Wiederholung des Themas "Elektromagnetische Phänomene" (Grebenyuk Yu.V.). Grundformeln der Physik - Elektrizität und Magnetismus Formeln für elektromagnetische Phänomene

Elektromagnetische Phänomene wurden seit der Zeit von Faraday untersucht. Allerdings ist das Zusammenwirken von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten u elektro Magnetfeld nur darauf aufmerksam gemacht letzten Jahren. Der Hauptimpuls für das Studium dieser Phänomene war die Astrophysik. Schon lange Jahre Es wird angenommen, dass sich der größte Teil der Materie im Universum in einem Zustand von hochionisiertem Gas oder Plasma befindet. Die wichtigsten Informationen auf dem Gebiet der elektromagnetischen Dynamik wurden als Ergebnis der astrophysikalischen Forschung gewonnen.

Die Rolle elektromagnetischer Phänomene in der Physik

In der Weltraumphysik spielen elektromagnetische Phänomene die Hauptrolle, da es im Weltraum Magnetfelder gibt, die die Bewegung geladener Teilchen direkt beeinflussen. Elektromagnetische Kräfte sind unter bestimmten Bedingungen um ein Vielfaches größer als Gravitationskräfte.

Erstmals wurden elektromagnetische Phänomene zur Informationsübertragung genutzt. Die Telegrafie entstand im 19. Jahrhundert. Sein Wesen war sehr einfach: Jede Nachricht, die aus Zahlen und Buchstaben bestand, kann mit einem Satz von Zeichen übertragen werden, das heißt, die Nachricht ist verschlüsselt.

Alle elektromagnetischen Phänomene unterliegen bestimmten Gesetzmäßigkeiten, die die elektromagnetische Bewegungsform der Materie charakterisieren, die sich grundlegend von der mechanischen unterscheidet. BEI elektronische Geräte Elektromagnetische Phänomene werden durch komplexe Zusammenhänge beschrieben und sind durch Größen gekennzeichnet, die von räumlichen Koordinaten und der Zeit abhängen. Aber eine solche Beschreibung ist beim Studium komplexer elektronischer Geräte zu umfangreich.

Elektromagnetische Phänomene wurden nicht als autonom betrachtet. Dank der Bemühungen vieler Wissenschaftler wurden diese Phänomene auf mechanische Phänomene reduziert. Das Studium der Mechanik und elektromagnetischer Phänomene führte zur Bildung der Relativitätstheorie: Hier wurden der vierdimensionale Raum und die Zeit durch eine einzige Mannigfaltigkeit dargestellt, und ihre Aufteilung in Raum und Zeit war bedingt.

Das Hauptmerkmal elektromagnetischer Phänomene im System wird durch die Änderung der Eigenschaften von Werkstücken beim Bewegen von einem Werkstück zum anderen bestimmt. Primärrohlinge waren vollständig ferrimagnetisch, während der Rest entweder teilweise ferrimagnetisch oder überhaupt nicht magnetisch war.

Das Studium elektromagnetischer Phänomene erforderte eine lange kontinuierliche Arbeit und Anspannung der Vorstellungskraft. Um ein richtiges materialistisches Verständnis von Prozessen zu entwickeln, ist es notwendig, sich ständig an der sowjetischen Literatur zur Physik zu orientieren. Bei der Untersuchung elektromagnetischer Phänomene wurde festgestellt, dass es immer ein Magnetfeld um den elektrischen Strom gibt. Das Feld und der elektrische Strom sind untrennbar miteinander verbunden.

Den größten Beitrag zur Entwicklung der Theorie elektromagnetischer Phänomene leisteten Maxwell und Faraday. Erst nachdem Maxwell die Theorie des elektromagnetischen Feldes geschaffen hatte, wurde von der Entstehung des elektromagnetischen Weltbildes gesprochen. Der Wissenschaftler entwickelte die Theorie des elektromagnetischen Feldes auf der Grundlage der von Faraday entdeckten elektromagnetischen Induktion. Er wiederum führte Experimente mit einer Magnetnadel durch und kam zu dem Schluss, dass die Drehung der Nadel auf einen besonderen Zustand der Umgebung und nicht auf elektrische Ladungen im Leiter zurückzuführen ist. Danach führt der Wissenschaftler das Konzept eines Feldes als eine Reihe magnetischer Linien ein, die den Raum durchdringen und in der Lage sind, einen elektrischen Strom zu erkennen und zu leiten.

Die von Maxwell entwickelte Theorie des elektromagnetischen Feldes lief darauf hinaus, dass ein transformierendes Magnetfeld nicht nur in umgebenden Körpern, sondern auch im Vakuum ein elektrisches Wirbelfeld hervorruft. Diese Theorie wurde zu einer neuen Stufe in der Entwicklung der Naturwissenschaften. Demnach ist die ganze Welt ein elektrodynamisches System, das aus geladenen Teilchen besteht, die durch ein elektromagnetisches Feld miteinander wechselwirken.

Elektrische Ladungen bewegen sich relativ zueinander, wodurch eine zusätzliche magnetische Kraft entsteht. Elektromagnetische Kraft ist die Kombination aus magnetischer und elektrischer Kraft. Elektrische Kräfte beziehen sich auf sich bewegende und ruhende Ladungen und magnetische - nur auf sich bewegende. Die Vielfalt der Ladungen und Kräfte wird in den Maxwellschen Gleichungen beschrieben, die später zu den Gleichungen der klassischen Elektrodynamik wurden.

Diese Gleichungen führten zum Coulombschen Gesetz, das mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz identisch ist. Das Coulombsche Gesetz sieht so aus:

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

Das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation lautet wie folgt:

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

Außerdem hat das Newtonsche Gesetz die folgenden Aussagen:

  • magnetische Kraftlinien haben keinen Anfang und kein Ende, und sie sind auch absolut kontinuierlich;
  • magnetische Ladungen existieren in der Natur nicht;
  • das elektrische Feld wird mit Hilfe von elektrischen Ladungen und einem magnetischen Wechselfeld gebildet;
  • das Magnetfeld kann sowohl mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes als auch mit Hilfe eines elektrischen Stroms aufgebaut werden.

Elektromagnetische Phänomene haben den Begriff der Materie radikal verändert.

Elektromagnetische Phänomene. Grundbegriffe und Formeln

Bestimmung 1

Elektrische Ladung ist eine Größe, die die Eigenschaft von Körpern und Teilchen charakterisiert, in eine elektromagnetische Wechselwirkung einzutreten.

Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen:

  • positive Ladungen, die von Protonen getragen werden;
  • negative Ladungen, die von Elektronen getragen werden.

Ein Atom besteht aus einem Kern, der wiederum aus Neutronen, Elektronen und Protonen besteht. Ein Atom wird zu einem Ion, wenn es ein paar Elektronen aufnimmt oder abgibt.

Bestimmung 2

Elektrifizierung ist der Prozess der Ladungsaufnahme mit Hilfe eines makroskopischen Körpers.

Auf der dieser Moment Es gibt mehrere Möglichkeiten zu elektrifizieren:

  • mit Hilfe von Reibung;
  • durch Einfluss.

Bestimmung 3

Ein elektrisches Feld ist eine Form von Materie, die um geladene Teilchen und Körper herum existiert und auf andere geladene Teilchen einwirkt.

Die Grundgesetze der Elektrostatik sind:

  1. Coulombsches Gesetz für immobile Ladungen: $F_k = k\frac(q_1q_2)(r^(2))$
  2. Ladungserhaltungssatz (für ein abgeschlossenes System): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

Bestimmung 4

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen.

Es gibt mehrere Bedingungen, die das Vorhandensein eines elektrischen Stroms sicherstellen:

  • das Vorhandensein von freien Teilchen, die eine Ladung haben;
  • das Vorhandensein eines elektrischen Feldes.

Die Wirkung des elektrischen Feldes kann sein:

  • Thermal;
  • magnetisch;
  • chemisch;
  • hell.

Das elektrische Feld wird mit Hilfe von Stromquellen aufgebaut, in denen an der Ladungstrennung gearbeitet wird. Dies geschieht durch die Umwandlung mehrerer Energiearten in elektrische Feldenergie.

Die Eigenschaften des Schaltungsabschnitts umfassen:

  1. Stromstärke: $I = \frac (q)(t)=A (Ampere)$ - Messung erfolgt mit Amperemeter.
  2. Spannung: $U = \frac(A)(q)= V (Volt)$ - gemessen mit einem Voltmeter.
  3. Widerstand: $R = p\frac(l)(S) = Ohm$ - gemessen mit einem Ohmmeter.

Das Ohmsche Gesetz für einen Schaltungsabschnitt lautet wie folgt:

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

Es gibt zwei Arten von Leiterverbindungen: Reihen- und Parallelschaltung. Die Reihenschaltung der Leiter ist wie folgt:

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

Die Parallelschaltung von Leitern ist wie folgt:

  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)$

Aktuelle Arbeit: $A = Ult$

Die aktuelle Leistung sieht so aus: $P = IU$

Die Wärmemenge, die beim Durchgang durch einen Stromleiter freigesetzt wird, lässt sich wie folgt ausdrücken: $Q ​​= I^2 Rt$

Elektrischer Strom kann in verschiedenen Umgebungen existieren:

  1. In Metallen erfolgt die gerichtete Bewegung freier Elektronen.
  2. In Flüssigkeiten findet eine gerichtete Bewegung freier Ionen statt, die durch elektrolytische Dissoziation entstehen. Das Elektrolysegesetz lautet: $m = qk = klt$
  3. In Gasen gibt es eine gerichtete Bewegung von Elektronen und Ionen, die durch Ionisation entsteht.
  4. In Halbleitern - die gerichtete Bewegung freier Löcher und Elektronen.

Bestimmung 5

Ein Magnetfeld ist eine spezielle Form von Materie, die um geladene, sich bewegende Teilchen und Körper herum existiert und auf andere geladene Teilchen und Körper wirkt, die sich im selben Feld bewegen.

Magnetfeldlinien sind bedingte Linien, entlang derer die Achsen von Magnetnadeln in einem Magnetfeld eingestellt sind.

Wissenswertes über die Anwendung elektromagnetischer Phänomene

Es sind Aufzeichnungen erhalten, die belegen, dass in der Antike Kaiser Nero, der an Rheuma litt, mit elektrischen Bädern behandelt wurde. Die Essenz dieser Behandlung war wie folgt: Elektrische Pisten wurden in eine Holzwanne mit Wasser gelegt. In einem solchen Badezimmer war eine Person elektrischen Feldern und Ladungen ausgesetzt.

