Повторение на темата "Електромагнитни явления" (Гребенюк Ю.В.). Основни формули във физиката - електричество и магнетизъм. Формули за електромагнитни явления

Електромагнитните явления се изучават от времето на Фарадей. Въпреки това, взаимодействието на електропроводими течности и електро магнитно полеобърна внимание само на последните години. Основният тласък за изучаването на тези явления беше астрофизиката. Вече дълги годинипредполага се, че по-голямата част от материята във Вселената е в състояние на силно йонизиран газ или плазма. Основната информация в областта на електромагнитната динамика е получена в резултат на астрофизични изследвания.

Ролята на електромагнитните явления във физиката

В космическата физика основната роля принадлежи на електромагнитните явления, тъй като в космоса има магнитни полета, които пряко влияят върху движението на заредените частици. Електромагнитните сили при определени условия са многократно по-големи от гравитационните.

За първи път електромагнитните явления са използвани за предаване на информация. Телеграфията е създадена през 19 век. Същността му беше много проста: всяко съобщение, което се състои от цифри и букви, може да бъде предадено с помощта на набор от знаци, тоест съобщението е кодирано.

Всички електромагнитни явления се подчиняват на определени закони, които характеризират електромагнитната форма на движение на материята, която е коренно различна от механичната. AT електронни устройстваелектромагнитните явления се описват чрез сложни зависимости и се характеризират с величини, които зависят от пространствени координати и време. Но такова описание е твърде обширно при изучаването на сложни електронни устройства.

Електромагнитните явления не се считат за автономни. Благодарение на усилията на много учени тези явления бяха сведени до механични. Изучаването на механиката и електромагнитните явления доведе до формирането на теорията на относителността: тук четириизмерното пространство и време бяха представени от едно многообразие, а разделянето му на пространство и време беше условно.

Основната характеристика на електромагнитните явления в системата се определя от промяната в свойствата на детайлите при преместване от един детайл към друг. Първичните заготовки бяха напълно феримагнитни, докато останалите бяха или частично феримагнитни, или изобщо немагнитни.

Изследването на електромагнитните явления изисква продължителна непрекъсната работа и напрежение на въображението. За да се развие правилно материалистично разбиране на процесите, е необходимо постоянно да се ръководи от съветската литература по физика. В процеса на изучаване на електромагнитните явления беше установено, че около електрическия ток винаги има магнитно поле. Полето и електрическият ток са неотделими едно от друго.

Най-голям принос за развитието на теорията на електромагнитните явления имат Максуел и Фарадей. Едва след като Максуел създава теорията за електромагнитното поле, се говори за създаването на електромагнитната картина на света. Ученият разработи теорията за електромагнитното поле, базирана на електромагнитната индукция, открита от Фарадей. Той от своя страна провежда експерименти с магнитна игла и стига до извода, че въртенето на иглата се дължи на специално състояние на околната среда, а не на електрически заряди в проводника. След това ученият въвежда концепцията за поле, като набор от магнитни линии, които проникват в пространството и са в състояние да открият и насочат електрически ток.

Теорията на електромагнитното поле, създадена от Максуел, се свежда до факта, че трансформиращото магнитно поле предизвиква появата на вихрово електрическо поле не само в околните тела, но и във вакуум. Тази теория се превърна в нов етап в развитието на физическата наука. В съответствие с него целият свят е електродинамична система, която се състои от заредени частици, които взаимодействат помежду си с помощта на електромагнитно поле.

Електрическите заряди се движат един спрямо друг, което води до допълнителна магнитна сила. Електромагнитната сила е комбинация от магнитна и електрическа сила. Електрическите сили са свързани с движещи се и покойни заряди, а магнитните - само с движещи се. Разнообразието от заряди и сили са описани в уравненията на Максуел, които по-късно стават уравнения на класическата електродинамика.

Тези уравнения доведоха до закона на Кулон, който е идентичен със закона на Нютон за всемирното привличане. Законът на Кулон изглежда така:

$F_k = k\frac(q_1q_2)(r^(2))$

Законът на Нютон за всемирното привличане е както следва:

$F_H = G\frac(m_1m_2)(R^(2))$

Освен това законът на Нютон има следните твърдения:

  • магнитните силови линии нямат начало и край и са абсолютно непрекъснати;
  • в природата не съществуват магнитни заряди;
  • електрическото поле се формира с помощта на електрически заряди и променливо магнитно поле;
  • магнитното поле може да се образува както с помощта на променливо електрическо поле, така и с помощта на електрически ток.

Електромагнитните явления коренно промениха концепцията за материята.

електромагнитни явления. Основни термини и формули

Определение 1

Електрическият заряд е величина, която характеризира свойството на телата и частиците да влизат в електромагнитно взаимодействие.

Има два вида електрически заряди:

  • положителни заряди, пренасяни от протони;
  • отрицателни заряди, пренасяни от електрони.

Атомът се състои от ядро, което от своя страна се състои от неутрони, електрони и протони. Атомът се превръща в йон, когато получи или загуби няколко електрона.

Определение 2

Наелектризирането е процес на придобиване на заряд с помощта на макроскопично тяло.

На този моментИма няколко начина за електрифициране:

  • с помощта на триене;
  • чрез влияние.

Определение 3

Електрическото поле е форма на материя, която съществува около заредени частици и тела и действа върху други частици, които имат заряд.

Основните закони на електростатиката са:

  1. Закон на Кулон за неподвижни заряди: $F_k = k\frac(q_1q_2)(r^(2))$
  2. Законът за запазване на заряда (за затворена система): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

Определение 4

Електрическият ток е насочено движение на частици, които имат електрически заряд.

Има няколко условия, които осигуряват наличието на електрически ток:

  • наличието на свободни частици, които имат заряд;
  • наличието на електрическо поле.

Действието на електрическото поле може да бъде:

  • топлинна;
  • магнитни;
  • химически;
  • светлина.

Електрическото поле се формира с помощта на източници на ток, в които се извършва работа по разделянето на зарядите. Той прави това чрез преобразуване на няколко вида енергия в енергия на електрическо поле.

Характеристиките на секцията на веригата включват:

  1. Сила на тока: $I = \frac (q)(t)=A (ампер)$ - измерването се извършва с амперметър.
  2. Напрежение: $U = \frac(A)(q)= V (волт)$ - измерено с волтметър.
  3. Съпротивление: $R = p\frac(l)(S) = Ohm$ - измерено с омметър.

Законът на Ом за участък от верига е както следва:

$I = \frac(U)(R)$

Има два вида свързване на проводници: последователно и паралелно. Серийното свързване на проводниците е както следва:

  1. $I = I_1 = I_2 =…= I_n$
  2. $U = U_1 + U_2+…+U_n$
  3. $R = R_1 + R_2 +…+ R_n$

Паралелното свързване на проводниците е както следва:

  1. $ I = I_1+I_2+…+I_n$
  2. $U = U_1 = U_2 =…= U_n$
  3. $ \frac(1)(R) = \frac(1)(R_1) + \frac(1)(R_2) +…+ \frac(1)(R_n)$

Текуща работа: $A = Ult$

Текущата мощност изглежда така: $P = IU$

Количеството топлина, което се отделя при преминаване през токов проводник, може да се изрази по следния начин: $Q ​​= I^2 Rt$

Електрическият ток може да съществува в различни среди:

  1. В металите се извършва насочено движение на свободни електрони.
  2. В течностите има насочено движение на свободни йони, които се образуват в резултат на електролитна дисоциация. Законът за електролизата е следният: $m = qk = klt$
  3. В газовете има насочено движение на електрони и йони, което се образува в резултат на йонизация.
  4. В полупроводниците - насоченото движение на свободни дупки и електрони.

Определение 5

Магнитното поле е специална форма на материя, която съществува около заредени движещи се частици и тела и действа върху други заредени частици и тела, които се движат в същото поле.

Линиите на магнитното поле са условни линии, по които се задават осите на магнитните стрелки в магнитно поле.

Интересни факти за приложението на електромагнитните явления

Запазени са записи, които потвърждават, че в древността император Нерон, който страда от ревматизъм, се е лекувал с електрически вани. Същността на това лечение беше следната: електрически склонове бяха поставени в дървена вана с вода. Намирайки се в такава баня, човек е бил изложен на електрически полета и заряди.

