В чем измеряется электромагнитная сила

Понятие явления электромагнитной силы и условия возникновения

Электрический ток образует вокруг себя магнитное поле. Сила, с которой оно действует на провод, называется электромагнитной. Наибольшее значение величина электромагнитной силы приобретает, когда действует прямо перпендикулярно на движение заряженных частиц. Особенность электромагнитного поля в том, что оно стремится вытолкнуть проводник за свои границы.

Определение направления

Чтобы найти направление силы магнитного излучения, нужно воспользоваться правилом левой руки.

На изображении видно, что через ладонь проходит вектор — это направление тока. Вектор, который входит в ладонь — магнитная индукция. Отогнутый большой палец показывает, как движется электромагнитная сила. Её величину можно рассчитать с помощью закона Ампера по формуле:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Зная величину угла между проводом и вектором индукции, величину электромагнитной силы можно вычислить по формуле:

Примечание

B — магнитная индукция;

l — длина провода, расположенного в магнитном поле;

α — угол между вектором индукции и направлением тока.

Единицей измерения электромагнитной силы является ньютон.

Виды и применение

Действие электромагнитных сил можно наблюдать не только в искусственных условиях, но и в естественной среде, где происходит взаимодействие магнитного поля с заряженными частицами. Например, явление света и видимости существует благодаря возникновению и перемещению электромагнитных волн.

К электромагнитным силам можно также отнести:

1. Силу трения, возникающую из-за неровных поверхностей соприкасающихся тел. Эта сила всегда направлена противоположно движению.
2. Силу упругости, возникающую при упругой деформации в теле. Направлена против деформации.
3. Вес тела — электромагнитная сила, направленная на другие тела благодаря притяжению Земли.

Действие электромагнитной силы находит применение в различных устройствах: от бытовых электроприборов до двигателей ракетных установок. Обычно эти механизмы работают на основе электромагнитов, которые представляют собой катушку с ферромагнитным сердечником. По обмотке электромагнита протекает ток, создающий магнитное поле. В результате магнитные поля частиц сердечника образуют единое сильное поле.

В зависимости от того, какой ток проходит через катушку, различают электромагниты переменного тока, нейтральные и поляризованные магниты постоянного тока.

Электромагнитные силы в природе

Электромагнитные силы по частоте проявления в природе занимают первое место среди других явлений. На микроскопическом уровне они действуют в атомах, позволяя им объединяться в молекулы веществ в различных агрегатных состояниях. При расщеплении ядер атомов электромагнитные силы разгоняют осколки, что сопровождается высвобождением колоссальной энергии.

Широкое распространение электромагнитных сил обусловлено тем, что все вещества состоят из заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют друг с другом.

Примеры проявлений силы упругости, трения, натяжения, а так же притяжения мы постоянно наблюдаем в природе и используем в повседневном быту, производстве, научных экспериментах.

Условия возникновения электродвижущей силы индукции, как её рассчитать

Что такое ЭДС индукции — когда возникает, при каких условиях

Определение

Электродвижущая сила, ЭДС — физическая величина, описывающая работу любых сил, которые действуют в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока, за исключением диссипативных и электростатических сил.

При замкнутой цепи можно найти ЭДС, воспользовавшись законом Ома:

R здесь — сопротивление цепи, r — внутреннее сопротивление источника.
Создание Алессандро Вольтой надежного источника электричества, гальванического элемента, и открытие Хансом Кристианом Эрстедом магнитного действия электрического тока послужили толчком к интенсивному развитию техники электрических измерений в XIX веке.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Выдающаяся роль здесь принадлежит немецкому физику Георгу Симону Ому. Для определения силы тока он использовал принцип крутильных весов Кулона. На длинной тонкой нити подвешено горизонтальное коромысло с заряженным шариком на конце. Второй заряд закреплен на спице, пропущенной сквозь крышку весов.

При их взаимодействии коромысло поворачивается. Вращение головки в верхней части весов закручивало нить, возвращая коромысло в исходное состояние. По углу закручивания можно рассчитать силу взаимодействия зарядов в зависимости от расстояния между ними.

Ом по величине угла закрутки судил о силе тока I в проводнике, т. е. количестве электричества, перенесенном через поперечное сечение проводника за единицу времени.

В качестве основной характеристики источника тока Ом брал величину напряжения \varepsilon на электродах гальванического элемента при разомкнутой цепи. Эту величину \varepsilon он назвал электродвижущей силой, сокращенно ЭДС.

Движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Однако действующая в нем на магнит или другой ток сила отличается от электрической своим направлением — магнитная стрелка старается развернуться перпендикулярно проводу.

Изучение действующей на другой ток силы переросло в отдельное исследование с неожиданным результатом: сила оказалась направленной всегда перпендикулярно внесенному в магнитное поле проводнику, который для простоты исследования был прямолинейным.

Математическое выражение для этой силы, названной силой Ампера, проще всего записать в виде векторного произведения:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\) .

I здесь — сила тока, протекающего через проводник; l — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; В — характеристика поля. Величина В называется магнитной индукцией и является аналогом электрической напряженности.

Максвелл поставил целью создать теорию эфира, связав его механические характеристики с электрическими и магнитными силами. Тщательно изучив труды Фарадея, он пришел к выводу, что напряженность \(\overrightarrow Е\) электрического поля объясняется упругими напряжениями в эфире, а магнитная индукция \(\overrightarrow B\) — его вихревыми движениями.

Рассматривая замкнутый проводящий контур С, где действует ЭДС индукции \(\varepsilon_i\) , Максвелл для получения числа силовых линий магнитного потока \(\triangle Ф\) , пересекаемых контуром за время \triangle t, «натягивал» на него некую поверхность S, разбитую на элементарные площадки \(\triangle S\) , и отождествлял Ф с магнитным потоком сквозь всю поверхность. Математически это можно выразить так:

Объединив это соотношение с идеей Фарадея, Максвелл пришел к собственной формуле:

Выбор коэффициента пропорциональности \(\alpha\) здесь обусловлен необходимостью согласования формулы с законом Био — Савара — Лапласа, в котором появляется та же электродинамическая постоянная с.

Определение

Электродинамическая постоянная с — универсальная постоянная, равная скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.

Но в опытах Фарадея ЭДС индукции регистрировалась как в движущемся, так и в покоящемся проводящем контуре С, если последний находился в переменном магнитном поле. И здесь встал вопрос, что конкретно перемещает заряды в неподвижном проводнике.

Само по себе магнитное поле не воздействует на заряды, находящиеся в покое, из чего следует: условие возникновения индукционного тока — возникающее в контуре электрическое поле \overrightarrow Е. Так как электростатическое поле в замкнутом контуре не совершает работы, значит, происходит работа вихревого поля, и она равна ЭДС индукции:

\(\varepsilon_i\;=\;\underset С<\oint\;>\;(\overrightarrow\times\;d\overrightarrow l)\)

Определение

Самоиндукция — частный случай магнитной индукции, возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре, когда в нем меняется ток.

Источником энергии, возникающей в цепи, является в этом случае запас энергии магнитного поля. Полное количество выделившейся джоулевой теплоты можно вычислить, изобразив на графике зависимость магнитного потока Ф(I) от силы тока I:

ЭДС в быту, как обозначается, единицы измерения

В быту явление электромагнитной индукции используют для изменения величины напряжения тока в трансформаторах и дросселях. На принципе магнитной индукции работают электрические счетчики, реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов.

Существуют также магнитные газовые генераторы, в которых благодаря магнитному полю возникает электродвижущая сила, создающая ток.

Электродвижущая сила индукции в системе СИ измеряется в вольтах. Просто электродвижущая сила обозначается греческой буквой \(\varepsilon \) , электродвижущая сила индукции — \( \varepsilon_i.\)

Законы Фарадея и Ленца

Фарадей опытным путем выяснил, что при пересечении проводником магнитных силовых линий по нему проходит заряд \(\triangle Q\) . Он связан с числом пересеченных силовых линий \( \triangle Ф\) и электрическим сопротивлением контура R, что выражается законом Фарадея:

Соприкосновение поля и проводника вызвано либо движением проводника, либо изменениями самого магнитного поля.

Саму электродвижущую силу индукции, связанную с сопротивлением контура и силой тока согласно закону Ома, можно найти по формуле

\(\triangle t\) здесь — время, за которое проходит через поперечное сечение проводника количество электричества \(\triangle Q.\)
Ленц доказал, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине. Согласно правилу Ленца, в вышеприведенном соотношении следует выбрать отрицательный знак, считая коэффициент \( \alpha \) положительным:

Как рассчитать электродвижущую силу индукции, формулы

Через магнитный поток

Через силу тока

ЭДС самоиндукции зависит от изменения силы тока, при этом магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в ней:

L здесь — индуктивность проводника.

