Как работает магнитная индукция

Всё что нужно знать о магнитной индукции

Магнитное поле характеризуется своими силовыми линиями. Они направлены по касательной к направлениям, отображаемым магнитной стрелкой в различных точках пространства и ориентированных относительно северного полюса, обозначаемого на стрелке буквой N. Южный полюс обозначается буквой S. Эти линии принято называть линиями магнитной индукции.

Графическое отображение магнитного поля

Физический смысл

В физике величина, называемая магнитной индукцией и обозначаемая буквой В, характеризирует силовые параметры магнитного поля, воздействующего на электрический заряд, перемещающийся в нем. Вектор магнитной индукции указывает направление этого воздействия. Модуль вектора — это численное значение его длины.

Линии магнитной индукции составляют магнитный поток. Он обозначается греческой буквой Φ (фи). Та часть силовых линий, которая в определенный момент времени фактически охватывается каким-либо контуром, составляет поток, сопряженный с этим контуром, и обозначается Φ_c.

Изображение магнитного потока

Явление электромагнитной индукции

Данное явление связано с возникновением электротока при воздействии изменяющегося магнитного потока на замкнутый контур. Электромагнитную индукцию удалось обнаружить британскому физику-экспериментатору Фарадею в ходе опытов, изображенных на рисунке ниже.

Схема эксперимента Фарадея

Представим себе, что токопроводящая проволока намотана на поверхность цилиндрического сердечника из магнитного материала. Такие устройства называются соленоидами. При прохождении изменяющегося во времени магнитного потока через соленоид возникает индуцированная электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная магнитному потоку, сопряженному с контуром:

Выражение для ЭДС

С учетом количества витков в катушке, индуцированную ЭДС можно найти с помощью формулы:

Формула с учетом витков

Если подключить обмотку соленоида к сопротивлению R, по цепи будет протекать электроток силой:

Выражение для тока

Определение ЭДС осуществляется одним из двух способов в зависимости от причины изменения магнитного потока во времени:

Если изменяется поверхность, сопряженная с силовыми линиями поля, то индуцированная ЭДС выражается формулой:

Определение ЭДС через площадь

Определение ЭДС через поток

Единица измерения магнитного потока

Эксперименты согласно закону Фарадея показывают, что произведение индуцируемого в контуре напряжения на длительность этого напряжения зависит исключительно от изменения, претерпеваемого сопряженным с контуром потоком (символ D означает изменение):

Изменение ЭДС

Этот факт позволяет выразить величину сопряженного потока простым измерением значения индуцированного напряжения и умножением его на рассматриваемый интервал времени (эта величина также называется вольт-секундой).

Исходя из этих соображений, в качестве единицы измерения магнитного потока выбрана вольт-секунда. Единицей измерения магнитной плотности является также вебер. Она так названа в память немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера (1804–1891). Магнитный поток измеряется также внесистемной единицей ампер-виток на сантиметр.

Плотность потока

Разделив магнитный поток Φ на площадь поверхности контура S, получим значение потока на единицу площади. Поток на единицу площади, нормальный к силовым линиям, называется плотностью потока. Другое название этого параметра — индукция магнитного поля.

Схематическое изображение магнитного потока

Из выше сказанного вытекает формула магнитной индукции:

Выражение для магнитной индукции

Если направление вектора магнитной индукции составляет с рассматриваемой поверхностью прямой угол, то S_⊥= S. Если этот угол отличен от 90 градусов, то необходимо ввести некий коэффициент, чтобы в идеальном случае перпендикулярности он был равен единице: S_⊥= S · cosφ. Следовательно, этот коэффициент равен косинусу угла φ.

Тогда формула индукции магнитного поля будет выглядеть так:

Обобщающая-формула

Магнитная индукция органически связана с напряженностью магнитного поля. Как связан ее вектор и вектор магнитной индукции, отображает формула:

Связь индукции с напряженностью

Чтобы узнать направление вектора индукции, следует воспользоваться правилом буравчика.