В Швейцария електрическата детегледачка е изобретена през миналия век. Под бебешките пелени бяха поставени изолирани метални мрежи, които бяха разделени със суха подплата. Тези мрежи бяха свързани към източник на ток с ниско напрежение и към електрически звънец. Когато облицовката се намокри, веригата се затваря и звънецът прозвучава. Това позволява на майките да знаят веднага кога да сменят пелените.

В тези региони, където се срещат силни студове, имаше проблем с източването на нефтопродукти, тъй като техният вискозитет при ниски температурибеше твърде високо. Тогава учените разработиха технологията за електрическо индукционно нагряване на резервоари, което направи възможно намаляването на разходите за енергия.

С помощта на електромагнитни явления беше възможно да се определят пръстовите отпечатъци на човек, който държи в ръцете си снаряди и патрони. Поставяйки гилзата в електрическо поле под формата на електрод, върху нея във вакуум се отлага метален филм, върху който се появяват пръстови отпечатъци, които лесно се разпознават.

Електромагнитни явления

10.1. Преминаването на ток през твърд, течен или газообразен проводник винаги е придружено от външния вид магнитно поле. Силовите му линии са затворени криви, обхващащи проводника.

10.2. Посока на линията на магнитното поле- в посоката, където сочи северният край на малка магнитна стрелка, поставена в изследваната точка на полето. Когато посоката на тока в проводника се промени, посоката на силовите линии се променя на противоположната.

10.3. електромагнити- проводници, усукани под формата на спирали или намотки, вътре в които има сърцевина от желязо или стомана. Електромагнитите (наричани също индуктори) могат да съхраняват и връщат електрическа енергия към веригата, като я преобразуват в енергия на магнитното поле и обратно.

10.4. постоянни магнити- неелектрифицирани тела, способни да привличат предмети от желязо, стомана и някои други материали и дълго времезапазвайки тази собственост.

10.5. магнитен полюс- мястото на повърхността на магнита, където магнитното поле е най-силно. Силовите линии на полето на постоянния магнит са затворени. Те напускат северния му полюс и навлизат в южния полюс, заключвайки се вътре в магнита.

10.6. Земята, както и някои други небесни тела, са постоянни магнити, т.е имат магнитно поле.

10.7. Магнитното поле действа върху движещи се заредени частиции в резултат на това върху проводници с ток. На това явление се основава действието на електроизмервателните уреди и електродвигателите.

10.8. Електрически двигателинезависимо от конструкцията си, те имат въртяща се част (ротор) и неподвижна част (статор). В зависимост от предназначението в тях се поставят електромагнити или постоянни магнити, както и колектор - устройство за регулиране на протичането на ток в правилните моменти при всяко завъртане на ротора.

10.9. Електромагнитна индукция- феноменът на възникване на ток в проводник, движещ се в магнитно поле или в неподвижен проводник, разположен в движещо се (променящо се) магнитно поле.

10.10. Най-голямо приложение в бита и индустрията на европейските страни получи променлив индукционен ток,променя посоката си 100 пъти в секунда, тоест с честота 50 Hz.

10.11. електрически трансформатор- устройство, използвано за преобразуване на променлив ток от едно напрежение в ток от друго напрежение. Принципът на действие на трансформатора се основава на явлението електромагнитна индукция.

10.12. За предаване на електричество на разстояниеизползват се повишаващи трансформатори, електропроводи за високо напрежение и понижаващи трансформатори.

10.13. За задвижване на мощни машини и инсталации използвайте двигатели, работещи с трифазен променлив ток.Техните предимства: простота на дизайна, висока надеждност и мощност.

електромагнитни явления. Таблици и диаграми.

И в небето и в земята се крие повече,

Какво сънува твоята мъдрост, Хорацио. {7}

Вече се запознахме с примери за това как математиците и физиците от XVII-XVIII век. създадоха великолепни математически теории, основани на явления, достъпни за възприятието на нашите сетива (да си припомним например движението на земните и небесните тела). Тези теории разшириха човешкото познание за наблюдаваните явления, помогнаха да се обяснят някои погрешни схващания - направиха възможно да се разбере какви принципи са заложени в структурата на природата и нейното поведение. В допълнение към теориите, които разгледахме, бяха създадени до голяма степен сходни математически теории за топлината, хидродинамичните процеси (потоци течност и газ) и еластичността. За всички тези теории твърдението на Аристотел е еднакво приложимо, че няма нищо в човешкия ум, което първоначално да не е било в нашите усещания. Разбира се, тези математически теории надхвърлиха наблюденията и дори въведоха концепции (по-специално концепцията за гравитацията), чиято реалност не беше очевидна. Въпреки това, прогнозите, направени въз основа на тези теории, бяха в отлично съответствие с опита. Може да се каже, че опитът послужи за тези теории само като вид укрепващо средство.

Вярно е, че противно на вкоренената идея за света като гигантски механизъм, естествените учени не можаха да разберат как „работи“ гравитацията и как се разпространява светлината. Когато се появи наяве, те обикновено се позовават на етера; смяташе се, че самото споменаване на тази безтелесна среда трябва да премахне всякакви съмнения относно механизма на разпространение на светлината, въпреки че не бяха известни подробности за етера. Що се отнася до гравитацията, природата на нейното действие оставаше абсолютно неразбираема. Но успехите, постигнати от Нютон, Ойлер, Д'Аламберт, Лагранж и Лаплас в математическото описание и точното предсказване на голямо разнообразие от астрономически явления, бяха толкова впечатляващи, че естествените учени бяха изпълнени с гордост от науката, често граничеща с арогантност и арогантност. Те престанаха да мислят за физическия механизъм на явленията и съсредоточиха всичките си усилия върху тяхното математическо описание. Лаплас не се съмняваше ни най-малко в правилността на избора на заглавието на своя петтомен труд Небесна механика (1799-1825).



Постиженията на физиката от 19-20 век, които ще обсъдим по-късно, повдигнаха фундаментални въпроси относно природата и същността на реалния свят около нас с цялата си острота. Първият от тези постижения, откриването на електромагнетизма, обогати нашето разбиране за Вселената. Подобно на планетата Нептун, този феномен едва ли би могъл да бъде открит без помощта на математиката. Но за разлика от планетата Нептун, новооткритият „обект“ беше безтелесен: безтегловен, невидим, неосезаем, нямаше вкус и мирис. Никой от нас не може да го усети физически. И все пак, за разлика от планетата Нептун, новооткритата призрачна субстанция е оказала забележимо и дори революционно влияние върху живота. модерен човек. Феноменът на електромагнетизма позволява с миг на око да се установи комуникация с всяка част на планетата, разширява границите на човешката общност от най-близките съседи зад ъгъла до световен мащаб, ускорява темпото на живот, насърчава разпространението на образование, създава нови изкуства и индустрии и прави истинска революция във военното дело. Малко вероятно е да има такава страна на човешкия живот, която да не е отразена в теорията на електромагнитните явления.

Нашите знания за електричество и магнетизъм, както и за астрономия, акустика и оптика, произхождат от Древна Гърция. Талес от Милет (около 640-546 г. пр. н. е.) знаел, че желязната руда, която се добивала близо до град Магнезия (днес Маниса) в Мала Азия, привлича желязото. През Средновековието европейците научили от китайците, че свободно окачена игла, направена от магнетизирано желязо, показва доста точно посоката север-юг и следователно може да служи като компас. Легендата приписва на Талес от Милет откриването на друг феномен: кехлибарът, натрит с парче плат, привлича леки предмети, като сламки. Това наблюдение е началото на науката за електричеството (самата дума "електричество" е от гръцки произход и означава "кехлибар").

