке металлолома, для отделения чугуна и других черных металлов от цветных.

Настоящее чудо техники - японский левитирующий поезд, способный развивать скорость до 320 километров в час. В нем используются электромагниты, помогающие парить в воздухе и невероятно быстро передвигаться. Военно-морские силы США проводят высокотехнологичные эксперименты с футуристической электромагнитной рельсовой пушкой. Она может направлять свои снаряды на значительные расстояния с огромной скоростью. Снаряды обладают огромной кинетической энергией, поэтому могут поражать цели без использования взрывчатых веществ.

Понятие электромагнитной индукции

При изучении электричества и магнетизма важным является понятие имеет место, когда в проводнике в присутствии изменяющегося магнитного поля возникает поток электричества. Применение электромагнитов с их индукционными принципами активно используются в электродвигателях, генераторах и трансформаторах.

Где можно применять электромагниты в медицине?

Магнитно-резонансные томографы (МРТ) также работают с помощью электромагнитов. Это специализированный медицинский метод для обследования внутренних органов человека, которые недоступны для непосредственного обследования. Наряду с основным используются дополнительные градиентные магниты.

Где применяют электромагниты? Они присутствуют во всех видах электрических устройств, включая жесткие диски, колонки, двигатели, генераторы. Электромагниты используются повсеместно и, несмотря на свою незаметность, занимают важное место в жизни современного человека.

Уравнение теплового баланса терморезистора имеет вид

I2 R =ξ (Qп – Qс ) ·S,

где ξ - коэффициент теплоотдачи, зависящий от скорости движения среды; Qп и Qс - соответственно температура терморезистора; (преобразователя) и среды;

S – площадь поверхности терморезистора.

В случае, если терморезистор имеет форму цилиндра и расположен поперек потока так, что угол между осью цилиндра и вектором скорости потока равен 90° , то коэффициенты теплоотдачи для газов и жидкости определяются по формулам

где V и υ - соответственно скорость и теплопроводность среды, d – диаметр терморезистора;

c и n – коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса Rе = Vd/υ ;

P r = υ d - число Прандтля, зависящее от кинематической вязкости и

теплопроводности среды.

Подобный преобразователь (терморезистор) обычно включается в мостовую измерительную схему. Используя вышепреведенные выражения, можно измерить скорость V.

5.2. Использование в измерительной технике законов электромагнетизма

На явлении электрического отталкивания заряженных тел устроено устройство электроскопа - прибора для обнаружения электрических зарядов. Электроскоп состоит из металлического стержня, к которому

привешен тонкий алюминиевый или бумажный листочек. Стрежень укреплен при помощи эбонитовой или янтарной пробки внутри стеклянной банки, предохраняющей листок от движения воздуха.

Электрометр представляет собой электроскоп, имеющий металлический корпус. Если соединить корпус этого прибора с землей, после чего коснуться его стрежня каким-нибудь заряженным телом, то при этом часть заряда перейдет на стержень и листочки электрометра разойдутся на некоторый угол. Такой прибор измеряет разность потенциалов между проводником и землей.

Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигнала, как правило, напряжения, зависящего от времени. Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения.

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) строятся на основе электронно-лучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом.

Основным узлом ЭЛО является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу (рис.10), внутри которой имеется оксидный катод 1 с подогревателем 2, модулятор 3, аноды 4 и система отклоняющих пластин 5 и 6. Часть ЭЛТ, включающая в себя катод, модулятор и аноды, называется электронной пушкой.

Рис. 10 Электронно-лучевая трубка

Если к отклоняющим пластинам приложить напряжение, то электронный луч отклонится, как показано на рис. 11.

К вертикально отклоняющим пластинам обычно подводится исследуемое напряжение Uy , а к горизонтально отклоняющим – развертывающее напряжение (в данном случае линейно изменяющееся периодическое с периодом Тр ).