Определение направления

Единица измерения магнитной индукции — это вебер на квадратный метр. Она названа теслой (Тл) в честь работавшего в США сербского физика Николы Тесла (1857–1943).

Индукцию измеряют специальными приборами — магнитометрами, которые также называют теслометрами.

Магнитная индукция: Основы, применения и последние достижения

Магнитная индукция — загадочное и мощное явление природы, привлекающее внимание ученых и исследователей на протяжении многих веков. Способность магнитных полей воздействовать на окружающую среду и электрические токи поражает воображение и приводит к важным открытиям и изобретениям. В этой статье мы погрузимся в удивительный мир магнитной индукции, исследуя её основы, применения и последние научные достижения.

История открытия магнитной индукции пронизана великими открытиями и смелыми исследованиями. Уже в древние времена люди обращали внимание на странные свойства определенных камней, которые обладали способностью притягивать металлические предметы. Однако настоящий взрыв интереса к магнитизму произошел в 19-ом веке, когда ученые начали экспериментировать с электрическими токами и магнитными полями.

Сегодня магнитная индукция стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, и мы часто не задумываемся об её влиянии на нашу технологическую и научную среду. От трансформаторов, обеспечивающих электроэнергией наши дома, до сложных систем образования образов магнитных полей в современных медицинских устройствах, магнитная индукция стала незаменимым инструментом в нашей современной цивилизации.

В этой статье мы рассмотрим основные понятия магнитной индукции, изучим законы и принципы, которые лежат в её основе, а также познакомимся с некоторыми удивительными применениями этого явления в различных областях науки и промышленности. Кроме того, мы рассмотрим последние научные открытия и технологические достижения, которые продолжают расширять наше понимание магнитной индукции и открывают новые горизонты её применения.

Основы магнитной индукции

История открытия

История магнитной индукции насчитывает множество интересных этапов и открытий. Уже в древние времена люди замечали странные свойства определенных камней, которые обладали способностью притягивать металлические предметы. Такие камни, которые мы сегодня называем магнетитом или лодестоном, стали первыми обнаруженными магнитами.

Однако систематические исследования магнитных явлений начались лишь в 16-17 веках. Важный вклад в развитие магнетизма внес Галлилео Галилей, который экспериментировал с магнитами и описал их взаимодействие с Землей. Еще одним важным ученым был Вильгельм Гильберт, который в 1600 году выпустил работу «De Magnete», в которой впервые представил систематическое исследование магнитных явлений.

Серьезные исследования магнетизма продолжались в 18-19 веках. Ученые открыли магнитное действие электрического тока и установили связь между электричеством и магнетизмом. Открытие закона Электромагнитной Индукции в 1831 году Майклом Фарадеем стало ключевым моментом в развитии магнитной индукции и открыло новые горизонты в понимании этих явлений.

Магнитные поля

Магнитное поле — это область пространства, в которой испытывают воздействие магнитные силы. Оно возникает вокруг магнитов и электрических токов. Когда электроны в атомах магнитного вещества ориентированы в одном направлении, образуется магнитное поле. Это поле представляет собой взаимодействие магнитных сил, которые проявляются в форме силовых линий магнитного поля.

Визуально магнитное поле можно представить с помощью силовых линий, которые образуют замкнутые петли, выходящие из одного полюса магнита и входящие в другой. Чем ближе силовые линии друг к другу, тем сильнее магнитное поле в этом месте.

Магнитные поля обладают способностью воздействовать на другие магниты и электрические заряды. Они способны притягивать или отталкивать друг друга, в зависимости от своего направления.

Понятие магнитной индукции

Магнитная индукция, также известная как магнитная напряженность, является важным понятием, характеризующим магнитное поле в определенной точке пространства. Она измеряется в теслах (T) или гауссах (G) и представляет собой величину магнитного поля и его направление в данной точке.

Магнитная индукция является важной физической величиной и связана с магнитным полем через закон Электромагнитной Индукции, установленный Майклом Фарадеем в 1831 году.