Първото сериозно изследване на магнетизма е извършено от Уилям Гилбърт (1544-1603), придворен лекар на английската кралица Елизабет. В неговия труд „За магнита, магнитните тела и големия магнит – Земята“ е дадено все още лесно четимо описание на прости експерименти, които по-специално показват, че самата Земя е гигантски магнит. Гилбърт установи, че магнитите имат два полюса – единият сочи на север, другият на юг; те се наричат ​​съответно север и юг или положителни и отрицателни. Два положителни или два отрицателни магнитни полюса се отблъскват взаимно, докато противоположните магнитни полюси се привличат. Тези два вида полюси се намират например в противоположните краища на всеки магнитен прът. В допълнение, магнитите са надарени със способността да привличат немагнетизирано желязо или стомана. Колкото по-силен е магнитът, толкова по-тежко парче желязо може да привлече.

Гилбърт също изучава второто явление, което Талес от Милет наблюдава по негово време, наелектризирането на кехлибар, натрит с парче плат. Той откри, че восъкът, натрит с козина, или стъклото, натрито с коприна, придобиват способността да привличат светлинни частици. Тези експерименти предполагат съществуването на два вида електричество. Подобно на магнетитите, всеки две тела, които имат един и същи вид електричество, се отблъскват, а тези, които имат различни видове електричество, се привличат. Но в разбирането физическа природаМагнетизъм и електричество Гилбърт имаше малък успех.

Той беше наясно, че има дълбока разлика между магнитните и електрическите заряди. Натривайки стъклото с коприна, придаваме на стъклото положителен електрически заряд, а на коприната – отрицателен. След това, като премахнем стъклото от коприната, можем да получим положителен заряд върху стъклото, съвсем независимо от отрицателния заряд върху коприната. Що се отнася до два вида магнетизъм, положителен и отрицателен, тогава, въпреки че, подобно на противоположните електрически заряди, различните магнитни полюси се привличат и същите отблъскват, не е възможно да се отдели положителният магнетизъм от отрицателния във физическите обекти.

Въпреки това, както показва дълга поредица от последващи експерименти, чието подробно описание не е нашето намерение, идеята за наличието на два вида електрически заряди е неправилна. През ХХ век. физиците са се уверили, че има само един вид електричество {8} а неговите носители са миниатюрни частици материя (най-малките познати ни в природата материални тела), които се наричали електрони. Не можем да видим електрони, точно както не можем да видим по-големите частици материя, наречени атоми, които включват електрони; въпреки това косвените доказателства в подкрепа на съществуването на електрони са доста убедителни. Отрицателно заредено тяло (т.е. тяло, което има свойствата на коприна, натъркана върху стъклена пръчка) съдържа излишък от електрони. Що се отнася до телата, които преди наричахме положително заредени (например стъкло, натрито с коприна), те нямат достатъчно електрони. Очевидно, когато стъклото се търка с коприна, някои електрони напускат стъклото, бивайки привлечени от атомите на коприна. В резултат на това стъклото, на което липсват електрони, става положително заредено, докато коприната става отрицателно заредена. За тяло, съдържащо нормално количествоелектрони, се казва, че е електрически неутрален.

С правилните инструменти можем да изследваме поведението на заредени тела. Например, ако две положително заредени стъклени топки са окачени на нишки на кратко разстояние една от друга, те се отблъскват, тъй като и двете са положително заредени. Виждаме, че заредените тела (както и магнитните полюси) взаимодействат помежду си. Следователно е ясно, че в електрическите и магнитните явления имаме работа със сили, които можем да се опитаме да използваме на практика. Нека първо разгледаме различните явления, свързани с електричеството.

Естествените учени от края на 18 век, погълнати от изучаването на взаимодействието на заредени тела, след като са научили добре уроците на своите предшественици Галилей и Нютон, започват да търсят количествени закони. Още първото откритие ги хвърли в изумление. Тъй като силата, с която едно заредено тяло действа върху друго, зависи от количеството електричество (по-точно големината на електрическия заряд) във всяко от телата, първо беше необходимо да се установи мярка за електричество. Определено количество електричество трябваше да се вземе като стандарт (точно както беше избрано определено количество вещество за единица маса), за да се сравни с този стандарт количеството електричество в изследваните тела. Една от общоприетите единици за измерване на електрическия заряд е висулката (C), кръстена на френския физик Шарл Огюстен Кулон (1736-1806), който открива самия закон за взаимодействие на електрическите заряди, който сега ще разгледаме. две зареждания, р 1и q2, привличат или отблъскват, в зависимост от това дали са противоположни (т.е. едното е положително, а другото е отрицателно) или еднакво (и двете са положителни или и двете са отрицателни). Кулон установи, че силата на привличане (или отблъскване) Е, действащ между зарядите, се определя по формулата

Е = kq 1 q 2 /r 2 ,

където rе разстоянието между два комплекта заряди, р 1и q2 , к- постоянен. Значение кзависи от единиците, в които се измерват зарядът, разстоянието и силата.

Формулата, получена от Кулон, има една забележителна характеристика: на външен вид тя е идентична със закона на Нютон за всемирното привличане. Обвинения р 1и q2играят ролята на маса тук, а силата на взаимодействие също е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между зарядите, както и силата на гравитационното привличане, действаща между две маси. Разбира се, в закона на Кулон силата на електрическо взаимодействие може да бъде както сила на привличане, така и сила на отблъскване, докато гравитационната сила винаги е сила на привличане.

В края на XVIIIв. Италианският натуралист Луиджи Галвани (1737-1798) взема два проводника от различни метали, свързани последователно, и затваря краищата им към нерва на разрязания жабешки крак. Жабешкият бут потрепна. Галвани, който изучава "животински електричество", обяснява свиването на мускула с появата на електрически ток в него. Значението на това откритие на Галвани обаче е оценено от друг италианец, професор по физика в университета в Падуа, Алесандро Волта (1745-1827). Волта осъзнава, че когато проводници от различни метали влязат в контакт между свободните си краища, започва да действа сила (сега наричана електродвижеща сила) и открива по-ефективна комбинация от метали в това отношение. Така е създадена първата електрохимична клетка или електрическа батерия. Като замени нерва на жабата с проводник и прикрепи краищата на проводника към полюсите на батерията, Волта показа, че електродвижещата сила може да накара малки частици материя да се движат по протежение на проводника. Такова насочено движение на заредени частици (които, както се оказа много по-късно, са електрони) по протежение на проводник е електрически ток. Батерията, която Волта изгради, накара електроните да се движат, а не да се натрупват в някакъв материал, като например в кехлибар, натрит с козина. Мимоходом отбелязваме, че батерията на Volta не се различава по принцип от батериите и батериите, използвани сега в автомобили и фенерчета. Напрежението, създадено от батерията, сега се измерва във волтове (V), единици, наречени на Волта, а токът в ампери (A), кръстен на учения, с когото скоро ще се срещнем; 1 A \u003d 1 C / s или 6 × 10 8 електрон / s.

Дълго време се смяташе, че електричеството и магнетизмът са различни явления и нямат връзка помежду си. Въпреки това, през XIX век. идеите са се променили радикално и връзката, установена между електричеството и магнетизма, ни отвежда до самата същност на нашата история. За първи път връзката между електрическите и магнитните явления е открита през 1820 г. от датския физик, професор в университета в Копенхаген, Ханс Кристиан Ерстед (1777-1851). Прекарвайки ток през проводника от батерията на Волта, Ерстед забеляза, че магнитната стрелка, окачена над проводника, е отклонена. Когато посоката на тока беше обърната, стрелката се отклони под същия ъгъл, но в другата посока. Това наблюдение на Оерстед може да се обясни с факта, че електрическият ток създава магнитно поле около проводника, което привлича или отблъсква други намагнитизирани тела по същия начин, както естествените магнити от желязна руда, за които Талес от Милет пише по едно време.

Следващият принос за разкриването на фундаменталната връзка между електричеството и магнетизма беше направен от френския физик, професор в Политехническото училище Андре Мари Ампер (1775-1836), който познаваше работата на Ерстед. През 1821 г. Ампер забеляза, че два паралелни проводника с ток се държат като два магнита: ако токовете текат в тях в една и съща посока, тогава проводниците се привличат, а ако са в противоположни посоки, те се отблъскват.