In der Schweiz wurde der elektrische Babysitter im letzten Jahrhundert erfunden. Isolierte Metallnetze wurden unter Babywindeln gelegt, die durch ein Trockenfutter getrennt waren. Diese Netze waren an eine Niederspannungsstromquelle und an eine elektrische Klingel angeschlossen. Wenn die Auskleidung nass wurde, schloss sich der Stromkreis und die Glocke ertönte. Dadurch wussten Mütter sofort, wann sie die Windel wechseln sollten.

In den Regionen, in denen starke Fröste auftreten, gab es ein Problem beim Ablassen von Ölprodukten, da deren Viskosität bei niedrige Temperaturen war zu hoch. Dann entwickelten die Wissenschaftler die Technologie der elektrischen Induktionsheizung von Tanks, die es ermöglichte, die Energiekosten zu senken.

Mit Hilfe elektromagnetischer Phänomene war es möglich, die Fingerabdrücke einer Person zu bestimmen, die Granaten und Patronen in den Händen hielt. Durch Einbringen der Hülse in ein elektrisches Feld in Form einer Elektrode wurde darauf im Vakuum ein Metallfilm abgeschieden, auf dem leicht erkennbare Fingerabdrücke erschienen.

Elektromagnetische Phänomene

10.1. Der Stromdurchgang durch einen festen, flüssigen oder gasförmigen Leiter wird immer von der Erscheinung begleitet Magnetfeld. Seine Kraftlinien sind geschlossene Kurven, die den Leiter umschließen.

10.2. Richtung der magnetischen Feldlinie- in die Richtung, in die das nördliche Ende einer kleinen Magnetnadel zeigt, die im untersuchten Punkt des Feldes platziert ist. Wenn sich die Richtung des Stroms im Leiter ändert, ändert sich die Richtung der Kraftlinien in die entgegengesetzte Richtung.

10.3. Elektromagnete- in Form von Spiralen oder Spulen verdrillte Leiter, in denen sich ein Kern aus Eisen oder Stahl befindet. Elektromagnete (auch Induktoren genannt) können elektrische Energie speichern und an den Stromkreis zurückgeben, indem sie sie in Magnetfeldenergie umwandeln und umgekehrt.

10.4. Permanentmagnete- nicht elektrifizierte Körper, die Gegenstände aus Eisen, Stahl und einigen anderen Materialien anziehen können und lange Zeit dieses Eigentum zu behalten.

10.5. Magnetpol- die Stelle auf der Oberfläche des Magneten, an der das Magnetfeld am stärksten ist. Die Feldlinien des Permanentmagnetfeldes sind geschlossen. Sie verlassen seinen Nordpol und treten in den Südpol ein, wobei sie sich im Magneten einschließen.

10.6. Die Erde sowie einige andere Himmelskörper sind also Permanentmagnete ein Magnetfeld haben.

10.7. Ein Magnetfeld wirkt auf bewegte geladene Teilchen und damit auf stromführende Leiter. Auf diesem Phänomen beruht die Wirkung von elektrischen Messgeräten und Elektromotoren.

10.8. Elektromotoren Unabhängig von ihrer Bauform haben sie einen rotierenden Teil (Rotor) und einen feststehenden Teil (Stator). Je nach Verwendungszweck werden darin Elektromagnete oder Permanentmagnete sowie ein Kollektor platziert - ein Gerät zur Regulierung des Stromflusses zu den richtigen Zeitpunkten während jeder Umdrehung des Rotors.

10.9. Elektromagnetische Induktion- das Phänomen des Auftretens von Strom in einem sich in einem Magnetfeld bewegenden Leiter oder in einem stationären Leiter, der sich in einem sich bewegenden (sich ändernden) Magnetfeld befindet.

10.10. Die größte Anwendung im Leben und in der Industrie der europäischen Länder erhalten Induktionswechselstrom,ändert seine Richtung 100 Mal pro Sekunde, also mit einer Frequenz von 50 Hz.

10.11. elektrischer Transformator- ein Gerät zum Umwandeln von Wechselstrom einer Spannung in einen Strom einer anderen Spannung. Das Funktionsprinzip des Transformators basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion.

10.12. Strom über eine Distanz zu übertragen Aufwärtstransformatoren, Hochspannungsleitungen und Abwärtstransformatoren verwendet werden.

10.13. Um in Bewegung zu setzen, nutzen Sie leistungsstarke Maschinen und Anlagen Motoren, die mit Dreiphasen-Wechselstrom betrieben werden. Ihre Vorteile: Einfachheit des Designs, hohe Zuverlässigkeit und Leistung.

Elektromagnetische Phänomene. Tabellen und Diagramme.

Und im Himmel und in der Erde ist mehr verborgen,

Was träumt von deiner Weisheit, Horatio. {7}

Wir haben bereits Beispiele dafür kennengelernt, wie Mathematiker und Physiker des 17. bis 18. Jahrhunderts gearbeitet haben. großartige mathematische Theorien auf der Grundlage von Phänomenen geschaffen, die unserer Sinneswahrnehmung zugänglich sind (denken wir zum Beispiel an die Bewegungen von Erd- und Himmelskörpern). Diese Theorien erweiterten das menschliche Wissen über die beobachteten Phänomene, halfen, einige Missverständnisse zu erklären - ermöglichten es zu verstehen, welche Prinzipien in die Struktur der Natur und ihr Verhalten eingebettet sind. Neben den betrachteten Theorien wurden weitgehend ähnliche mathematische Theorien zur Wärme, zu hydrodynamischen Prozessen (Flüssigkeits- und Gasströmungen) und zur Elastizität erstellt. Auf alle diese Theorien trifft die Aussage von Aristoteles gleichermaßen zu, dass es nichts im menschlichen Geist gibt, was nicht ursprünglich in unseren Empfindungen war. Natürlich gingen diese mathematischen Theorien über Beobachtungen hinaus und führten sogar Konzepte ein (insbesondere das Konzept der Schwerkraft), deren Realität nicht offensichtlich war. Dennoch stimmten die auf der Grundlage dieser Theorien getroffenen Vorhersagen hervorragend mit der Erfahrung überein. Man kann sagen, dass die Erfahrung für diese Theorien nur als eine Art Stärkungsmittel diente.

Entgegen der tief verwurzelten Vorstellung von der Welt als gigantischem Mechanismus konnten Naturwissenschaftler zwar nicht herausfinden, wie die Schwerkraft „funktioniert“ und wie sich Licht ausbreitet. Wenn es ans Licht kam, bezogen sie sich gewöhnlich auf den Äther; man glaubte, dass die bloße Erwähnung dieses körperlosen Mediums alle Zweifel über den Mechanismus der Lichtausbreitung ausräumen sollte, obwohl keine Details über den Äther bekannt waren. Was die Schwerkraft betrifft, so blieb die Natur ihrer Wirkung absolut unverständlich. Aber die Erfolge, die Newton, Euler, D'Alembert, Lagrange und Laplace bei der mathematischen Beschreibung und genauen Vorhersage verschiedenster astronomischer Phänomene erzielten, waren so beeindruckend, dass Naturwissenschaftler von einem Stolz auf die Wissenschaft erfüllt waren, der oft an Arroganz und Überheblichkeit grenzte. Sie hörten auf, über den physikalischen Mechanismus der Phänomene nachzudenken und konzentrierten ihre ganze Anstrengung auf ihre mathematische Beschreibung. Laplace zweifelte nicht im geringsten an der Richtigkeit der Wahl des Titels für sein fünfbändiges Werk Celestial Mechanics (1799-1825).



Die Errungenschaften der Physik des 19.–20. Jahrhunderts, auf die wir später noch eingehen werden, haben mit aller Schärfe grundlegende Fragen nach der Natur und dem Wesen der realen Welt um uns herum aufgeworfen. Der erste dieser Fortschritte, die Entdeckung des Elektromagnetismus, bereicherte unser Verständnis des Universums. Wie der Planet Neptun hätte auch dieses Phänomen ohne die Hilfe der Mathematik kaum entdeckt werden können. Aber anders als der Planet Neptun war das neu entdeckte „Objekt“ körperlos: schwerelos, unsichtbar, nicht greifbar, hatte keinen Geschmack oder Geruch. Niemand von uns kann es körperlich spüren. Und doch war es im Gegensatz zum Planeten Neptun die neu entdeckte gespenstische Substanz, die einen spürbaren und sogar revolutionären Einfluss auf das Leben hatte. moderner Mann. Das Phänomen des Elektromagnetismus ermöglicht im Handumdrehen die Kommunikation mit jedem Teil des Planeten, erweitert die Grenzen der menschlichen Gemeinschaft von den nächsten Nachbarn um die Ecke auf eine weltweite Ebene, beschleunigt das Lebenstempo, fördert die Verbreitung von Bildung, schafft neue Künste und Industrien und macht eine echte Revolution in militärischen Angelegenheiten. Es ist unwahrscheinlich, dass es eine solche Seite des menschlichen Lebens gibt, die sich nicht in der Theorie der elektromagnetischen Phänomene widerspiegeln würde.

Unser Wissen über Elektrizität und Magnetismus sowie über Astronomie, Akustik und Optik stammt aus Antikes Griechenland. Thales von Milet (ca. 640-546 v. Chr.) wusste, dass Eisenerz, das in der Nähe der Stadt Magnesia (heute Manisa) in Kleinasien abgebaut wurde, Eisen anzieht. Im Mittelalter lernten die Europäer von den Chinesen, dass eine frei schwebende Nadel aus magnetisiertem Eisen ziemlich genau die Nord-Süd-Richtung anzeigt und daher als Kompass dienen kann. Die Legende schreibt Thales von Milet die Entdeckung eines weiteren Phänomens zu: Bernstein, mit einem Stück Stoff gerieben, zieht leichte Gegenstände wie Strohhalme an. Diese Beobachtung war der Beginn der Wissenschaft der Elektrizität (das Wort „Elektrizität“ selbst ist griechischen Ursprungs und bedeutet „Bernstein“).