Этот закон утверждает, что изменение магнитного поля во времени приводит к появлению электрического тока, а изменение электрического тока порождает магнитное поле.

С помощью понятия магнитной индукции ученые разработали множество устройств и технологий, от генераторов и трансформаторов до современных медицинских устройств, которые применяются в современной жизни. Магнитная индукция оказывает важное влияние на нашу технологическую цивилизацию и продолжает привлекать внимание ученых и исследователей для создания новых инноваций и технологических решений.

Закон Электромагнитной Индукции

Закон электромагнитной индукции звучит следующим образом

Электромагнитная индукция — явление, при котором изменение магнитного потока через проводник вызывает появление электрического тока в этом проводнике. Величина индуцированного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Открытие закона Электромагнитной Индукции

Закон Электромагнитной Индукции — одно из наиболее важных открытий в области электромагнетизма, которое изменило наше понимание о взаимосвязи между магнитным полем и электрическими явлениями. В начале 19 века английский физик Майкл Фарадей провел ряд исследований по магнетизму и столкнулся с удивительными явлениями взаимодействия магнитных полей и электрических токов.

В 1831 году Фарадей провел классический эксперимент, в котором изучал влияние магнитного поля на электрический ток. Он обнаружил, что изменение магнитного поля, проходящего через проводник, порождает электрический ток в этом проводнике. Это явление было первым открытием закона Электромагнитной Индукции.

Открытие Майкла Фарадея стало одним из ключевых моментов в истории физики и открыло новые горизонты для применения электромагнетизма в различных технологиях и устройствах.

Математическое выражение закона

Математическое выражение закона Электромагнитной Индукции связывает изменение магнитного потока, проходящего через замкнутую петлю, с электрическим током, который возникает в этой петле. Этот закон формулируется с помощью следующего уравнения:

Где: ЭМИ — электромагнитная индукция (электродвижущая сила, которая приводит к возникновению электрического тока), Ф — магнитный поток, проходящий через замкнутую петлю, dФ/dt — изменение магнитного потока по времени.

Применения закона Электромагнитной Индукции

Закон Электромагнитной Индукции имеет огромное практическое применение в различных устройствах и технологиях. Одним из самых важных применений являются генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электрическую путем индукции электрического тока во вращающейся катушке в магнитном поле. Также закон Электромагнитной Индукции лежит в основе работы трансформаторов, позволяющих изменять напряжение в электрических цепях, и индукционных плит, использующих электромагнитное поле для нагревания посуды.

Этот закон находит применение не только в электротехнике, но и в других областях, таких как медицина, где его используют в различных медицинских устройствах, и наука, где его применяют для создания лабораторных установок и экспериментов.

Закон Электромагнитной Индукции является одним из фундаментальных законов физики и продолжает оставаться ключевым элементом в разработке новых технологий и устройств для современной цивилизации.

Математическая составляющая

В математике магнитная индукция тесно связана с понятием магнитного поля и законом электромагнитной индукции. Для более глубокого понимания физических законов, описывающих магнитную индукцию, используются математические формулы и уравнения.

Магнитное поле и вектор потенциала

Магнитное поле описывается с помощью вектора магнитной индукции B, который определяет силовые линии магнитного поля и его направление в каждой точке пространства. Вектор потенциала магнитного поля A используется для удобства в решении уравнений и определения магнитной индукции:

где оператор curl представляет собой операцию векторного дифференцирования (ротор) и показывает, как магнитное поле вращается вокруг своей оси.

Закон Био-Савара и закон Ампера

Закон Био-Савара описывает магнитное поле, создаваемое бесконечно малым элементом тока. Это уравнение позволяет определить магнитную индукцию B в некоторой точке пространства вокруг элементарного участка тока:

dB = (μ₀ / 4π) * (I * dl x r) / r^3

где μ₀ — магнитная постоянная, I — ток, dl — элементарный участок тока, r — вектор от элементарного участка тока к точке, где измеряется магнитное поле.