На самоукия бивш книговезец Майкъл Фарадей (1791-1867) и преподавателя в Олбъни, Нюйоркската академия Джоузеф Хенри (1797-1878) се пада да установят друга важна връзка между електричеството и магнетизма; техните открития проправиха пътя за появата на великия Максуел. Фарадей и Хенри се интересуваха от следния въпрос. Ако проводник, през който протича ток, създава магнитно поле, тогава не е ли точно обратното, т.е. Индуцира ли магнитно поле ток в проводник? Както е показано през 1831 г. от Фарадей и Хенри, на въпроса трябва да се отговори утвърдително, но при условие, че проводникът е в променливо магнитно поле. Това явление се нарича електромагнитна индукция.

Нека разгледаме по-подробно същността на откритието на Фарадей и Хенри. Да предположим, че правоъгълна телена рамка (фиг. 28), твърдо монтирана на прът Рпоставени в магнитно поле. Ако накарате пръта да се върти, например, като го свържете към задвижване от водно колело или парна машина, тогава рамката също ще започне да се върти. Да предположим, че прътът (отделен от рамката) се върти с някаква постоянна скорост обратно на часовниковата стрелка и че страната на рамката пр.н.езапочва да се върти от най-ниската си позиция (приема се, че първоначално рамката е разположена вертикално). Когато тази страна се издигне в дъга от 90° (т.е. рамката се движи от вертикална към хоризонтална), в рамката протича електрически ток от ° Сда се би достига максимум, когато рамката е в хоризонтално положение. пр.н.етокът в контура намалява и става равен на нула (напълно спира), когато страната пр.н.езаема най-високата позиция. При по-нататъшно въртене на рамката в нея отново възниква ток, който сега тече в посока от бда се ° С. Токът отново постепенно нараства, достигайки максимум, когато рамката отново е в хоризонтално положение. С по-нататъшно движение на страната пр.н.едо най-ниско положение токът постепенно намалява и накрая спира напълно. Този цикъл се повтаря с всяко ново пълно завъртане на пръта. Появата и протичането на ток в проводник, движещ се в магнитно поле, ни дава нови примери за явлението електромагнитна индукция.

Токът в проводник е насоченото движение на милиарди малки, невидими частици материя, наречени електрони. Големината на тока, причинен от emfc. (този ток се нарича индуктивен) се променя с времето и тъй като всички тези величини са измерими, можете да намерите функционална връзка между тях. Връзката между силата на индукционния ток и времето очевидно е периодична, т.е. последователните промени в тока се повтарят с всяко пълно завъртане на рамката. Би било прибързано да се твърди a priori, че периодичната зависимост на силата на тока от времето непременно трябва да бъде описана от синусоида. Природата обаче не престава да се „нагажда” към измислената от човека математика: съотношението между силата на тока ази време тнаистина изглежда така

аз = агрях bt ,

където амплитудата азависи по-специално от големината на магнитното поле (по-точно от магнитната индукция) и честотата b- върху скоростта на въртене на рамката. Ако рамката прави 60 оборота за 1 s, тогава ъгълът, преминал през нея b= 60×360° = 21 600°/s. (Функция y=грях хпреминава през един пълен цикъл, когато хварира от 0 до 360°. Следователно токът с честота от 60 цикъла/сек има време да премине през същите промени, на които претърпява функцията y=грях х, кога хварира от 0° до 21 600°/s. Ако тече ток тсекунди, тогава хварира съответно от 0° до 21 600°/s.) Електрическият ток, който се използва в бита в САЩ, като правило прави 60 пълни синусоидални цикъла за 1 s; нарича се променлив ток с честота 60 херца (Hz; 1 Hz = 1 цикъл / s).

И така, електрическият ток може да се опише с математическа формула. Но как електромагнитната индукция генерира ток? Това явление е много мистериозно. По някакъв начин движението на проводник в магнитно поле създава електродвижеща сила (емф) в проводника, което предизвиква електрически ток.

Няма нужда да казваме на съвременния читател колко широко е разпространено използването на електричеството в нашия живот и какво огромно влияние има електрическата енергия върху развитието на човешкото общество. Все пак трябва да се отбележи, че принципите за получаване на електрическа енергия с помощта на механични устройства и преобразуването й в механична енергияса изследвани много преди хората да започнат да мислят за практическото използване на електричеството. Говори се, че един ден посетител на лабораторията попитал Фарадей каква полза може да се извлече от индукцията на електрически ток в проводници, на което ученият отговорил: „Каква полза може да бъде от новородено бебе? Той ще порасне и ще стане възрастен.” По-късно Гладстоун, тогавашен министър на финансите на Великобритания, посетил лабораторията на Фарадей и задал същия въпрос, на който Фарадей отговорил: „Скоро, сър, ще обложите това с данък“.

Фарадей проведе друг важен експеримент, който разшири нашето разбиране за електромагнитните явления. Той постави две навивки на проводника близо един до друг (фиг. 29). Идеята на Фарадей беше следната. Ако завиете наляво CDпреминава тока, тогава той трябва да създаде магнитно поле (посоката му е показана на фигурата с овални линии), което ще проникне през втория завой EF.Но Фарадей се нуждаеше от променливо магнитно поле, така че краищата Аи бтой свърза първия завой към източник на променлив ток. Както Ерстед показа навремето, променлив ток, преминаващ през намотка CDтрябва да създаде променливо магнитно поле около себе си. Колкото по-голям е токът, толкова по-голяма е величината на магнитното поле около намотката CD.Колкото по-нисък е токът, толкова по-слабо е магнитното поле, което създава. Тъй като намотката EFразположен до примката CD, магнитното поле, генерирано от тока в намотката CD, улавя и бобина EF.

Така Фарадей получи променливо магнитно поле, проникващо в проводника - намотка EF. Но ако променливо магнитно поле преминава през проводник, тогава то индуцира емф в него; така че в намотката EFпроменливото магнитно поле трябва да индуцира емф. и (ако бобината е затворена) генерира електрически ток. Освен това, тъй като в експеримента на Фарадей магнитното поле не само преминава през намотката EF, но също така варира по големина, след това нараства, след това намалява, силата на индукционния ток в намотката EFсъщо се увеличава и намалява. Следователно токът в бобината EFтрябва да бъде променлива. Фарадей приема, че индуктивният ток ще тече в намотка EFдокато променлив ток тече в първия оборот (CD), и се надяваше по този начин да изследва подробно индуктивния ток.

Фарадей откри това в намотка EFвсъщност има променлив ток. Освен това, както очакваше, честотата на индукционния ток съвпада точно с честотата на напрежението, приложено към краищата. Ии ATпърви завой. Очевидно беше така практическа употребаОткритията на Фарадей: прехвърляне на електрически ток от един завой в друг, въпреки че вторият не е свързан с първия. На този принцип се основава работата на съвременните трансформатори. Няма обаче да навлизаме в технически подробности, защото това би ни отдалечило твърде много от темата на нашия разказ.

След откриването от Фарадей на явлението електромагнитна индукция, което послужи като ново потвърждение на неразривната връзка между електричеството и магнетизма, науката за електромагнетизма (както започва да се нарича връзката между електричеството и магнетизма) постигна значителен успех. Но тъй като картината на електромагнитните явления ставаше по-сложна, Фарадей изпитваше все повече трудности при тълкуването им. Докато се отнасяше до прости електрически и магнитни полета, не беше трудно да се изгради ясна физическа картина и да се получат, посредством измервания или чрез прости разсъждения, съответните математически зависимости. Но вече в изследването на електромагнитната индукция, определението за емф. а токът във втория оборот (ако е известен токът в първия) се оказа много трудна задача. На първо място, беше необходимо да се изчисли големината на магнитното поле, създадено от тока в първия оборот, а след това напрежението и тока, индуцирани във втория оборот. Освен това, осъзнавайки добре, че откритият от него физически процес обещава значителни практически ползи, Фарадей би искал да знае как да увеличи неговата ефективност. Как да увеличим тока във втория завой: да увеличим тока при първия завой, да удължим първия завой или да го направим по-широк? Какъв е най-добрият начин за подреждане на завоите един спрямо друг?