Die erste ernsthafte Untersuchung des Magnetismus wurde von William Gilbert (1544-1603), dem Hofarzt von Königin Elizabeth von England, durchgeführt. In seinem Werk „Über den Magneten, magnetische Körper und den großen Magneten – die Erde“ wurde eine noch gut lesbare Beschreibung einfacher Experimente gegeben, die insbesondere zeigte, dass die Erde selbst ein riesiger Magnet ist. Gilbert fand heraus, dass Magnete zwei Pole haben – einer zeigt nach Norden, der andere nach Süden; sie werden jeweils Nord und Süd oder Positiv und Negativ genannt. Zwei positive oder zwei negative Magnetpole stoßen sich ab, während sich entgegengesetzte Magnetpole anziehen. Diese beiden Arten von Polen finden sich beispielsweise an gegenüberliegenden Enden jedes Magnetstabs. Darüber hinaus sind Magnete mit der Fähigkeit ausgestattet, nicht magnetisiertes Eisen oder Stahl anzuziehen. Je stärker der Magnet, desto schwerere Eisenstücke kann er anziehen.

Gilbert untersuchte auch das zweite Phänomen, das Thales von Milet zu seiner Zeit beobachtete, die Elektrifizierung von Bernstein, der mit einem Stück Stoff gerieben wurde. Er entdeckte, dass mit Fell geriebener Siegellack oder mit Seide geriebenes Glas die Fähigkeit erlangen, Lichtpartikel anzuziehen. Diese Experimente legten die Existenz von zwei Arten von Elektrizität nahe. Wie bei Magnetiten stoßen sich zwei beliebige Körper mit der gleichen Art von Elektrizität ab, und diejenigen mit unterschiedlicher Art von Elektrizität ziehen sich an. Aber im Verständnis körperliche Natur Magnetismus und Elektrizität Gilbert hatte wenig Erfolg.

Er war sich bewusst, dass es einen tiefgreifenden Unterschied zwischen magnetischen und elektrischen Ladungen gab. Indem wir das Glas mit Seide reiben, geben wir dem Glas eine positive elektrische Ladung und der Seide eine negative. Wenn wir dann das Glas von der Seide entfernen, können wir eine positive Ladung auf dem Glas erhalten, ganz unabhängig von der negativen Ladung auf der Seide. Was den Magnetismus von zwei Arten betrifft, positiv und negativ, so ist es nicht möglich, positiven Magnetismus von negativen in physischen Objekten zu trennen, obwohl sich wie entgegengesetzte elektrische Ladungen verschiedene Magnetpole anziehen und dieselben abstoßen.

Wie jedoch eine lange Reihe nachfolgender Experimente gezeigt haben, deren detaillierte Beschreibung nicht unsere Absicht ist, ist die Vorstellung vom Vorhandensein von zwei Arten elektrischer Ladungen falsch. Im XX Jahrhundert. Physiker haben dafür gesorgt, dass es nur eine Art von Elektrizität gibt {8} und seine Träger sind winzige Materieteilchen (die kleinsten uns in der Natur bekannten materiellen Körper), die Elektronen genannt wurden. Wir können Elektronen nicht sehen, genauso wenig wie wir die größeren Materieteilchen namens Atome sehen können, die Elektronen enthalten; indirekte Beweise für die Existenz von Elektronen sind jedoch ziemlich überzeugend. Ein negativ geladener Körper (d. h. ein Körper, der die Eigenschaften von Seide hat, die an einem Glasstab gerieben wird) enthält einen Überschuss an Elektronen. Die Körper, die wir zuvor als positiv geladen bezeichnet haben (z. B. mit Seide geriebenes Glas), haben nicht genügend Elektronen. Wenn Glas mit Seide gerieben wird, verlassen anscheinend einige Elektronen das Glas und werden von Seidenatomen angezogen. Dadurch wird Glas, dem Elektronen fehlen, positiv geladen, während Seide negativ geladen wird. Über einen Körper, der enthält normale Menge Elektronen wird es als elektrisch neutral bezeichnet.

Mit den richtigen Werkzeugen können wir das Verhalten geladener Körper untersuchen. Hängen beispielsweise zwei positiv geladene Glaskugeln in geringem Abstand voneinander an Fäden auf, stoßen sie sich ab, da beide positiv geladen sind. Wir sehen, dass geladene Körper (wie auch magnetische Pole) miteinander wechselwirken. Es ist daher klar, dass wir es bei elektrischen und magnetischen Phänomenen mit Kräften zu tun haben, die wir versuchen können, in der Praxis anzuwenden. Erstmal erkunden verschiedene Phänomene mit Strom verbunden.

Die Naturwissenschaftler des ausgehenden 18. Jahrhunderts, die in das Studium der Wechselwirkung geladener Körper vertieft waren und die Lehren ihrer Vorgänger Galileo und Newton gut gelernt hatten, begannen, nach quantitativen Gesetzen zu suchen. Die allererste Entdeckung versetzte sie in Erstaunen. Da die Kraft, mit der ein geladener Körper auf einen anderen einwirkt, von der Elektrizitätsmenge (genauer gesagt von der Größe der elektrischen Ladung) in jedem der Körper abhängt, war es zunächst notwendig, ein Maß für die Elektrizität festzulegen. Eine gewisse Elektrizitätsmenge musste als Massstab genommen werden (ebenso wie eine gewisse Stoffmenge pro Masseneinheit gewählt wurde), um mit diesem Massstab die Elektrizitätsmenge in den untersuchten Körpern zu vergleichen. Eine der allgemein akzeptierten Einheiten zur Messung elektrischer Ladung ist das Pendant (C), benannt nach dem französischen Physiker Charles Augustin Coulomb (1736-1806), der das eigentliche Gesetz der Wechselwirkung elektrischer Ladungen entdeckte, das wir nun betrachten werden. zwei Ladungen, q 1 und q2, anziehen oder abstoßen, je nachdem, ob sie gegensätzlich sind (d. h. einer ist positiv und der andere negativ) oder gleich (beide sind positiv oder beide negativ). Coulomb stellte fest, dass die Anziehungskraft (oder Abstoßungskraft) F, die zwischen den Ladungen wirkt, wird durch die Formel bestimmt

F = kq 1 q 2 /r 2 ,

wo r ist der Abstand zwischen zwei Sätzen von Ladungen, q 1 und q2 , k- konstant. Bedeutung k hängt von den Einheiten ab, in denen Ladung, Weg und Kraft gemessen werden.

Die von Coulomb abgeleitete Formel hat eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie ist dem Anschein nach identisch mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz. Gebühren q 1 und q2 spielen hier die Rolle der Masse, und die Wechselwirkungskraft ist ebenso umgekehrt proportional zum Quadrat des Ladungsabstands wie die zwischen zwei Massen wirkende Gravitationskraft. Natürlich kann die elektrische Wechselwirkungskraft im Coulombschen Gesetz sowohl eine anziehende als auch eine abstoßende Kraft sein, während die Gravitationskraft immer eine anziehende Kraft ist.

Ende des 18. Jahrhunderts. Der italienische Naturforscher Luigi Galvani (1737-1798) nahm zwei in Reihe geschaltete Leiter aus verschiedenen Metallen und schloss ihre Enden an den Nerv des sezierten Froschschenkels. Das Froschbein zuckte. Galvani, der „tierische Elektrizität“ studierte, erklärte die Kontraktion des Muskels durch das Auftreten eines elektrischen Stroms darin. Die Bedeutung dieser Entdeckung von Galvani wurde jedoch von einem anderen Italiener, Professor für Physik an der Universität von Padua, Alessandro Volta (1745-1827), gewürdigt. Volta erkannte, dass, wenn Leiter aus verschiedenen Metallen zwischen ihren freien Enden in Kontakt kommen, eine Kraft (heute elektromotorische Kraft genannt) zu wirken beginnt, und fand in dieser Hinsicht eine effektivere Kombination von Metallen. So wurde die erste elektrochemische Zelle oder elektrische Batterie geschaffen. Indem er den Nerv des Frosches durch einen Leiter ersetzte und die Enden des Leiters an den Polen einer Batterie befestigte, zeigte Volta, dass die elektromotorische Kraft dazu führen kann, dass sich winzige Materiepartikel entlang des Leiters bewegen. Eine solche gerichtete Bewegung geladener Teilchen (die, wie sich viel später herausstellte, Elektronen sind) entlang eines Leiters ist ein elektrischer Strom. Die von Volta gebaute Batterie brachte die Elektronen dazu, sich zu bewegen und sich nicht in irgendeinem Material anzusammeln, wie zum Beispiel in mit Fell geriebenem Bernstein. Wir bemerken am Rande, dass sich der Akku des Volta prinzipiell nicht von den Akkus und Akkus unterscheidet, die heute in Autos und Taschenlampen verwendet werden. Die von der Batterie erzeugte Spannung wird jetzt in Volt (V) gemessen, Einheiten, die nach Volta benannt sind, und der Strom in Ampere (A), benannt nach dem Wissenschaftler, mit dem wir uns bald treffen werden; 1 A \u003d 1 C / s oder 6 × 10 8 Elektronen / s.

Lange Zeit glaubte man, dass Elektrizität und Magnetismus unterschiedliche Phänomene sind und nichts miteinander zu tun haben. Allerdings im XIX Jahrhundert. Ideen haben sich radikal geändert, und die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus bringt uns zum eigentlichen Kern unserer Geschichte. Der Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen wurde erstmals 1820 von dem dänischen Physiker Hans Christian Oersted (1777-1851), Professor an der Universität Kopenhagen, entdeckt. Als Oersted Strom durch den Leiter von Voltas Batterie leitete, bemerkte er, dass die über dem Leiter hängende Magnetnadel abgelenkt wurde. Wenn die Richtung des Stroms umgekehrt wurde, wich der Pfeil um den gleichen Winkel ab, aber in die andere Richtung. Diese Beobachtung von Oersted lässt sich damit erklären, dass der elektrische Strom um den Leiter herum ein Magnetfeld erzeugt, das andere magnetisierte Körper anzieht oder abstößt, ähnlich wie die natürlichen Eisenerzmagnete, über die einst Thales von Milet schrieb.

Den nächsten Beitrag zur Aufdeckung der grundlegenden Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus leistete der französische Physiker, Professor an der Polytechnischen Schule André Marie Ampère (1775-1836), der von Oersteds Arbeit wusste. Im Jahr 1821 bemerkte Ampere, dass sich zwei parallele Leiter mit Strom wie zwei Magnete verhalten: Wenn die Ströme in ihnen in die gleiche Richtung fließen, ziehen sich die Leiter an, und wenn sie in entgegengesetzte Richtungen gehen, stoßen sie sich ab.