Закон Ампера устанавливает связь между магнитным полем и полным током, протекающим через замкнутый контур:

∮B * dl = μ₀ * I_total

где ∮ обозначает интеграл по замкнутому контуру, B — магнитное поле, dl — элемент длины контура, μ₀ — магнитная постоянная, I_total — полный ток, протекающий через контур.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции описывает взаимосвязь между изменением магнитного потока и электрическим током, создаваемым этим изменением:

где ε — электродвижущая сила (ЭДС), dФ/dt — изменение магнитного потока со временем.

Этот закон объясняет, как возникают электрические токи в электрических цепях, когда магнитное поле изменяется во времени, и является основой для работы различных устройств, таких как генераторы и трансформаторы.

Математическая составляющая играет важную роль в понимании и описании физических явлений, связанных с магнитной индукцией, и позволяет инженерам и ученым эффективно применять эту информацию для разработки новых технологий и решения разнообразных практических задач.

Вектор магнитной индукции

Магнитная индукция (B) представляет собой векторную величину, которая характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Она измеряется в теслах (Т) в международной системе единиц или в гауссах (Гс) в системе СГС.

Как уже упоминалось, вектор магнитной индукции обусловлен токами или магнитными диполями, находящимися вблизи точки, а также изменением электрического поля. Когда электрический ток проходит через проводник или виток, вокруг него образуется магнитное поле, и его интенсивность и направление определяются вектором магнитной индукции B.

Интуитивно можно представить магнитную индукцию как невидимые «линии сил» магнитного поля, которые образуют замкнутые контуры. Если провести воображаемую линию вдоль магнитного поля, то вектор B будет направлен по касательной к этой линии в каждой точке.

Магнитная индукция B обладает следующими свойствами:

1. Направление: Она указывает на направление магнитного поля в данной точке пространства.
2. Величина: Величина магнитной индукции показывает интенсивность магнитного поля в этой точке. Чем больше вектор B, тем сильнее магнитное поле.
3. Единицы измерения: В международной системе единиц магнитная индукция измеряется в теслах (Т), а в системе СГС — в гауссах (Гс).
4. Физическое влияние: Магнитная индукция определяет силовые действия магнитного поля на движущиеся заряды и другие магнитные объекты.

Важно понимать, что магнитное поле и магнитная индукция тесно связаны, но не являются одним и тем же. Магнитное поле создается магнитными источниками, такими как постоянные магниты или токи, а магнитная индукция — это величина, которая характеризует это магнитное поле в каждой точке пространства.

Единицы измерения и измерение магнитной индукции

Единицы измерения:

Единицы измерения магнитной индукции используются для определения магнитного поля и его силы в данной точке пространства. Существуют две основные системы единиц для измерения магнитной индукции: система СИ (Система Международных Единиц) и система CGS (система сантиметр-грамм-секунда).

Тесла (T) — это единица измерения магнитной индукции в системе СИ. 1 тесла равен одному веберу (единица магнитного потока) на квадратный метр. Таким образом, тесла определяет силу магнитного поля в данной точке пространства.

Гаусс (G) — это единица измерения магнитной индукции в системе CGS. 1 гаусс равен 1 максвелу (единица магнитного потока) на квадратный сантиметр. Чтобы перевести магнитную индукцию из тесл в гауссы, можно использовать следующее соотношение: 1 Т = 10 000 Г.

Обе системы единиц широко используются в научных и технических областях. Система СИ предпочтительнее, так как она основана на метрической системе и более удобна для применения в больших масштабах. Однако система CGS все еще используется в некоторых специализированных областях науки и техники.

Измерительные устройства

Для измерения магнитной индукции используются различные инструменты и устройства, которые называются магнитометрами. Эти устройства позволяют определить силу и направление магнитного поля в данной точке пространства.

1. Гауссметр: Гауссметр — это тип магнитометра, который применяется для измерения магнитной индукции в гауссах. Гауссметры широко используются для оценки магнитной индукции в различных устройствах, таких как электромагниты, магниты, трансформаторы и другие магнитные компоненты.