Фарадей стигна до извода, че магнитното действие на електричеството се предава от частиците на средата, съседна на електрифицираното тяло, и нарече тази среда диелектрик. Магнитното влияние в такава среда според Фарадей се осъществява чрез магнитни силови линии, които са невидими, въпреки че Фарадей е убеден в тяхната реалност.

Фарадей признава, че разсъжденията за магнитните силови линии са донякъде погрешни и се нуждаят от пояснение, но яснотата на тази концепция я прави полезна както за експериментатора, така и за математика. Фарадей вярваше, че подобно разсъждение се доближава до физическата истина и упорито се опитваше да намери физическо обяснение за феномена на електромагнитната индукция. Фарадей беше този, който предположи, че линиите на магнитното поле се отклоняват във всички посоки от проводник с ток или магнитен полюс и цитира експериментални факти, потвърждаващи съществуването на линии на магнитно поле: например, ако железни стружки се изсипят около магнит, те спонтанно се очертават нагоре по линиите на полето.

Въпреки че Фарадей е бил добре запознат с възможностите на математиката, експериментирането и физическото разбиране на наблюдаваното остава негова стихия. Но физическото мислене не позволяваше да се проникне в същността на сложните електромагнитни явления. Лесно е да си представим полета на гюлето, ъгъла на прицелване и обсега на стрелба. Но електрическите и магнитните полета са невидими, така че намирането на тяхната конфигурация не е толкова лесно. Въпреки че визуалните физически образи са довели Фарадей до успех повече от веднъж в миналото, сега той осъзнава, че точно ограниченията на физическото мислене са му попречили да продължи напред. Фарадей в своите изследвания беше достигнал етап, в който физиката стана твърде трудна и беше необходима помощта на математиката.

За щастие, изключителният теоретичен физик от XIX век. Джеймс Клерк Максуел (1831-1879) усърдно се подготвя да влезе в полето математическа физика. Дори в младостта си Максуел показа големи обещания. Написана от него на 15-годишна възраст, работата по изграждането на някои криви с помощта на механични устройства е публикувана в списанието Сборници на Кралското общество на Единбург. По време на обучението си в университетите в Единбург и Кеймбридж неговите блестящи способности и оригиналност на мисълта са забелязани както от професори, така и от състуденти. През 1856 г. Максуел става професор по физика в Marishall College в Абърдийн. Няколко години по-късно се премества в Кралския колеж в Лондон, а през 1871 г. в Кеймбриджкия университет.

Като всички истински учени Максуел е привлечен от най-трудните задачи, стоящи пред науката на неговото време. Той предложи един от начините за получаване на цветна снимка; името му е посочено и сред създателите на кинетичната теория на газовете. Най-голяма слава обаче той спечели като автор на теорията за електромагнитното поле и именно тези негови произведения представляват интерес за нас. Максуел се зае да обхване всички известни електрически и магнитни явления в рамките на единна теория. Той започва да работи в областта на теорията на електромагнитното поле, след като се запознава с Експерименталните изследвания на Фарадей. През 1855 г., на двадесет и три години. Максуел публикува първата си статия по теория на електромагнитното поле, наречена „За силовите линии на Фарадей“. И в тази, и в следващите си работи Максуел си поставя за цел да преведе физическите изследвания на Фарадей на езика на математическите формули.

В началото на 50-те години на XIX век. Максуел е много силно повлиян от работата на Уилям Томсън (лорд Келвин; 1824-1907), Томсън предпочита механичното обяснение на електрическите и магнитните явления и ги използва, за да ги сведе до флуидни потоци, топлина и еластични потоци. Томсън също разширява механичните аналогии към етера, като го разглежда като среда, в която се осъществява взаимодействието на съседни частици (такова тълкуване на етера е предложено малко по-рано от математиците Коши, Поасон и Навие), т.е. има къси, а не далечни сили. Максуел също се опита да даде механично обяснение на действието на етера, но, подобно на Томсън, не успя в това. Независимо от това, Томсън, за разлика от действието на далечни разстояния, въвежда концепцията, която сега обикновено се нарича поле, и Максуел приема новата идея, Томсън също прави първите стъпки към създаването на математическа теория за разпространението на вълните, а Максуел използва някои от неговите резултати.

Използвайки концепцията за етера като еластична среда, Максуел през 1861 г. хвърля нов поглед към нерешения проблем на електромагнитната индукция. От работата на Фарадей за предаването на електрически ток от един оборот на проводник към друг стана ясно, че магнитното поле може да се разпространява на разстояние. Максуел стигна до заключението, че променливият електрически ток също може да проникне в пространството около намотката с ток. Такъв ток, който Максуел нарича ток на изместване, дава възможност да се обяснят някои от ефектите, наблюдавани на голямо разстояние от "реалните" физически токове, протичащи през проводника. В своята работа Максуел за първи път споменава тока на отклонение, но все още нямаше нито яснота, нито пълнота на картината.

За да обоснове своето тълкуване на токовете на изместване и да му даде определена пълнота, Максуел анализира поведението на кондензатор в електрическа верига. Най-простият кондензатор се състои от две успоредни плочи, разделени от слой изолатор, като въздух или дори вакуум. Променливият ток преминава през кондензатора. Максуел вярва, че етерът пренася тока на изместване от една кондензаторна плоча към друга.

През 1865 г. Максуел публикува своя фундаментален труд, Динамичната теория на електромагнитното поле, в който изоставя физическите модели и предоставя правилни математически уравнения. Уравненията на Максуел включват нов член, който физически съответства на тока на отклонение. Математическата формулировка на новата концепция убедила Максуел, че токовете на изместване могат да се разпространяват на големи разстояния.

Природата на токовете на отклонение изисква някои допълнителни обяснения. Следвайки Фарадей, Максуел вярва, че електрическите и магнитните полета съществуват в пространството около магнитите и проводниците с ток. Законът на Ампер се отнася до тока, протичащ през проводник. Но ако токът е променлив (например, той се променя с времето пропорционално на гр т), тогава електроните в проводника бързо се изместват в една или друга посока. Електрическото поле, което те възбуждат, също осцилира напред-назад и във всяка точка в пространството извън проводника силата на полето ще се променя с времето. Следователно можем да предположим, че променливият ток в проводника е, така да се каже, придружен от променливо електрическо поле в пространството около проводника. Максуел смята такова променливо електрическо поле за реално и отбелязва, че то е подобно по своите математически свойства на тока, въпреки че (с изключение на проводника, който създава полето) не се свежда до движението на електрони. Така Максуел обосновава разумността на предложеното от него име за такова променливо електрическо поле - ток на изместване, тъй като ефектът се състои в изместване или трептене на електрическото поле. Максуел формулира това заключение в своя Трактат за електричеството и магнетизма (1873 г.), както следва:

Една от основните характеристики на този трактат е възприемането на концепцията, че истинският електрически ток - този, от който зависят електромагнитните явления - не може да се идентифицира с тока на проводимост (течащ в проводник), но това трябва да се вземе предвид при изчисляване на общото движение на електричеството, промяната във времето на електрическо изместване.

Максуел започва методично да "извлича" математическите следствия от съществуването на тока на изместване. Според Ерстед токът в проводник създава магнитно поле. Но тъй като токът на изместване сега беше добавен към тока на проводимост, Максуел заключи, че токът на изместване също генерира магнитно поле и то представлява част от полето, което преди това се приписваше само на тока на проводимост. С други думи, магнитното поле около проводника се дължи както на тока на проводимост, така и на тока на изместване.

Обобщавайки, можем да кажем, че първата смела стъпка на Максуел беше да въведе ток на изместване и да твърди, че този ток, съществуващ в пространството, а не в проводник, също генерира магнитно поле. Максуел ревизира закона на Ампер, опитвайки се да установи връзката между общия ток (съставен от тока на проводимост и тока на изместване) и магнитното поле, създадено около проводника. Следователно най-важното заключение на Максуел е следното: всяко променливо електрическо поле, създадено или от ток на проводимост, или от ток на изместване, генерира магнитно поле. Ако сега си припомним закона за индукция на Фарадей, който във формулировката на Максуел гласи, че променливото магнитно поле създава променливо електрическо поле, става ясно, че Максуел е дал двоен звук на закона на Фарадей.