Es fiel dem autodidaktischen ehemaligen Buchbinder Michael Faraday (1791-1867) und dem Dozenten der Albany, New York Academy Joseph Henry (1797-1878) zu, eine weitere bedeutende Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus herzustellen; Ihre Entdeckungen ebneten den Weg für die Entstehung des großen Maxwell. Faraday und Henry interessierten sich für die folgende Frage. Wenn ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt, dann gilt nicht das Gegenteil, d.h. Induziert ein Magnetfeld Strom in einem Leiter? Wie 1831 von Faraday und Henry gezeigt wurde, sollte die Frage jedoch bejaht werden, vorausgesetzt, dass sich der Leiter in einem magnetischen Wechselfeld befindet. Dieses Phänomen wird elektromagnetische Induktion genannt.

Betrachten wir die Essenz der Entdeckung von Faraday und Henry genauer. Angenommen, ein rechteckiger Drahtrahmen (Abb. 28), starr auf einer Stange montiert R in ein Magnetfeld gebracht. Bringt man die Stange zum Rotieren, indem man sie zum Beispiel an einen Antrieb eines Wasserrads oder einer Dampfmaschine anschließt, beginnt sich auch das Gestell zu drehen. Angenommen, die Stange (vom Rahmen getrennt) dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn und die Seite des Rahmens BC beginnt sich von seiner niedrigsten Position aus zu drehen (es wird angenommen, dass der Rahmen anfänglich vertikal angeordnet ist). Wenn diese Seite in einem 90°-Bogen ansteigt (d.h. der Rahmen sich von der Vertikalen in die Horizontale bewegt), fließt elektrischer Strom im Rahmen ab C zu B und erreicht ein Maximum, wenn sich der Rahmen in einer horizontalen Position befindet. BC Der Strom in der Schleife nimmt ab und wird gleich Null (vollständig stoppt), wenn die Seite BC nimmt die höchste Position ein. Bei weiterer Drehung des Rahmens entsteht in ihm wieder ein Strom, der nun in Richtung ab fließt B zu C. Der Strom steigt wieder allmählich an und erreicht ein Maximum, wenn sich der Rahmen wieder in einer horizontalen Position befindet. Bei weiterer Bewegung der Seite BC auf die niedrigste Position, nimmt der Strom allmählich ab und stoppt schließlich vollständig. Dieser Zyklus wird mit jeder neuen vollen Umdrehung der Stange wiederholt. Das Auftreten und der Stromfluss in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, geben uns neue Beispiele für das Phänomen der elektromagnetischen Induktion.

Strom in einem Leiter ist die gerichtete Bewegung von Milliarden winziger, unsichtbarer Materieteilchen, die Elektronen genannt werden. Die Größe des Stroms, der durch EMK verursacht wird. (dieser Strom wird als induktiv bezeichnet) ändert sich mit der Zeit, und da alle diese Größen messbar sind, können Sie eine funktionale Beziehung zwischen ihnen finden. Der Zusammenhang zwischen der Stärke des Induktionsstroms und der Zeit ist offensichtlich periodisch, d.h. aufeinanderfolgende Stromänderungen werden mit jeder vollen Drehung des Rahmens wiederholt. Es wäre voreilig, a priori zu behaupten, dass die periodische Abhängigkeit der Stromstärke von der Zeit notwendigerweise durch eine Sinuskurve beschrieben werden muss. Die Natur hört jedoch nicht auf, sich an die vom Menschen erfundene Mathematik zu "anpassen": das Verhältnis zwischen der Stromstärke ich und Zeit t sieht wirklich so aus

ich = a Sünde bt ,

wo Amplitude a hängt insbesondere von der Größe des Magnetfeldes (genauer der magnetischen Induktion) und der Frequenz ab b- von der Rotationsgeschwindigkeit des Rahmens. Wenn der Rahmen 60 Umdrehungen in 1 s macht, dann der Winkel, der von ihm passiert wird b= 60×360° = 21.600°/s. (Funktion y= Sünde x durchläuft einen vollen Zyklus, wenn x variiert von 0 bis 360°. Folglich hat der Strom mit einer Frequenz von 60 Zyklen/s Zeit, die gleichen Änderungen zu durchlaufen, die die Funktion erfährt y= Sünde x, Wenn x variiert von 0° bis 21.600°/s. Wenn Strom fließt t Sekunden dann x variiert entsprechend von 0° bis 21.600°/s.) Elektrischer Strom, der in den USA im Alltag verwendet wird, macht in der Regel 60 volle Sinuszyklen in 1 s; es heißt Wechselstrom mit einer Frequenz von 60 Hertz (Hz; 1 Hz = 1 Periode / s).

Elektrischer Strom kann also durch eine mathematische Formel beschrieben werden. Aber wie erzeugt elektromagnetische Induktion Strom? Dieses Phänomen ist sehr mysteriös. Irgendwie erzeugt die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld eine elektromotorische Kraft (EMK) im Leiter, die einen elektrischen Strom verursacht.

Es ist nicht nötig, dem modernen Leser zu erzählen, wie weit verbreitet die Nutzung von Elektrizität in unserem Leben ist und welchen enormen Einfluss elektrische Energie auf die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft hatte. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Prinzipien der Gewinnung elektrischer Energie mit mechanischen Geräten und deren Umwandlung in mechanische Energie wurden erforscht, lange bevor die Menschen anfingen, über die praktische Nutzung von Elektrizität nachzudenken. Es wird gesagt, dass eines Tages ein Besucher des Labors Faraday fragte, welchen Nutzen die Induktion eines elektrischen Stroms in Leitern haben könnte, worauf der Wissenschaftler antwortete: „Welchen Nutzen kann ein neugeborenes Baby haben? Er wird aufwachsen und erwachsen werden.“ Später besuchte Gladstone, der damalige britische Schatzkanzler, Faradays Labor und stellte die gleiche Frage, worauf Faraday antwortete: "Bald, Sir, werden Sie dies besteuern."

Faraday führte ein weiteres wichtiges Experiment durch, das unser Verständnis elektromagnetischer Phänomene erweiterte. Er legte zwei Leiterwindungen nahe beieinander (Abb. 29). Faradays Idee war folgende. Wenn auf der linken Kurve CD den Strom passieren, dann muss er ein Magnetfeld erzeugen (seine Richtung ist in der Abbildung durch ovale Linien dargestellt), das die zweite Windung durchdringt EF. Aber Faraday brauchte ein magnetisches Wechselfeld, damit die Enden EIN und B Er schloss die erste Windung an eine Wechselstromquelle an. Wie Oersted zu seiner Zeit zeigte, fließt ein Wechselstrom durch eine Spule CD muss um ihn herum ein magnetisches Wechselfeld erzeugen. Je größer der Strom ist, desto größer ist die Stärke des Magnetfelds um die Spule herum CD. Je niedriger der Strom, desto schwächer das Magnetfeld, das er erzeugt. Da die Spule EF befindet sich neben der Schleife CD, das durch den Strom in der Spule erzeugte Magnetfeld CD, erfasst und Spule EF.

So erhielt Faraday ein magnetisches Wechselfeld, das den Leiter durchdrang - eine Spule EF. Aber wenn ein magnetisches Wechselfeld durch einen Leiter geht, dann induziert es darin eine EMK; also in der Schleife EF ein magnetisches Wechselfeld sollte eine EMK induzieren. und (wenn die Spule geschlossen ist) einen elektrischen Strom erzeugen. Hinzu kommt, dass bei Faradays Experiment das Magnetfeld nicht nur durch die Spule geht EF, variiert aber auch in der Größe, wobei die Stärke des Induktionsstroms in der Spule dann zunimmt und dann abnimmt EF auch zu- und abnimmt. Daher der Strom in der Spule EF muss variabel sein. Faraday nahm an, dass der induktive Strom in einer Spule fließen würde EF solange in der ersten Windung (CD) ein Wechselstrom fließt, und hoffte auf diese Weise den induktiven Strom im Detail untersuchen zu können.

Faraday entdeckte das in einer Spule EF Es gibt tatsächlich einen Wechselstrom. Darüber hinaus stimmte die Frequenz des Induktionsstroms erwartungsgemäß genau mit der Frequenz der an die Enden angelegten Spannung überein. ABER und BEI erste Runde. Offensichtlich war es das praktischer Nutzen Faradays Entdeckungen: die Übertragung von elektrischem Strom von einer Windung zur anderen, obwohl die zweite nicht mit der ersten verbunden ist. Auf diesem Prinzip basiert der Betrieb moderner Transformatoren. Auf technische Details gehen wir aber nicht ein, denn das würde uns zu weit vom eigentlichen Thema unserer Geschichte abbringen.

Nach der Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion durch Faraday, die als neue Bestätigung der untrennbaren Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus diente, erzielte die Wissenschaft des Elektromagnetismus (wie man die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu nennen begann) bedeutende Erfolge. Aber als das Bild der elektromagnetischen Phänomene komplexer wurde, hatte Faraday immer mehr Schwierigkeiten, sie zu interpretieren. Solange es sich um einfache elektrische und magnetische Felder handelte, war es nicht schwierig, sich ein klares physikalisches Bild zu machen und durch Messungen oder durch einfache Schlussfolgerungen die entsprechenden mathematischen Beziehungen zu erhalten. Aber bereits in der Untersuchung der elektromagnetischen Induktion ist die Definition von EMK. und die Strömung in der zweiten Kurve (wenn die Strömung in der ersten bekannt ist) erwies sich als sehr schwierige Aufgabe. Zunächst musste die Größe des durch den Strom in der ersten Windung erzeugten Magnetfelds und dann die in der zweiten Windung induzierte Spannung und der induzierte Strom berechnet werden. Faraday ist sich außerdem bewusst, dass der von ihm entdeckte physikalische Prozess beträchtlichen praktischen Nutzen verspricht, und möchte wissen, wie er seine Effizienz steigern kann. Wie erhöht man den Strom in der zweiten Windung: Erhöhen Sie den Strom in der ersten Windung, verlängern Sie die erste Windung oder machen Sie sie breiter? Wie ordnet man die Windungen am besten zueinander an?

Faraday kam zu dem Schluss, dass die magnetische Wirkung der Elektrizität von den Teilchen des Mediums übertragen wird, das an den elektrifizierten Körper angrenzt, und nannte dieses Medium ein Dielektrikum. Die magnetische Beeinflussung in einer solchen Umgebung erfolgt laut Faraday über magnetische Kraftlinien, die unsichtbar sind, obwohl Faraday von ihrer Realität überzeugt war.