Рис. 11. Получение изображения на экране ЭЛТ

Приборы магнитоэлектрической системы (амперметры, вольтметры и омметры) годны для использования в цепях постоянного тока, а при применении детекторов – и в целях переменного тока. Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрическойсистемы использует эффект взаимодействия поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. На рис. 12 показана типовая конструкция (с подвижной катушкой).

Рис. 12. Типовая конструкция с подвижной катушкой Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и

неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка) 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на каркасе. Катушка закреплена между полуосями 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 предназначены для создания противодействующего момента и, одновременно, для подачи измеряемого тока.

Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики на усиках 10.

Уравнение преобразования:

α = I(ВnS / W),

где В – магнитная индукция в зазоре;

α - угол поворота подвижной части; S – площадь рамки;

n – число витков катушки;

W – удельный противодействующий момент. 51

Приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и электростатической систем широко используются в качестве типовых электромеханических амперметров, вольтметров, ваттметров и частотомеров.

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток.

Устройство подобного измерительного механизма показано на рис. 13.

Рис. 13. Электромеханический преобразователь электродинамической системы

Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2, ток к которой подается через пружинки.

Поворот катушки осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Противодействующий момент создается специальными пружинками (не указаны на рис.13).

Уравнение преобразования это механизма:

α = W 1 ∂ ∂ M α I 1 I 2 ,

где W – удельный противодействующий момент;

α - угол поворота подвижной части; M – взаимная индуктивность катушек.

Данный механизм может быть использован для измерения постоянных

и переменных токов, напряжений и мощности.

Ферродинамические измерительные механизмы, по существу,

являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются только по конструкции, поскольку катушка имеет магнитомягкий сердечник (магнитопровод), между полосками которого размещается подвижная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, и чувствительность.

В электростатических приборах осуществляется принцип взаимодействия электрически заряженных проводников.

Одна из распространенных конструкций подробного измерительного механизма приведена на рис. 14.

Рис.14. Преобразователь электростатической системы Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой

на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входные зажимы (не показаны), к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и неподвижными пластинами.

Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижным пластинами. Движение

прекращается, когда противодействующий момент закрученной пластины становится равным вращающему моменту.

Уравнение преобразования подобного механизма имеет вид

α = 2 1 W ∂ d C α U 2 ,

где U – измеряемое напряжение;

W – удельный противодействующий момент; C – емкость между пластинами.

Подобные преобразователи используются для разработки вольтметров постоянного и переменного токов.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций представлена на рис. 15.

Рис. 15. Преобразователь электромагнитной системы:

I – катушка, 2 – сердечник, 3 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент, 4 – воздушный успокоитель

Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь

Резерфорд был сбит с толку. Он блестяще преуспел в раскрытии внутреннего строения атома, однако, сделав это, ученый выявил крупнейший конфликт в физической науке. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что атом - это крошечная «планетарная» система. Однако теория электромагнетизма предсказывала, что такая система категорически нестабильна - она не продержится и «мгновения ока». Это была парадоксальная ситуация, и найти из нее выход казалось почти невозможным. Тем не менее одному человеку - молодому датскому физику - это удалось.

Нильс Бор (1885–1962) приехал в Англию в 1911 году, после того как получил докторскую степень в Копенгагене, и с тех пор работал под руководством сначала Дж. Дж. Томсона, а затем Резерфорда. Он понимал, что планетарная модель атома Резерфорда, подкрепленная серьезными экспериментальными данными, вполне убедительна. Но вместе с тем он понимал, что и законы электромагнетизма, подарившие миру электромоторы и динамо-машины, убедительны в неменьшей степени. Боровское революционное разрешение атомного парадокса было одновременно и простым, и дерзким. В 1913 году Бор объявил, что законы электромагнетизма просто-напросто не действуют внутри атомов. Электроны, вращаясь вокруг ядра, не испускают электромагнитные волны и поэтому не падают по спирали на ядро. Короче говоря, известные законы физики не применимы к области сверхмалых объектов.