Сега не ни е трудно да разберем до какъв извод е стигнал Максуел по чисто математически път. Вълни на синусоидален ток в намотка CD(виж фиг. 29), генерират променливо електрическо поле в околното пространство, което създава променливо магнитно поле. Но, както знаем, променливото магнитно поле създава променливо електрическо поле, което от своя страна генерира променливо магнитно поле и т.н. Как се държат тези полета при постоянно "налягане" от страна на тока, протичащ в проводника CD? Отговорът е почти очевиден. Те се разпространяват в пространството, достигайки точки, много отдалечени от намотката. CD.Тези полета могат да достигнат и да се обърнат EFразположен далеч от CD цикъла.Променливо електрическо поле предизвиква в намотка EFток, който като всеки ток може да се използва за всякакви цели. Така Максуел установява, че електромагнитното поле, т.е. комбинация от променливи електрически и променливи магнитни полета, се разпространява в пространството.Очевидно Фарадей е подозирал нещо подобно, когато се е опитал да разбере какво ще се случи, ако бобината EFлеко се отдалечете от намотката CD.Но това, което Фарадей само предполагаше въз основа на физическа интуиция, без да разбира механизма на явлението и не признаваше съществуването на токове на изместване, Максуел установи на солидна математическа основа.

Всяка вълна се характеризира с дължина на вълната и честота (брой цикли в секунда). Дължината на вълната на електромагнитното излъчване се определя (въпреки че това може да не се вижда директно) от размера на бобината (осцилаторната верига). За да може една верига (или всеки друг проводник, използван за предаване на електромагнитни вълни в космоса) да има разумен размер, дължината на вълната трябва да е достатъчно малка.

Сега нека разгледаме по-подробно основните характеристики на вълните - дължина на вълната и честота. Помислете за синусоидата, показана на фиг. 30. Пълен цикъл съответства на сегмент от синусоида от 0 преди А. Този цикъл се повтаря много пъти в рамките на една секунда и броят на тези цикли в една секунда се нарича честота. Дължина на вълната λ (ламбда) е разстоянието от Ппреди Q. Разстоянието, изминато от вълна за една секунда, е равно на произведението на дължината на вълната и честотата:

λf = ° С .

където ° Се скоростта на разпространение на вълната.

Електромагнитните вълни са малко по-сложни. Той разпространява, променяйки по синусоидален закон, не само електрическото, но и магнитното поле. В допълнение, векторите на електрическото и магнитното поле са взаимно перпендикулярни и двете са перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната. На фиг. 31 показва, че векторите на ел ди магнитни зполета осцилират в две взаимно перпендикулярни равнини.

По този начин първото и най-голямо откритие на Максуел беше, че електромагнитните вълни могат да се разпространяват на хиляди километри от източника и, ако имахме подходящия инструмент, те биха могли да бъдат открити достатъчно далеч от източника. Максуел притежава и второто сензационно откритие относно светлината. Светлината, като феномен, представлявала интерес за древните гърци и многобройни експерименти, проведени през вековете, в крайна сметка довели до две „конкуриращи се“ теории за природата на светлината. Един от тях твърди, че светлината се състои от малки невидими частици, движещи се по праволинейни лъчи. Според друга теория светлината е вълна. Бяха направени различни предложения за това как тези вълни се формират и разпространяват. И двете теории повече или по-малко задоволително обясняват ефектите на отражението и пречупването на светлината, т.е. промени в посоката на разпространение на светлината при преминаване от една среда в друга, например от въздух към вода. Но ако говорим за дифракцията на светлината (светлината се огъва около препятствия, да речем непрозрачен диск), тогава вълновата теория дава по-разумно обяснение. Според тази теория светлината се държи като вълни върху водата, които обикалят корпуса на кораба и се събират зад кърмата му. AT началото на XIXв. убедителни аргументи в полза на вълновата теория на светлината са представени от Томас Йънг (1773-1829) и Августин Френел (1788-1827). Нито единият, нито другият обаче не казаха нищо за средата, в която се разпространява светлината.

10) Характеристики на секцията на веригата:

Сила на тока - , измерено с амперметър;

Волтаж - , измерено с волтметър;

съпротивление - , измерено с омметър.

11) Закон на Ом за участък от верига:.

12) Два вида свързване на проводници:

Сериен (вижте фиг. 4)

Ориз. 4. Серийно свързване на проводници

Успоредно (виж фиг. 5)

Ориз. 5. Паралелно свързване на проводници

13) Текуща работа: .

14) Текуща мощност: .

15) Количеството топлина, което се отделя при преминаване на тока през проводника:.

16) Електрически ток в различни среди:

В металите има насочено движение на свободни електрони;

В течностите насоченото движение на свободните йони, образувани в резултат на електролитна дисоциация. Закон за електролизата:

В газовете - насоченото движение на свободни йони и електрони, образувани в

резултат йонизация;

- в полупроводниците - насочено движение на свободни електрони и дупки;

17) Магнити:

Електромагнити;

Постоянно:

естествен;

изкуствени.

18) Около всяка заредена частица и следователно около проводник с ток има магнитно поле.

19) Магнитно поле- специална форма на материя, която съществува около движещи се заредени частици или тела и действа с известна сила върху други заредени частици или тела, движещи се в това поле.

20) Линии на магнитното поле- условни линии, по които осите на малките магнитни стрелки са разположени в магнитно поле:

Посоката на линиите на магнитното поле съвпада с посоката, посочена от северния полюс на магнитната стрелка (виж фиг. 6);

Посоката на линиите на магнитното поле на проводник с ток може да се определи с помощта на правила за дясна ръкаили gimlet правила(виж Фиг. 7);

Магнитните линии излизат от северния полюс и навлизат в южния полюс;

Линиите на магнитното поле винаги са затворени.

21) Проводник с ток в магнитно поле действа амперна мощност. Посоката му е определена правило на лявата ръка(виж фиг. 8).

Ориз. 7. Правило на дясната ръка и правило на гимлета

Ориз. 8. Правило на лявата ръка

22) Феномен електромагнитна индукция- феноменът на генериране в пространството на електрическо поле от променливо магнитно поле.

В този урок си спомнихме различни факти, относно електромагнитните явления, изучавани по-рано, и също така обсъдиха общата електромагнитна картина на света.

За първи път извън лабораторията електрическа дъга е използвана през 1845 г. в Парижката национална опера, за да възпроизведе ефекта на изгряващото слънце.

В Тайланд имаше проблеми при изграждането на електропроводи. Първият се отнасяше до факта, че маймуните, имитиращи електротехници, се катерят по проводниците по стълбовете и, като ги объркват, създават късо съединение. Слоновете представляват втори проблем, тъй като изтръгват опорите от земята.

Магнитното поле на Земята периодично променя своята полярност, като прави както вековни колебания с продължителност 5-10 хиляди години, така и напълно преориентиране (магнитните полюси сменят местата си) 2-3 пъти за един милион години. Това се доказва от "замръзналото" магнитно поле в седиментни и вулканични скали от далечни епохи. Геомагнитното поле на Земята обаче не прави хаотични промени, а се подчинява на определен график.

В древни архиви са запазени записи, според които император Нерон, който страда от ревматизъм, е бил лекуван с електрически бани. За да направите това, електрическите кънки бяха поставени в дървена вана с вода. Намирайки се в такава баня, императорът е бил изложен на електрически разряди и полета.

През миналия век в Швейцария е изобретена електрическата детегледачка. Изобретателят предлага поставянето на две изолирани метални мрежи под бебешки пелени, разделени от суха подложка. Тези решетки бяха свързани към източник на ток с ниско напрежение, както и към електрически звънец. Когато подложката се намокри, веригата се затваря и звънецът казва на майката да смени пелената.

В онези региони на Русия, където има силни студове през зимата, възниква проблемът с източването на нефтопродукти от железопътни цистерни, тъй като вискозитетът на нефтопродуктите при ниски температури е твърде висок. Учени от далекоизточни институти са разработили технология за електрическо индукционно нагряване на резервоари (виж фиг. 9), която може значително да намали разходите за енергия, тъй като за отопление на резервоари с пара са необходими около 15 тона гориво.