Faraday gab zu, dass die Argumentation über magnetische Kraftlinien etwas fehlerhaft war und einer Klärung bedurfte, aber die Klarheit dieses Konzepts machte es sowohl für den Experimentator als auch für den Mathematiker nützlich. Faraday glaubte, dass eine solche Argumentation der physikalischen Wahrheit näher komme, und suchte hartnäckig nach einer physikalischen Erklärung für das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Es war Faraday, der vermutete, dass magnetische Feldlinien von einem stromdurchflossenen Leiter oder einem Magnetpol in alle Richtungen divergieren, und zitierte experimentelle Tatsachen, die die Existenz magnetischer Feldlinien bestätigten: Wenn zum Beispiel Eisenspäne um einen Magneten gegossen werden, bilden sie sich spontan aus entlang der Feldlinien nach oben.

Obwohl Faraday sich der Möglichkeiten der Mathematik bewusst war, blieben das Experiment und das physikalische Verständnis des Beobachteten sein Element. Aber das physikalische Denken erlaubte nicht, in die Essenz komplexer elektromagnetischer Phänomene einzudringen. Man kann sich den Flug einer Kanonenkugel, den Zielwinkel und die Schussweite leicht vorstellen. Aber elektrische und magnetische Felder sind unsichtbar, daher ist es nicht so einfach, ihre Konfiguration herauszufinden. Obwohl visuelle physische Bilder Faraday in der Vergangenheit mehr als einmal zum Erfolg geführt hatten, erkannte er nun, dass es gerade die Grenzen des physischen Denkens waren, die ihn daran hinderten, voranzukommen. Faraday hatte in seiner Forschung ein Stadium erreicht, in dem die Physik zu schwierig wurde und die Hilfe der Mathematik erforderlich war.

Glücklicherweise der herausragende theoretische Physiker des XIX Jahrhunderts. James Clerk Maxwell (1831-1879) bereitete sich sorgfältig darauf vor, das Feld zu betreten Mathematische Physik. Schon in seiner Jugend zeigte sich Maxwell vielversprechend. Die von ihm im Alter von 15 Jahren verfasste Arbeit über den Bau einiger Kurven mit Hilfe mechanischer Geräte wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Royal Society of Edinburgh. Während seines Studiums an den Universitäten von Edinburgh und Cambridge wurden seine brillanten Fähigkeiten und sein originelles Denken sowohl von Professoren als auch von Kommilitonen bemerkt. 1856 wurde Maxwell Professor für Physik am Marishall College in Aberdeen. Einige Jahre später wechselte er an das King's College London und 1871 an die Cambridge University.

Wie alle wahren Wissenschaftler wurde Maxwell von den schwierigsten Aufgaben angezogen, vor denen die Wissenschaft seiner Zeit stand. Er schlug eine der Möglichkeiten vor, ein Farbfoto zu bekommen; sein Name wird auch unter den Schöpfern der kinetischen Gastheorie aufgeführt. Den größten Ruhm erlangte er jedoch als Verfasser der Theorie des elektromagnetischen Feldes, und gerade diese Arbeiten von ihm interessieren uns. Maxwell machte sich daran, alle bekannten elektrischen und magnetischen Phänomene im Rahmen einer einheitlichen Theorie abzudecken. Er begann auf dem Gebiet der elektromagnetischen Feldtheorie zu arbeiten, nachdem er sich mit Faradays experimentellen Untersuchungen vertraut gemacht hatte. 1855, im Alter von 23 Jahren. Maxwell veröffentlichte seine erste Arbeit über die Theorie elektromagnetischer Felder mit dem Titel "On Faraday's Lines of Force". Sowohl in dieser als auch in späteren Arbeiten setzte sich Maxwell zum Ziel, Faradays physikalische Forschung in die Sprache mathematischer Formeln zu übersetzen.

In den frühen 50er Jahren des 19. Jahrhunderts. Maxwell war sehr stark von den Arbeiten von William Thomson (Lord Kelvin; 1824-1907) beeinflusst, Thomson bevorzugte eine mechanische Erklärung elektrischer und magnetischer Phänomene und verwendete diese auf Flüssigkeitsströmungen, Wärme- und Elastizitätsströmungen. Thomson erweiterte auch mechanische Analogien zum Äther und betrachtete ihn als ein Medium, in dem die Wechselwirkung benachbarter Teilchen stattfindet (eine solche Interpretation des Äthers wurde etwas früher von den Mathematikern Cauchy, Poisson und Navier vorgeschlagen), d.h. Es gibt Kräfte mit kurzer und nicht mit großer Reichweite. Auch Maxwell versuchte, eine mechanische Erklärung für die Wirkung des Äthers zu geben, was ihm aber, wie Thomson, nicht gelang. Trotzdem führte Thomson im Gegensatz zur Fernwirkung das Konzept ein, das heute allgemein als Feld bezeichnet wird, und Maxwell akzeptierte die neue Idee. Thomson unternahm auch die ersten Schritte zur Schaffung einer mathematischen Theorie der Wellenausbreitung, und Maxwell verwendete einige davon seine Ergebnisse.

Unter Verwendung des Konzepts des Äthers als eines elastischen Mediums warf Maxwell 1861 einen neuen Blick auf das ungelöste Problem der elektromagnetischen Induktion. Aus Faradays Arbeit über die Übertragung von elektrischem Strom von einer Windung eines Leiters zur anderen war klar, dass sich ein Magnetfeld über eine Entfernung ausbreiten kann. Maxwell kam zu dem Schluss, dass ein elektrischer Wechselstrom auch in der Lage ist, den die Spule umgebenden Raum mit Strom zu durchdringen. Ein solcher Strom, den Maxwell als Verschiebungsstrom bezeichnete, ermöglichte es, einige der Effekte zu erklären, die in großer Entfernung von den "echten" physikalischen Strömen beobachtet wurden, die durch den Leiter fließen. In seiner Arbeit erwähnte Maxwell zuerst den Ruhestrom, aber es gab immer noch weder Klarheit noch Vollständigkeit des Bildes.

Um seine Interpretation der Verschiebungsströme zu untermauern und ihr eine gewisse Vollständigkeit zu verleihen, analysierte Maxwell das Verhalten eines Kondensators in einem Stromkreis. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei parallelen Platten, die durch eine Isolierschicht wie Luft oder sogar Vakuum getrennt sind. Durch den Kondensator fließt Wechselstrom. Maxwell glaubte, dass der Äther den Verschiebungsstrom von einer Kondensatorplatte zur anderen überträgt.

1865 veröffentlichte Maxwell sein wegweisendes Werk The Dynamic Theory of the Electromagnetic Field, in dem er physikalische Modelle aufgab und korrekte mathematische Gleichungen lieferte. Die Maxwell-Gleichungen enthielten einen neuen Term, der physikalisch dem Vorspannungsstrom entsprach. Die mathematische Formulierung des neuen Konzepts überzeugte Maxwell davon, dass sich Verschiebungsströme über große Entfernungen ausbreiten können.

Die Natur von Bias-Strömen erfordert einige zusätzliche Erläuterungen. Nach Faraday glaubte Maxwell, dass elektrische und magnetische Felder im Weltraum um Magnete und stromführende Leiter herum existieren. Das Ampèresche Gesetz bezieht sich auf den Strom, der durch einen Leiter fließt. Aber wenn der Strom alternierend ist (zum Beispiel ändert er sich mit der Zeit proportional zur Sünde t), dann verschieben sich die Elektronen im Leiter schnell in die eine oder andere Richtung. Das elektrische Feld, das sie erregen, schwingt ebenfalls hin und her, und an jedem Punkt im Raum außerhalb des Leiters ändert sich die Feldstärke mit der Zeit. Wir können also davon ausgehen, dass der Wechselstrom im Leiter gleichsam von einem elektrischen Wechselfeld im Raum um den Leiter begleitet wird. Maxwell hielt ein solches elektrisches Wechselfeld für real und stellte fest, dass es in seinen mathematischen Eigenschaften dem Strom ähnelt, obwohl es (mit Ausnahme des Leiters, der das Feld erzeugt) nicht auf die Bewegung von Elektronen reduziert wird. Damit begründete Maxwell die Angemessenheit des Namens, den er für ein solches elektrisches Wechselfeld vorschlug - Verschiebungsstrom, weil die Wirkung in einer Verschiebung oder Oszillation des elektrischen Feldes besteht. Maxwell formulierte diese Schlussfolgerung in seiner Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus (1873) wie folgt:

Eines der Hauptmerkmale dieser Abhandlung ist die Übernahme des Konzepts, dass der wahre elektrische Strom – der Strom, von dem elektromagnetische Phänomene abhängen – nicht mit dem Leitungsstrom (der in einem Leiter fließt) identifiziert werden kann, sondern dass dies berücksichtigt werden muss bei der Berechnung der allgemeinen Bewegung der Elektrizität die Änderung der elektrischen Verschiebungszeit.

Maxwell begann, die mathematischen Konsequenzen der Existenz des Verschiebungsstroms methodisch zu "extrahieren". Laut Oersted erzeugt Strom in einem Leiter ein Magnetfeld. Da nun aber der Verschiebungsstrom zum Leitungsstrom addiert wurde, kam Maxwell zu dem Schluss, dass der Verschiebungsstrom auch ein Magnetfeld erzeugt und einen Teil des Feldes bildet, das zuvor nur dem Leitungsstrom zugeschrieben wurde. Mit anderen Worten, das Magnetfeld, das den Leiter umgibt, ist sowohl auf den Leitungsstrom als auch auf den Verschiebungsstrom zurückzuführen.

Zusammenfassend können wir sagen, dass Maxwells erster mutiger Schritt darin bestand, einen Verschiebungsstrom einzuführen und zu behaupten, dass dieser Strom, der im Raum und nicht in einem Leiter existiert, auch ein Magnetfeld erzeugt. Maxwell überarbeitete das Ampère-Gesetz und versuchte, die Beziehung zwischen dem Gesamtstrom (zusammengesetzt aus dem Leitungsstrom und dem Verschiebungsstrom) und dem um den Leiter herum erzeugten Magnetfeld herzustellen. Daher ist Maxwells wichtigste Schlussfolgerung die folgende: Jedes elektrische Wechselfeld, das entweder durch einen Leitungsstrom oder einen Verschiebungsstrom erzeugt wird, erzeugt ein Magnetfeld. Erinnern wir uns nun an das Faradaysche Induktionsgesetz, das in Maxwells Formulierung besagt, dass ein magnetisches Wechselfeld ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, wird deutlich, dass Maxwell dem Faradayschen Gesetz einen doppelten Klang gegeben hat.