Через сопротивление

Для ЭДС индукции уравнение закона Ома можно переписать в виде:
\(\varepsilon_\;=\;IR\;-\;\varepsilon.\)

Через угловую скорость

B здесь — индукция магнитного поля, \(\omega\) — угловая скорость вращения рамки, S — площадь рамки, N — число витков, \(\alpha\) — угол между векторами индукции магнитного поля и скорости движения проводника.

Через площадь

Если магнитный поток изменяется без деформации витков, т. е. их количество и площадь не меняются, то можно найти электродвижущую силу индукции через площадь.
Угол \alpha между вектором магнитного поля и нормалью к плоскости витков будет равен:

\(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t. \) Полный магнитный поток в момент времени t будет равен:

\(\psi_B\;=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(\alpha\right)=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t\right).\)

Магнитное поле

Магнитное поле — это векторное поле вблизи магнита, электрический ток или изменяющееся электрическое поле, в котором наблюдаются магнитные силы. Возникает всякий раз, когда заряд находится в движении. Чем больше заряда приводится в большее движение, тем больше увеличивается сила магнитного поля.

В чем измеряется сила

Поскольку магнитное поле является векторной величиной, для его измерения используется сила (измеряется напряжение при помощи магнитометров и других приборов) и направление (определяется с помощью компаса).

Величина индукции измеряется в Теслах (Тл, Т). В системе сантиметр-грамм-секунда измерение происходит в Гауссах (Гс, G). Напряженность определяется в Амперах на метр (А/м) и в Эрстедах (Э, Oe).

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Магнитное поле измеряется в:

Гауссметры используют для измерения, к примеру, поля магнитов и соленоидов. Миллигауссметры требуются для выяснения малых постоянных магнитных полей в узких областях, переменного тока AC.

Для точного и быстрого вычисления постоянных и переменных полей нужен магниторметр. Для измерения индукции требуется тесламетр-веберметр, а чтобы измерить поля Земли, берут такой прибор как миллитесламетр.

Свойства линий магнитной индукции

Магнитные области представлены силовыми линиями, которые движутся от северного полюса магнита, возвращаясь назад к южному полюсу. Каждая линия представляет собой замкнутую непрерывную кривую.

• они никогда не пересекутся;
• всегда концентрируются возле полюсов, где сильное магнитное поле;
• ищут путь наименьшего сопротивления между противоположными магнитными полюсами;
• представляют собой непрерывные петли;
• у всех одинаковая сила;
• их плотность уменьшается (они расходятся), когда они переходят из области с более высокой проницаемостью в область с более низкой проницаемостью.

Линии — это инструмент, используемый для описания вида магнетизма. Сами по себе они невидимы, потому что не являются материальными объектами. Л инии нигде не начинаются и не останавливаются.

Их плотность уменьшается по мере удаления от полюсов. Например, на полюсах магнита линии смещены друг к другу или более плотные. Дальше, где поле слабое, они разветвляются, становясь менее плотными.

Источники магнитного поля

У магнетизма есть свои основные источники. Земля является самым большим из них. Магнитное поле воздействует на частицы за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц и способствует возникновению магнетизма.

Источники магнитного поля:

• токоведущие проводники;
• постоянные магниты;
• электромагниты.

Все эти материалы провоцируют магнетизм. Например, постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм.

Известен также диамагнетизм, который вызван орбитальным действием электронов, создающих крошечные токовые петли. Диамагнетизм демонстрирует такой компонент, как пиролитический углерод, вещество, похожее на графит и висмут.

Еще одно явление — парамагнетизм — возникает, когда материал временно становится магнитным при очень низких температурах. Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, в котором участвуют как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия.

​​ Из чего состоит магнитное поле науке пока неизвестно. Но порождается оно движущимися электронами. Иными словами электрический ток создает поле , которое в свою очередь зависит от ряда факторов (заряда, скорости и ускорения частиц).

Характеристики магнитного поля:

• заставляет стрелки компаса выстраиваться в линию в определенном направлении (например, магнетизм существует вокруг Земли);
• вынуждает электрически заряженные частицы двигаться по круговой или винтовой траектории при определенных условиях.