Ориз. 9. Електрическо индукционно нагряване на резервоари

За спешни случаиКогато системите за отопление и водоснабдяване замръзнат, е разработен ръчен електрически индукционен инструмент, който осигурява бързо нагряване на тръбопроводи и висока безопасност при работа.

Дори по стреляните гилзи и патрони има отпечатъци на този, който ги е сложил в оръжието. Тези отпечатъци могат да бъдат идентифицирани по метода, разработен от специалистите на Саратовския юридически институт. Чрез поставяне на гилза или патрон в електрическо поле като електрод, върху него във вакуум се отлага тънък метален филм и върху него стават видими отпечатъци, които могат да бъдат идентифицирани.

Задача 1

Коя от фигурите правилно показва полюсите на магнитите (виж фиг. 10)?

Ориз. 10. Илюстрация към задачата

Решение

Магнитните линии за постоянен магнит са линии, които започват от северния магнитен полюс и завършват на юг, извън самия магнит. Вътре в магнита тези линии са затворени, но вече са насочени от южния към северния магнитен полюс.

На първата фигура полюсите са показани неправилно, тъй като магнитните линии са насочени от южния полюс към севера.

На втората фигура полюсите са показани неправилно, тъй като магнитните линии са насочени от южния полюс към севера.

На третата фигура полюсите са показани правилно, тъй като магнитните линии са насочени от северния полюс към юга.

В четвъртата фигура по всяка вероятност са имали предвид два еднакви полюса.

Отговор: на третата фигура полюсите са показани правилно.

Опитайте се сами да отговорите на този въпрос: в коя от тези точки действието на магнита е най-силно и в кое - най-малко (виж фиг. 11)?

Ориз. 11. Илюстрация към задачата

Можете да разрешите този проблем, като си спомните как магнитните линии са разпределени в пространството близо до постоянен магнит.

  1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ед. Орлова V.A., Roizena I.I. Физика 8. - М.: Мнемозина.
  2. Перишкин А.В. Физика 8. - М.: Дропла, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
  1. Class-fizika.narod.ru ().
  2. Click.ru ().
  3. Click.ru ().

Домашна работа

  1. Какво потвърждава съществуването на земното магнитно поле?
  2. Определете магнитни линии. Какво представляват магнитните линии с постоянен ток, намотки с ток?
  3. Какво даде на науката създаването на електромагнитна картина на света?
  4. Амперна мощност. Правило на лявата ръка.
  5. Напрежение от 12 mV се прилага към железен проводник с дължина 10 m и напречно сечение 2 mm 2. Каква е силата на тока, протичащ през проводника?
  6. Електрически лампи със съпротивление 200 ома и 400 ома са свързани паралелно и свързани към източник на ток. Как са свързани количествата топлина? Q 1 и Q 2, излъчвани от лампите едновременно?

В този урок, чиято тема е: „Електромагнитно поле“, ще обсъдим понятието „електромагнитно поле“, особеностите на неговото проявление и параметрите на това поле.

Ние говорим за мобилен телефон. Как се предава сигналът? Как се предава сигнал от космическа станция, летяла до Марс? В празнотата? Да, може да няма субстанция, но и това не е празнота, има нещо друго, през което се предава сигналът. Това нещо се нарича електромагнитно поле. Това не е пряко наблюдавано, а реален обект на природата.

Ако звуковият сигнал е промяна в параметрите на вещество, например въздух (фиг. 1), тогава радиосигналът е промяна в параметрите на ЕМ полето.

Ориз. 1. Разпределение звукова вълнавъв въздуха

Думите "електричен" и "магнитен" са ни ясни, вече сме изучавали отделно електрическите явления (фиг. 2) и магнитните явления (фиг. 3), но защо тогава говорим за електромагнитно поле? Днес ще го разберем.

Ориз. 2. Електрическо поле

Ориз. 3. Магнитно поле

Примери за електромагнитни явления.

В микровълновата печка се създават силни и най-важното много бързо променящи се електромагнитни полета, които действат върху електрически заряд. А както знаем, атомите и молекулите на веществата съдържат електрически заряд (фиг. 4). Тук върху него действа електромагнитното поле, което принуждава молекулите да се движат по-бързо (фиг. 5) – температурата се повишава и храната се нагрява. Рентгеновите лъчи, ултравиолетовите лъчи, видимата светлина имат същата природа.

Ориз. 4. Молекулата на водата е дипол

Ориз. 5. Движението на молекулите с електрически заряд

В микровълновата фурна електромагнитното поле предава енергия на веществото, което се използва за нагряване, видимата светлина предава енергия на рецепторите на очите, която се използва за активиране на рецептора (фиг. 6), енергията на ултравиолетовите лъчи се използва за образуване на меланин в кожата (слънчево изгаряне, фиг. 7), а рентгеновата енергия кара филма да почернява, върху който можете да видите изображение на вашия скелет (фиг. 8). Във всички тези случаи електромагнитното поле има различни параметри и следователно има различен ефект.

Ориз. 6. Условна схема на активиране на очния рецептор от енергията на видимата светлина

Ориз. 7. Тен на кожата

Ориз. 8. Почерняване на филма при рентген

Така че ние се сблъскваме с електромагнитното поле много по-често, отколкото изглежда, и отдавна сме свикнали с явленията, свързани с него.

Знаем, че около електрическите заряди възниква електрическо поле (фиг. 9). Тук всичко е ясно.

Ориз. 9. Електрично поле около електричен заряд

Ако електрически заряд се движи, тогава около него, както проучихме, възниква магнитно поле (фиг. 10). Тук вече възниква въпросът: електрически заряд се движи, около него има електрическо поле, какво общо има магнитното поле? Още един въпрос: ние казваме "зарядът се движи". Но в крайна сметка движението е относително и може да се движи в една отправна система и да почива в друга (фиг. 11). Значи в една отправна система магнитното поле ще съществува, но не и в другата? Но полето не трябва да съществува или да не съществува, в зависимост от избора на референтна система.

Ориз. 10. Магнитно поле около движещ се електрически заряд

Ориз. 11. Относителност на движението на заряда

Факт е, че има едно електромагнитно поле и то има един единствен източник - електрически заряд. Има два компонента. Електрическите и магнитните полета са отделни проявления, отделни компоненти на едно електромагнитно поле, които се проявяват по различен начин в различните референтни системи (фиг. 12).

Ориз. 12. Прояви на електромагнитното поле

Можете да изберете референтна система, в която ще се появи само електрическото поле, или само магнитното поле, или и двете едновременно. Не може обаче да се избере референтна система, в която както електрическите, така и магнитните компоненти ще бъдат нула, т.е. в която електромагнитното поле ще престане да съществува.

В зависимост от референтната система виждаме или единия компонент на полето, или другия, или и двата. Това е като движението на тяло в кръг: ако погледнете такова тяло отгоре, ще видим движение в кръг (фиг. 13), ако отстрани, ще видим трептения по сегмента (фиг. 14). Във всяка проекция върху координатната ос кръговото движение е трептене.

Ориз. 13. Движение на тялото в кръг

Ориз. 14. Трептения на тяло по отсечка

Ориз. 15. Проекция на кръгови движения върху координатната ос

Друга аналогия е проекцията на пирамида върху равнина. Може да се проектира в триъгълник или квадрат. В самолета това са напълно различни фигури, но всичко това е пирамида, която се гледа от различни страни. Но няма такъв ъгъл, от който пирамидата да изчезне напълно. Само ще изглежда повече като квадрат или триъгълник (Фигура 16).

Ориз. 16. Проекции на пирамидата върху равнината

Помислете за проводник, носещ ток. В него отрицателните заряди се компенсират от положителни, електрическото поле около него е нула (фиг. 17). Магнитното поле не е равно на нула (фиг. 18), разгледахме възникването на магнитно поле около проводник с ток. Избираме референтна система, в която електроните, които образуват електрическия ток, ще бъдат неподвижни. Но в тази референтна система по отношение на електроните положително заредените йони на проводника ще се движат в обратна посока: все още възниква магнитно поле (фиг. 18).