Nun ist es für uns unschwer zu verstehen, zu welchem ​​Schluß Maxwell auf rein mathematischem Wege gelangt ist. Sinusförmige Stromwellen in einer Schleife CD(siehe Abb. 29), erzeugen im umgebenden Raum ein elektrisches Wechselfeld, das ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Aber wie wir wissen, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld ein elektrisches Wechselfeld, und dieses wiederum erzeugt ein magnetisches Wechselfeld und so weiter. Wie verhalten sich diese Felder unter konstantem "Druck" von der Seite des im Leiter fließenden Stroms? CD? Die Antwort liegt fast auf der Hand. Sie breiten sich im Weltraum aus und erreichen Punkte, die sehr weit von der Spule entfernt sind. CD. Diese Felder sind in der Lage zu erreichen und zu drehen EF gelegen weg von der CD-Schleife. In einer Spule entsteht ein elektrisches Wechselfeld EF Strom, der wie jeder Strom für jeden Zweck verwendet werden kann. So stellte Maxwell fest, dass das elektromagnetische Feld, d.h. Kombination aus elektrischen und magnetischen Wechselfeldern, breitet sich im Raum aus. Anscheinend vermutete Faraday etwas Ähnliches, als er versuchte herauszufinden, was passieren würde, wenn die Spule EF leicht von der Spule wegbewegen CD. Aber was Faraday nur auf der Grundlage physikalischer Intuition vermutete, den Mechanismus des Phänomens nicht verstand und die Existenz von Verschiebungsströmen nicht erkannte, stellte Maxwell auf einer soliden mathematischen Grundlage fest.

Jede Welle ist durch eine Wellenlänge und Frequenz (Anzahl der Zyklen pro Sekunde) gekennzeichnet. Die Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung wird (wenn auch nicht direkt sichtbar) durch die Größe der Spule (Schwingkreis) bestimmt. Damit eine Schleife (oder jeder andere Leiter, der zur Übertragung elektromagnetischer Wellen im Weltraum verwendet wird) eine angemessene Größe hat, muss die Wellenlänge ausreichend klein sein.

Schauen wir uns nun die Haupteigenschaften von Wellen genauer an - Wellenlänge und Frequenz. Betrachten Sie die Sinuswelle in Abb. 30. Ein vollständiger Zyklus entspricht einem Segment einer Sinuskurve 0 Vor EIN. Dieser Zyklus wiederholt sich viele Male innerhalb einer Sekunde, und die Anzahl solcher Zyklen in einer Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Wellenlänge λ (Lambda) ist der Abstand von P Vor Q. Die Strecke, die eine Welle in einer Sekunde zurücklegt, ist gleich dem Produkt aus Wellenlänge und Frequenz:

λf = c .

wo c ist die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung.

Elektromagnetische Wellen sind etwas komplizierter. Es breitet sich, nach einem Sinusgesetz verändernd, nicht nur das elektrische, sondern auch das magnetische Feld aus. Außerdem stehen die Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder senkrecht zueinander und beide senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Wellen. Auf Abb. 31 zeigt, dass die Vektoren der elektrischen E und magnetisch H Felder oszillieren in zwei zueinander senkrechten Ebenen.

Maxwells erste und größte Entdeckung war also, dass sich elektromagnetische Wellen Tausende von Kilometern von der Quelle entfernt ausbreiten können und dass sie, wenn wir das geeignete Instrument hätten, weit genug von der Quelle entfernt detektiert werden könnten. Maxwell besitzt auch die zweite sensationelle Entdeckung in Sachen Licht. Licht als Phänomen interessierte die alten Griechen, und zahlreiche Experimente, die im Laufe der Jahrhunderte durchgeführt wurden, führten schließlich zu zwei "konkurrierenden" Theorien über die Natur des Lichts. Einer von ihnen behauptete, dass Licht aus winzigen unsichtbaren Teilchen besteht, die sich entlang geradliniger Strahlen bewegen. Nach einer anderen Theorie ist Licht Wellen. Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht, wie sich diese Wellen bilden und ausbreiten. Beide Theorien erklärten mehr oder weniger zufriedenstellend die Wirkungen von Reflexion und Brechung von Licht, d.h. Änderungen der Lichtausbreitungsrichtung beim Übergang von einem Medium zum anderen, beispielsweise von Luft zu Wasser. Aber wenn wir über die Beugung von Licht sprechen (Lichtbeugung um Hindernisse herum, sagen wir eine undurchsichtige Scheibe), dann lieferte hier die Wellentheorie eine vernünftigere Erklärung. Nach dieser Theorie verhält sich Licht wie Wellen auf dem Wasser, die den Schiffsrumpf umlaufen und hinter dem Heck zusammenlaufen. BEI frühes XIX in. Überzeugende Argumente für die Wellentheorie des Lichts lieferten Thomas Young (1773-1829) und Augustin Fresnel (1788-1827). Allerdings sagten weder der eine noch der andere etwas über das Medium, in dem sich Licht ausbreitet.

10) Eigenschaften des Kettenabschnitts:

Stromstärke - , gemessen mit einem Amperemeter;

Stromspannung - , gemessen mit einem Voltmeter;

Widerstand - , gemessen mit einem Ohmmeter.

11) Ohmsches Gesetz für einen Kettenabschnitt:.

12) Zwei Arten von Leiteranschlüssen:

Seriell (siehe Abb. 4)

Reis. 4. Reihenschaltung von Leitern

Parallel (siehe Abb. 5)

Reis. 5. Parallelschaltung von Leitern

13) Laufende Arbeiten: .

14) Aktuelle Leistung: .

15) Die Wärmemenge, die freigesetzt wird, wenn Strom durch den Leiter fließt:.

16) Elektrischer Strom in verschiedenen Umgebungen:

In Metallen gibt es eine gerichtete Bewegung freier Elektronen;

In Flüssigkeiten entstehen infolge der gerichteten Bewegung freie Ionen elektrolytische Dissoziation. Gesetz der Elektrolyse:

In Gasen - die gerichtete Bewegung von freien Ionen und darin gebildeten Elektronen

Ergebnis Ionisation;

- in Halbleitern - gerichtete Bewegung freier Elektronen und Löcher;

17) Magnete:

Elektromagnete;

Dauerhaft:

natürlich;

künstlich.

18) Um jedes geladene Teilchen herum, und daher um einen Leiter mit Strom, gibt es ein Magnetfeld.

19) Ein Magnetfeld- eine spezielle Form von Materie, die um sich bewegende geladene Teilchen oder Körper herum existiert und mit einer gewissen Kraft auf andere geladene Teilchen oder Körper einwirkt, die sich in diesem Feld bewegen.

20) Magnetfeldlinien- bedingte Linien, entlang derer die Achsen kleiner Magnetpfeile in ein Magnetfeld gesetzt werden:

Die Richtung der magnetischen Feldlinien stimmt mit der Richtung überein, die der Nordpol der Magnetnadel anzeigt (siehe Abb. 6);

Die Richtung der magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters lässt sich mit bestimmen Regeln der rechten Hand oder Gimlet-Regeln(siehe Abb. 7);

Magnetische Linien verlassen den Nordpol und treten in den Südpol ein;

Magnetfeldlinien sind immer geschlossen.

21) Ein stromdurchflossener Leiter wirkt in einem Magnetfeld Ampere Leistung. Seine Richtung ist bestimmt Regel der linken Hand(siehe Abb. 8).

Reis. 7. Regel für die rechte Hand und Gimlet-Regel

Reis. 8. Regel der linken Hand

22) Phänomen Elektromagnetische Induktion- das Phänomen der räumlichen Erzeugung eines elektrischen Feldes durch ein magnetisches Wechselfeld.

In dieser Lektion erinnerten wir uns an verschiedene Fakten über elektromagnetische Phänomene, die wir zuvor untersucht hatten, und diskutierten auch das allgemeine elektromagnetische Bild der Welt.

Zum ersten Mal außerhalb des Labors wurde 1845 an der Pariser Nationaloper ein Lichtbogen verwendet, um die Wirkung der aufgehenden Sonne zu reproduzieren.

In Thailand gab es Probleme beim Bau von Stromleitungen. Die erste betraf die Tatsache, dass Affen, die Elektriker imitieren, auf die Drähte entlang der Stangen klettern und sie verwirren und einen Kurzschluss erzeugen. Die Elefanten stellten ein zweites Problem dar, als sie die Stützen aus dem Boden rissen.

Das Magnetfeld der Erde ändert periodisch seine Polarität, was sowohl zu säkularen Schwankungen führt, die 5-10.000 Jahre dauern, als auch zu einer vollständigen Neuorientierung (die Magnetpole wechseln ihre Plätze) 2-3 Mal während einer Million Jahre. Dies wird durch das "eingefrorene" Magnetfeld in Sediment- und Vulkangesteinen ferner Epochen belegt. Das Erdmagnetfeld der Erde verändert sich jedoch nicht chaotisch, sondern gehorcht einem bestimmten Zeitplan.

In alten Archiven sind Aufzeichnungen erhalten, die belegen, dass Kaiser Nero, der an Rheuma litt, mit elektrischen Bädern behandelt wurde. Dazu wurden elektrische Schlittschuhe in eine Holzwanne mit Wasser gestellt. In einem solchen Bad war der Kaiser elektrischen Entladungen und Feldern ausgesetzt.

Im letzten Jahrhundert wurde in der Schweiz der elektrische Babysitter erfunden. Der Erfinder schlug vor, zwei isolierte Metallnetze unter Babywindeln anzubringen, getrennt durch eine trockene Unterlage. Diese Gitter wurden an eine Niederspannungsstromquelle sowie an eine elektrische Klingel angeschlossen. Wenn die Binde nass wird, schließt sich der Stromkreis und die Glocke fordert die Mutter auf, die Windel zu wechseln.