Все состоит из атомов, и у каждого атома есть ядро, состоящее из нейтронов и протонов с электронами, которые вращаются вокруг него. Сила, действующая на электрические токи в проводах в магнитном поле, лежит в основе работы всех электродвигателей. Использование магнетизма при изготовлении телефонов, телевизоров и других электронных приборов осуществляется повсеместно.

Определение постоянного и переменного магнитного поля

Постоянное магнитное поле — область, где значение вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяется со временем.

Постоянное магнитное поле представляет собой притяжение железных предметов в течение длительного периода времени. Если взять дощечку и поместить на нее постоянный магнит, он повернется в определенном направлении. Это можно использовать для ориентации в пространстве.

Когда замыкаешь электрическую цепь и по проводнику течет ток, стрелка компаса отклоняется. Таким образом, была доказана взаимосвязь между током и магнитной стрелкой (опыт Эрстеда).

Источником постоянного магнитного поля являются постоянные электрические токи. Формируется поле вокруг неподвижного магнита или неподвижного проводника с постоянным током.

Переменное поле — всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а то в свою очередь связано с ним. Вместе они образуют электромагнитное поле.

Переменное магнитное поле — область, которая получается при движении магнита или проводника с постоянным током относительно наблюдателя.

Соответственно в пространстве, окружающем неподвижный проводник с изменяющимся током, магнитное поле по условиям тоже изменяется.

Электротехника

На проводник с током в магнитном поле действует сила F. Эта сила тем больше, чем больше сила тока I в проводнике, индукция магнитного поля В, длина проводника и больше значение угла , под которым про­водник расположен к линиям магнитной индукции.

Этот закон был установлен французским физиком А. Ампером в 1820 г., и сила F называется силой Ампера.

Направление силы F определя­ется по правилу левой руки: «Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индук­ции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление электро­магнитной силы, действующей на проводник» (рис. 2.5).

У большинства электрических машин и аппаратов проводники расположены практически перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции В и электромаг­нитная сила F эм , представленная выражением (2.13), примет наибольшее значение:

При равномерном движении проводника электромагнитная сила (F) уравновешивается механической силой сопротивления (F м )|F эм | =|F м |, т.е. электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя.

На проводник с током, распо­ложенный вдоль линий магнитной индукции, магнитное поле не действует, = 0 и F эм = 0. Рассмотрим действие электромагнитных сил F эм на рамку с током, помещенную в магнитное поле. Пусть силовые линии магнитного поля Ф направлены с «право» на «лево» (рис. 2.6), а рамка АВ расположе­на горизонтально и ток в провод­нике А идет «от нас», а в проводнике А идет «от нас», а в проводнике В – «к нам». На основании правила левой руки электромагнитная сила, действующая на проводник А, направлена вверх, а на проводник В – вниз, при этом действует пара сил, которая повернет рамку, закрепленную на оси О, по часовой стрелке так, что силовые линии магнитного поля рамки Ф р совпали по направлению с линиями магнитного поля Ф n . Рамка АВ установится вертикально. В вертикальном положении рамки электромагнитные силы, действующие на части рамки А и В, противоположно направлены по одной прямой, проходящей через ось вращения рамки, и друг друга уравновешивают.

Из формулы (2.14) определим единицу измерения магнитной индукции (1 Тл):

т.е. за единицу магнитной индукции 1 Тл принимается магнитная индукция такого поля, в котором на 1 м длины проводника с током 1 А, расположенным перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции, действует сила 1 H. На практике пользуется и другими определением единицы измерения магнитной индукции 1 Тл. Из формулы Ф = BS имеем

Магнитная индукция равна 1 Тл, когда через поверхность площадью в перпендикулярно ей проходит магнитный поток 1 Вб.

При перемещении проводника с током I A длинной l м на расстояние d м совершается работа

A = Fd = BIld = BIS = IФ

где ld = S , а BS = Ф

Таким образом, работа по перемещению проводника с током в однородном магнитном поле равна:

где Ф – магнитный поток, который пересекается проводником при его движении.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулируйте закон Ампера. Напишите формулу закона Ампера.

2. Для чего служит правило левой руки? Сформулируйте правило левой руки.

3. При каком условии проводник с током будет перемещаться в магнитном поле равномерно?

4. Какой единицей измеряется магнитная индукция? Что принято за единицу магнитной индукции один Тесла (1 Тл)?

5. Чему равна работа при перемещении проводника с током в магнитном поле? Напишите формулу работы.