Ориз. 17. Проводник с ток, чието електрично поле е нула

Ориз. 18. Магнитно поле около проводник с ток

Ако електроните бяха във вакуум, в тази отправна система около тях би възникнало електрическо поле, тъй като те не са компенсирани от положителни заряди, но нямаше да има магнитно поле (фиг. 19).

Ориз. 19. Електрично поле около електрони във вакуум

Нека разгледаме друг пример. Вземете постоянен магнит. Около него има магнитно поле, но няма електрическо поле. Наистина, защото електрическото поле на протоните и електроните е компенсирано (фиг. 20).

Ориз. 20. Магнитно поле около постоянен магнит

Нека вземем отправна система, в която се движи магнитът. Около движещ се постоянен магнит ще се появи вихрово електрическо поле (фиг. 21). Как да го идентифицираме? Нека поставим метален пръстен (фиксиран в дадената отправна система) на пътя на магнита. В него ще се появи ток - това е добре познато явление на електромагнитната индукция: когато магнитният поток се промени, възниква електрическо поле, което води до движение на заряди, до появата на ток (фиг. 22). В една отправна система няма електрическо поле, но в друга се появява.

Ориз. 21. Вихрово електрическо поле около движещ се постоянен магнит

Ориз. 22. Явлението електромагнитна индукция

Магнитно поле на постоянен магнит

Във всяко вещество електроните, които се въртят около ядрото, могат да се разглеждат като малък електрически ток, който протича в кръг (фиг. 23). Това означава, че около него има магнитно поле. Ако веществото не е магнетизирано, тогава равнините на въртене на електроните са произволно насочени и магнитните полета от отделните електрони се компенсират взаимно, тъй като са насочени произволно.

Ориз. 23. Представяне на въртенето на електроните около ядрото

В магнитните вещества точно равнините на въртене на електроните са ориентирани приблизително по същия начин (фиг. 24). Следователно, магнитните полета от всички електрони се сумират и се получава ненулево магнитно поле в мащаба на целия магнит.

Ориз. 24. Въртене на електрони в магнитни вещества

Около постоянен магнит има магнитно поле или по-скоро магнитната компонента на електромагнитното поле (фиг. 25). Можем ли да намерим такава референтна система, в която магнитният компонент се анулира и магнитът губи свойствата си? Все още няма. Наистина, електроните се въртят в една и съща равнина (виж фиг. 24), във всеки един момент от време скоростите на електроните не са насочени в една и съща посока (фиг. 26). Така че е невъзможно да се намери референтна система, при която всички те замръзват и магнитното поле изчезва.

Ориз. 25. Магнитно поле около постоянен магнит

По този начин електрическите и магнитните полета са различни проявления на едно електромагнитно поле. Не може да се каже, че в определена точка от пространството има само магнитно или само електрическо поле. Може да има едното или другото. Всичко зависи от референтната рамка, от която разглеждаме тази точка.

Защо говорихме за електрическите и магнитните полета отделно преди? Първо, това се е случило исторически: хората отдавна са знаели за магнита, хората отдавна са наблюдавали наелектризирана козина срещу кехлибар и никой не е предполагал, че тези явления имат една и съща природа. И второ, това е удобен модел. В задачи, при които не се интересуваме от връзката между електрическите и магнитните компоненти, е удобно да ги разглеждаме отделно. Два заряда в покой в ​​дадена отправна система си взаимодействат чрез електрическо поле - ние прилагаме закона на Кулон към тях, не се интересуваме от факта, че същите тези електрони могат да се движат в някаква отправна система и да създават магнитно поле, и ние успешно реши задачата (фиг. 27) .

Ориз. 27. Закон на Кулон

Действието на магнитно поле върху движещ се заряд се разглежда в друг модел и също така, в рамките на своята приложимост, работи добре при решаването на редица проблеми (фиг. 28).

Ориз. 28. Правило на лявата ръка

Нека се опитаме да разберем как компонентите на електромагнитното поле са свързани помежду си.

Трябва да се отбележи, че точната връзка е доста сложна. Разработен е от британския физик Джеймс Максуел. Той извежда известните 4 уравнения на Максуел (фиг. 29), които се изучават в университетите и изискват познания по висша математика. Разбира се, няма да ги изучаваме, а в няколко прости думиНека да разберем какво означават.

Ориз. 29. Уравнения на Максуел

Максуел разчита на работата на друг физик - Фарадей (фиг. 30), който просто качествено описва всички явления. Той прави рисунки (фиг. 31), бележки, които много помагат на Максуел.

Ориз. 31. Рисунки на Майкъл Фарадей от „Електричество“ (1852)

Фарадей открива явлението електромагнитна индукция (фиг. 32). Нека си припомним какво е. Променливото магнитно поле генерира ЕМП на индукция в проводника. С други думи, променливо магнитно поле (да, в този случай, не електрически заряд) генерира електрическо поле. Това електрическо поле е вихрово, т.е. неговите линии са затворени (фиг. 33).

Ориз. 32. Рисунки на Майкъл Фарадей за експеримента

Ориз. 33. ЕДС индукция в проводник

Освен това знаем, че магнитното поле се генерира от движещ се електрически заряд. Би било по-правилно да се каже, че се генерира от променливо електрическо поле. Когато зарядът се движи, електрическото поле във всяка точка се променя и тази промяна генерира магнитно поле (фиг. 34).

Ориз. 34. Появата на магнитно поле

Можете да забележите появата на магнитно поле между пластините на кондензатора. Когато се зарежда или разрежда, между плочите се създава променливо електрическо поле, което от своя страна генерира магнитно поле. В този случай линиите на магнитното поле ще лежат в равнина, перпендикулярна на линиите на електрическото поле (фиг. 35).

Ориз. 35. Появата на магнитно поле между плочите на кондензатора

А сега нека разгледаме уравненията на Максуел (фиг. 29), по-долу за запознаване е дадено малко декодиране на тях.

Иконата - дивергенция - е математически оператор, той подчертава компонента на полето, който има източник, тоест линиите на полето започват и завършват на нещо. Вижте второто уравнение: този компонент на магнитното поле е нула: линиите на магнитното поле не започват или завършват с нищо, няма магнитен заряд. Вижте първото уравнение: този компонент на електрическото поле е пропорционален на плътността на заряда. Електрическото поле се създава от електрически заряд.

Най-интересни са следните две уравнения. Иконата - ротор - е математически оператор, който подчертава вихровия компонент на полето. Третото уравнение означава, че вихрово електрическо поле се създава от променящо се във времето магнитно поле ( е производната, която, както знаете от математиката, означава скоростта на промяна на магнитното поле). Тоест, говорим за електромагнитна индукция.

Четвъртото уравнение показва, ако не обръщаме внимание на коефициентите на пропорционалност: вихровото магнитно поле се създава чрез промяна електрическо поле, както и токов удар( - плътност на тока). Говорим за това, което добре знаем: магнитното поле се създава от движещ се електрически заряд и.

Както можете да видите, променливото магнитно поле може да генерира променливо електрическо поле, а променливото електрическо поле на свой ред генерира променливо магнитно поле и т.н. (фиг. 36).

Ориз. 36. Променливото магнитно поле може да генерира променливо електрическо поле и обратно

В резултат на това в пространството може да се образува електромагнитна вълна (фиг. 37). Тези вълни имат различни прояви - това са радиовълни и видима светлина, ултравиолетова и т.н. Ще говорим за това в следващите уроци.

Ориз. 37. Електромагнитна вълна

Библиография

  1. Касянов В.А. Физика. 11 клас: учеб. за общо образование институции. - М.: Дропла, 2005.
  2. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. за 11 клетки. общо образование институции. - М.: Образование, 2010.
  1. Интернет портал "studopedia.su" ()
  2. Интернет портал "worldofschool.ru" ()

Домашна работа

  1. Възможно ли е да се открие магнитно поле в референтната рамка, свързана с един от равномерно движещите се електрони в потока, който се създава в кинескопа на телевизора?
  2. Какво поле възниква около електрон, движещ се в дадена отправна система с постоянна скорост?
  3. Какво поле може да се открие около неподвижен кехлибар, зареден със статично електричество? Около движение? Обосновете отговорите.