In den Regionen Russlands, in denen im Winter starke Fröste herrschen, tritt das Problem auf, Ölprodukte aus Eisenbahntanks abzulassen, da die Viskosität von Ölprodukten bei niedrigen Temperaturen zu hoch ist. Wissenschaftler aus fernöstlichen Instituten haben eine Technologie zur elektrischen Induktionsheizung von Tanks entwickelt (siehe Abb. 9), die die Energiekosten erheblich senken kann, da etwa 15 Tonnen Kraftstoff benötigt werden, um Tanks mit Dampf zu beheizen.

Reis. 9. Elektrische Induktionsheizung von Tanks

Zum Notfälle Beim Einfrieren von Heizungs- und Wasserversorgungssystemen wurde ein handgeführtes elektrisches Induktionswerkzeug entwickelt, das für eine schnelle Erwärmung von Rohrleitungen und eine hohe Arbeitssicherheit sorgt.

Selbst auf verbrauchten Patronenhülsen und Patronen finden sich Fingerabdrücke der Person, die sie in die Waffe gesteckt hat. Diese Abdrücke können durch die von Spezialisten des Saratov Law Institute entwickelte Methode identifiziert werden. Indem eine Hülse oder Kartusche als Elektrode in ein elektrisches Feld gebracht wird, wird darauf im Vakuum ein dünner Metallfilm abgeschieden, auf dem identifizierbare Abdrücke sichtbar werden.

Aufgabe 1

Welche der Abbildungen zeigt die Pole der Magnete richtig (siehe Abb. 10)?

Reis. 10. Illustration für das Problem

Lösung

Magnetlinien für einen Permanentmagneten sind Linien, die am magnetischen Nordpol beginnen und im Süden außerhalb des Magneten selbst enden. Im Inneren des Magneten sind diese Linien geschlossen, aber bereits vom Südpol zum Nordmagnetpol gerichtet.

In der ersten Abbildung sind die Pole falsch dargestellt, da die magnetischen Linien vom Südpol nach Norden gerichtet sind.

In der zweiten Abbildung sind die Pole falsch dargestellt, da die magnetischen Linien vom Südpol nach Norden gerichtet sind.

In der dritten Abbildung sind die Pole richtig dargestellt, da die Magnetlinien vom Nordpol nach Süden gerichtet sind.

In der vierten Abbildung waren aller Wahrscheinlichkeit nach zwei identische Pole gemeint.

Antwort: In der dritten Abbildung sind die Pole richtig dargestellt.

Versuchen Sie, diese Frage selbst zu beantworten: An welchem ​​dieser Punkte wirkt der Magnet am stärksten und an welchem ​​- am kleinsten (siehe Abb. 11)?

Reis. 11. Illustration für das Problem

Sie können dieses Problem lösen, indem Sie sich daran erinnern, wie Magnetlinien in der Nähe eines Permanentmagneten im Raum verteilt sind.

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Hausaufgaben

  1. Was bestätigt die Existenz des Erdmagnetfeldes?
  2. Definiere Magnetlinien. Was sind Gleichstrom-Magnetlinien, Spulen mit Strom?
  3. Was gab der Wissenschaft die Schaffung eines elektromagnetischen Bildes der Welt?
  4. Ampereleistung. Regel der linken Hand.
  5. An einen Eisenleiter von 10 m Länge und 2 mm 2 Querschnitt wird eine Spannung von 12 mV angelegt. Wie groß ist der Strom, der durch den Leiter fließt?
  6. Elektrische Lampen mit einem Widerstand von 200 Ohm und 400 Ohm werden parallel geschaltet und an eine Stromquelle angeschlossen. Wie hängen die Wärmemengen zusammen? Q 1 und Q 2 gleichzeitig von den Lampen ausgestrahlt?

In dieser Lektion mit dem Thema "Elektromagnetisches Feld" werden wir das Konzept des "elektromagnetischen Feldes", die Merkmale seiner Manifestation und die Parameter dieses Feldes besprechen.

Wir reden weiter Handy. Wie wird das Signal übertragen? Wie wird ein Signal von einer zum Mars geflogenen Raumstation übertragen? Im Nichts? Ja, es mag keine Substanz geben, aber das ist auch keine Leere, es gibt etwas anderes, durch das das Signal übertragen wird. Dieses Etwas wird elektromagnetisches Feld genannt. Dies ist nicht direkt beobachtbar, sondern ein reales Objekt der Natur.

Wenn das Schallsignal eine Änderung der Parameter einer Substanz ist, z. B. Luft (Abb. 1), dann ist das Funksignal eine Änderung der Parameter des EM-Felds.

Reis. 1. Verteilung Schallwelle in der Luft

Die Wörter "elektrisch" und "magnetisch" sind uns klar, wir haben bereits elektrische Phänomene (Abb. 2) und magnetische Phänomene (Abb. 3) getrennt untersucht, aber warum sprechen wir dann über ein elektromagnetisches Feld? Heute werden wir es herausfinden.

Reis. 2. Elektrisches Feld

Reis. 3. Magnetfeld

Beispiele für elektromagnetische Phänomene.

In der Mikrowelle entstehen starke und vor allem sehr schnell wechselnde elektromagnetische Felder, die auf eine elektrische Ladung einwirken. Und wie wir wissen, enthalten Atome und Moleküle von Substanzen eine elektrische Ladung (Abb. 4). Dort wirkt das elektromagnetische Feld und zwingt die Moleküle zu einer schnelleren Bewegung (Abb. 5) – die Temperatur steigt und die Speisen werden heißer. Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen, sichtbares Licht haben die gleiche Natur.

Reis. 4. Das Wassermolekül ist ein Dipol

Reis. 5. Die Bewegung von Molekülen mit einer elektrischen Ladung

In der Mikrowelle überträgt das elektromagnetische Feld Energie auf die Substanz, die zum Erhitzen verwendet wird, sichtbares Licht überträgt Energie auf die Augenrezeptoren, die zur Aktivierung des Rezeptors verwendet wird (Abb. 6), die Energie der ultravioletten Strahlen wird zur Bildung verwendet Melanin in der Haut (Sonnenbrand, Abb. 7), und Röntgenenergie lässt den Film schwärzen, auf dem Sie ein Bild Ihres Skeletts sehen können (Abb. 8). Das elektromagnetische Feld hat in all diesen Fällen unterschiedliche Parameter und wirkt daher unterschiedlich.

Reis. 6. Bedingtes Schema der Aktivierung des Augenrezeptors durch die Energie des sichtbaren Lichts

Reis. 7. Hautbräune

Reis. 8. Schwärzung des Films unter Röntgenstrahlen

Wir begegnen dem elektromagnetischen Feld also viel öfter als es scheint und sind längst an die damit verbundenen Phänomene gewöhnt.

Wir wissen also, dass um elektrische Ladungen herum ein elektrisches Feld entsteht (Abb. 9). Hier ist alles klar.

Reis. 9. Elektrisches Feld um eine elektrische Ladung

Wenn sich eine elektrische Ladung bewegt, entsteht um sie herum, wie wir untersucht haben, ein Magnetfeld (Abb. 10). Hier stellt sich schon die Frage: Eine elektrische Ladung bewegt sich, um sie herum ist ein elektrisches Feld, was hat das Magnetfeld damit zu tun? Noch eine Frage: Wir sagen "die Ladung bewegt sich". Aber schließlich ist Bewegung relativ, und sie kann sich in einem Bezugssystem bewegen und in einem anderen ruhen (Abb. 11). In einem Bezugssystem existiert also das Magnetfeld, in dem anderen nicht? Aber je nach Wahl des Bezugssystems soll das Feld nicht existieren oder nicht existieren.

Reis. 10. Magnetfeld um eine bewegte elektrische Ladung

Reis. 11. Relativität der Ladungsbewegung

Tatsache ist, dass es ein einziges elektromagnetisches Feld gibt und es eine einzige Quelle hat - eine elektrische Ladung. Es hat zwei Komponenten. Elektrische und magnetische Felder sind getrennte Erscheinungsformen, getrennte Komponenten eines einzigen elektromagnetischen Feldes, die sich in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedlich manifestieren (Abb. 12).

Reis. 12. Manifestationen des elektromagnetischen Feldes

Sie können einen Bezugsrahmen wählen, in dem nur das elektrische Feld oder nur das magnetische Feld oder beides gleichzeitig erscheint. Man kann jedoch keinen Bezugsrahmen wählen, in dem sowohl die elektrische als auch die magnetische Komponente Null sind, das heißt, in dem das elektromagnetische Feld aufhört zu existieren.

Je nach Bezugssystem sehen wir entweder die eine oder die andere Komponente des Feldes oder beide. Es ist wie die Bewegung eines Körpers in einem Kreis: Wenn Sie einen solchen Körper von oben betrachten, sehen wir eine Bewegung in einem Kreis (Abb. 13), wenn wir von der Seite Schwingungen entlang des Segments sehen (Abb. 14). In jeder Projektion auf die Koordinatenachse sind Kreisbewegungen Schwingungen.

Reis. 13. Bewegung des Körpers im Kreis

Reis. 14. Schwingungen eines Körpers entlang eines Segments

Reis. 15. Projektion von Kreisbewegungen auf die Koordinatenachse

Eine andere Analogie ist die Projektion einer Pyramide auf eine Ebene. Es kann in ein Dreieck oder ein Quadrat projiziert werden. Im Flugzeug sind das ganz andere Figuren, aber das alles ist eine Pyramide, die von verschiedenen Seiten betrachtet wird. Aber es gibt keinen solchen Winkel, aus dem die Pyramide vollständig verschwindet. Es sieht nur eher wie ein Quadrat oder ein Dreieck aus (Abbildung 16).

Reis. 16. Projektionen der Pyramide auf die Ebene

Stellen Sie sich einen stromführenden Leiter vor. Darin werden negative Ladungen durch positive kompensiert, das elektrische Feld um sie herum ist Null (Abb. 17). Das Magnetfeld ist ungleich Null (Abb. 18), wir haben das Auftreten eines Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter betrachtet. Wir wählen ein Bezugssystem, in dem die Elektronen, die den elektrischen Strom bilden, bewegungslos sind. Aber in diesem Bezugsrahmen relativ zu den Elektronen bewegen sich die positiv geladenen Ionen des Leiters in die entgegengesetzte Richtung: Es entsteht immer noch ein Magnetfeld (Abb. 18).

Reis. 17. Leiter mit Strom, dessen elektrisches Feld Null ist

Reis. 18. Magnetfeld um einen Leiter mit Strom

Befänden sich die Elektronen im Vakuum, würde in diesem Bezugssystem um sie herum ein elektrisches Feld entstehen, weil sie nicht durch positive Ladungen kompensiert werden, aber es gäbe kein magnetisches Feld (Abb. 19).

Reis. 19. Elektrisches Feld um Elektronen im Vakuum

Betrachten wir ein weiteres Beispiel. Nimm einen Dauermagneten. Es hat ein magnetisches Feld um sich herum, aber kein elektrisches Feld. Denn das elektrische Feld von Protonen und Elektronen wird kompensiert (Abb. 20).

Reis. 20. Magnetfeld um einen Permanentmagneten

Nehmen wir einen Bezugsrahmen, in dem sich der Magnet bewegt. Um einen sich bewegenden Permanentmagneten herum erscheint ein elektrisches Wirbelfeld (Abb. 21). Wie erkennt man es? Lassen Sie uns einen Metallring (im gegebenen Bezugssystem fixiert) in die Bahn des Magneten legen. Darin erscheint ein Strom - dies ist ein bekanntes Phänomen der elektromagnetischen Induktion: Wenn sich der Magnetfluss ändert, entsteht ein elektrisches Feld, das zur Bewegung von Ladungen und zum Auftreten eines Stroms führt (Abb. 22). In einem Bezugssystem gibt es kein elektrisches Feld, aber in einem anderen erscheint es.

Reis. 21. Elektrisches Wirbelfeld um einen sich bewegenden Permanentmagneten

Reis. 22. Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion

Magnetfeld eines Dauermagneten

In jeder Substanz kann man sich die Elektronen, die um den Kern kreisen, als einen kleinen elektrischen Strom vorstellen, der im Kreis fließt (Abb. 23). Das bedeutet, dass es um ihn herum ein Magnetfeld gibt. Wenn die Substanz nicht magnetisiert ist, sind die Rotationsebenen der Elektronen willkürlich gerichtet und die Magnetfelder einzelner Elektronen kompensieren sich, da sie willkürlich gerichtet sind.

Reis. 23. Darstellung der Rotation von Elektronen um den Kern

Bei magnetischen Stoffen sind gerade die Rotationsebenen der Elektronen annähernd gleich orientiert (Abb. 24). Daher addieren sich die Magnetfelder aller Elektronen, und auf der Skala des gesamten Magneten wird ein Magnetfeld ungleich Null erhalten.

Reis. 24. Rotation von Elektronen in magnetischen Substanzen

Um einen Permanentmagneten herum befindet sich ein Magnetfeld bzw. die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes (Abb. 25). Können wir einen solchen Bezugsrahmen finden, in dem die magnetische Komponente aufgehoben wird und der Magnet seine Eigenschaften verliert? Immer noch nein. Tatsächlich drehen sich die Elektronen in derselben Ebene (siehe Abb. 24), die Elektronengeschwindigkeiten sind jedoch zu keinem Zeitpunkt in die gleiche Richtung gerichtet (Abb. 26). Es ist also unmöglich, einen Bezugsrahmen zu finden, in dem sie alle einfrieren und das Magnetfeld verschwindet.

Reis. 25. Magnetfeld um einen Permanentmagneten

Somit sind elektrische und magnetische Felder unterschiedliche Manifestationen eines einzigen elektromagnetischen Feldes. Man kann nicht sagen, dass es an einem bestimmten Punkt im Raum nur ein magnetisches oder nur ein elektrisches Feld gibt. Es mag das eine oder andere geben. Es hängt alles von dem Bezugsrahmen ab, von dem aus wir diesen Punkt betrachten.

Warum haben wir bisher getrennt über elektrische und magnetische Felder gesprochen? Erstens ist es historisch passiert: Die Menschen kennen den Magneten seit langem, die Menschen haben lange beobachtet, wie Fell gegen Bern elektrifiziert wurde, und niemand ahnte, dass diese Phänomene die gleiche Natur haben. Und zweitens ist es ein praktisches Modell. Bei Problemen, bei denen uns die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Komponenten nicht interessiert, ist es zweckmäßig, sie getrennt zu betrachten. Zwei in einem bestimmten Bezugsrahmen ruhende Ladungen interagieren durch ein elektrisches Feld - wir wenden das Coulombsche Gesetz auf sie an, wir interessieren uns nicht dafür, dass sich dieselben Elektronen in einem bestimmten Bezugsrahmen bewegen und ein Magnetfeld erzeugen können, und wir erfolgreich Lösen Sie das Problem (Abb. 27) .

Reis. 27. Coulombsches Gesetz

Die Einwirkung eines Magnetfeldes auf eine bewegte Ladung wird in einem anderen Modell betrachtet, das im Rahmen seiner Anwendbarkeit auch zur Lösung einer Reihe von Problemen gut geeignet ist (Abb. 28).

Reis. 28. Regel der linken Hand

Versuchen wir zu verstehen, wie die Komponenten des elektromagnetischen Feldes miteinander verbunden sind.

Es sei darauf hingewiesen, dass die genaue Beziehung ziemlich kompliziert ist. Es wurde vom britischen Physiker James Maxwell entwickelt. Er leitete die berühmten 4 Maxwell-Gleichungen ab (Abb. 29), die an Universitäten studiert werden und Kenntnisse in höherer Mathematik erfordern. Natürlich werden wir sie nicht studieren, aber in mehreren einfache Worte Lassen Sie uns herausfinden, was sie bedeuten.

Reis. 29. Maxwellsche Gleichungen

Maxwell stützte sich auf die Arbeit eines anderen Physikers - Faraday (Abb. 30), der alle Phänomene einfach qualitativ beschrieb. Er fertigte Zeichnungen an (Abb. 31), Notizen, die Maxwell sehr halfen.

Reis. 31. Zeichnungen von Michael Faraday aus Electricity (1852)

Faraday entdeckte das Phänomen der elektromagnetischen Induktion (Abb. 32). Erinnern wir uns, was es ist. Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt im Leiter eine Induktions-EMK. Mit anderen Worten, ein magnetisches Wechselfeld (ja, in diesem Fall keine elektrische Ladung) erzeugt ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld ist ein Wirbel, dh seine Linien sind geschlossen (Abb. 33).

Reis. 32. Zeichnungen von Michael Faraday für das Experiment

Reis. 33. EMF-Induktion in einem Leiter

Außerdem wissen wir, dass ein Magnetfeld durch eine Bewegung erzeugt wird elektrische Ladung. Richtiger wäre es zu sagen, dass es durch ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird. Wenn sich eine Ladung bewegt, ändert sich das elektrische Feld an jedem Punkt, und diese Änderung erzeugt ein magnetisches Feld (Abb. 34).

Reis. 34. Die Entstehung eines Magnetfeldes

Sie können das Auftreten eines Magnetfelds zwischen den Kondensatorplatten bemerken. Beim Laden oder Entladen entsteht zwischen den Platten ein elektrisches Wechselfeld, das wiederum ein Magnetfeld erzeugt. In diesem Fall liegen die magnetischen Feldlinien in einer Ebene senkrecht zu den elektrischen Feldlinien (Abb. 35).

Reis. 35. Das Auftreten eines Magnetfelds zwischen den Platten des Kondensators

Und jetzt schauen wir uns die Maxwell-Gleichungen an (Abb. 29), unten zur Einarbeitung wird eine kleine Dekodierung von ihnen gegeben.

Das Symbol - Divergenz - ist ein mathematischer Operator, der die Komponente des Felds hervorhebt, die eine Quelle hat, dh die Feldlinien beginnen und enden an etwas. Schauen Sie sich die zweite Gleichung an: Diese Komponente des Magnetfelds ist Null: Die Linien des Magnetfelds beginnen oder enden an nichts, es gibt keine magnetische Ladung. Betrachten Sie die erste Gleichung: Diese Komponente des elektrischen Feldes ist proportional zur Ladungsdichte. Ein elektrisches Feld wird durch eine elektrische Ladung erzeugt.

Am interessantesten sind die folgenden zwei Gleichungen. Das Symbol – Rotor – ist ein mathematischer Operator, der die Wirbelkomponente des Felds hervorhebt. Die dritte Gleichung bedeutet, dass ein elektrisches Wirbelfeld durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt wird ( ist die Ableitung, was, wie Sie aus der Mathematik wissen, die Änderungsrate des Magnetfelds bedeutet). Das heißt, wir sprechen von elektromagnetischer Induktion.

Die vierte Gleichung zeigt, wenn man die Proportionalitätskoeffizienten nicht beachtet: Ein Wirbelmagnetfeld entsteht durch ein sich änderndes elektrisches Feld, und außerdem elektrischer Schock( - Stromdichte). Wir sprechen über das, was wir gut wissen: Ein Magnetfeld wird durch eine sich bewegende elektrische Ladung erzeugt und.

Wie Sie sehen, kann ein magnetisches Wechselfeld ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, ein elektrisches Wechselfeld wiederum ein magnetisches Wechselfeld und so weiter (Abb. 36).

Reis. 36. Ein magnetisches Wechselfeld kann ein elektrisches Wechselfeld erzeugen und umgekehrt

Dadurch kann sich im Weltraum eine elektromagnetische Welle bilden (Abb. 37). Diese Wellen haben unterschiedliche Erscheinungsformen - das sind Radiowellen und sichtbares Licht, Ultraviolett und so weiter. Darüber sprechen wir in den nächsten Lektionen.

Reis. 37. Elektromagnetische Welle

Referenzliste

  1. Kasjanow V.A. Physik. Klasse 11: Proc. für Allgemeinbildung Institutionen. - M.: Trappe, 2005.
  2. Myakishev G. Ya. Physik: Proc. für 11 Zellen. Allgemeinbildung Institutionen. -M.: Bildung, 2010.
  1. Internetportal "studopedia.su" ()
  2. Internetportal "worldofschool.ru" ()

Hausaufgaben

  1. Ist es möglich, ein magnetisches Feld im Bezugssystem zu erkennen, das mit einem der sich gleichmäßig bewegenden Elektronen in dem Strom verbunden ist, der in der Bildröhre des Fernsehers erzeugt wird?
  2. Welches Feld entsteht um ein Elektron, das sich in einem bestimmten Bezugssystem mit konstanter Geschwindigkeit bewegt?
  3. Welches Feld kann um einen unbeweglichen Bernstein gefunden werden, der mit statischer Elektrizität aufgeladen ist? Umziehen? Antworten begründen.