2. Тесламетр: Тесламетр — это устройство для измерения магнитной индукции в теслах. Тесламетры являются более точными и чувствительными по сравнению с гауссметрами и широко применяются в научных и инженерных исследованиях, а также в промышленности.

3. Магнитные компасы: Магнитные компасы — это простые инструменты, которые используются для определения направления магнитного поля Земли. Они основаны на свойствах магнитов, которые выстраиваются вдоль линий магнитного поля Земли.

Измерение магнитной индукции играет важную роль в научных и технических исследованиях, а также в разработке и тестировании различных устройств и технологий. Магнитометры позволяют ученым и инженерам более полно понять и использовать магнитные явления в различных областях науки и техники.

Магнитная индукция в технике и промышленности

Применение в медицине

Магнитная индукция имеет значительное применение в медицинской технике, особенно в устройствах для диагностики и исследования человеческого организма.

1. Магнитно-резонансная томография (МРТ): МРТ — это мощный метод диагностики, который использует магнитную индукцию для создания подробных изображений органов и тканей человека. Во время МРТ пациент помещается в сильное магнитное поле, которое возбуждает атомы в организме. Когда атомы возвращаются в свои исходные состояния, они испускают энергию, которую обнаруживают датчики, создавая подробные изображения органов и тканей. МРТ позволяет выявить различные патологии и заболевания, такие как опухоли, травмы и сосудистые нарушения, и является одним из наиболее надежных и неинвазивных методов обследования.

2. Магнитоэнцефалография (МЭГ): МЭГ — это метод исследования мозговой активности, использующий магнитную индукцию. Во время МЭГ у пациента надевают специальную шапочку с датчиками, которые регистрируют слабые магнитные поля, генерируемые мозгом при его работе. Эти данные позволяют ученым анализировать активность различных участков мозга и исследовать мозговые функции, что помогает в диагностике неврологических заболеваний и понимании механизмов мышления и восприятия.

Технические применения

Магнитная индукция имеет широкое применение в технических устройствах и системах, играя важную роль в различных аспектах современных технологий.

1. Датчики и сенсоры: Магнитные датчики используют магнитную индукцию для обнаружения изменений магнитных полей. Они широко применяются в различных устройствах, таких как компасы, датчики положения, датчики безопасности и транспортных средств, а также в промышленных системах для контроля и мониторинга различных параметров.

2. Электромагниты и электромагнитные катушки: Электромагниты используют магнитную индукцию для создания сильных магнитных полей при прохождении электрического тока через катушку. Они применяются во многих устройствах и системах, включая электромеханические устройства, реле, магнитные захваты и системы автоматического управления.

3. Магнитные хранители информации: Магнитная индукция применяется в устройствах для хранения информации, таких как жесткие диски и магнитные ленты. Они используют изменение магнитной индукции для кодирования и сохранения данных, что делает их надежными и долговечными средствами хранения информации.

Магнитные материалы

Магнитные материалы играют важную роль в промышленности, поскольку они обладают способностью удерживать магнитную индукцию и могут использоваться в различных технических и промышленных приложениях.

1. Постоянные магниты: Постоянные магниты изготавливаются из различных материалов, таких как ферриты, альнико и неодимовый борид железа (NdFeB). Они применяются в различных устройствах, включая динамики, генераторы, датчики и магнитные сепараторы.

2. Магнитооптические материалы: Магнитооптические материалы применяются в технологиях оптического хранения данных и в оптических устройствах, таких как магнитооптические диски и системы чтения и записи информации.

3. Мягкие магнитные материалы: Мягкие магнитные материалы обладают способностью быстро намагничиваться и размагничиваться, что делает их идеальными для использования в трансформаторах, индуктивностях и других устройствах, которые требуют быстрого переключения магнитных полей.

Магнитная индукция и магнитные материалы являются ключевыми элементами в различных технических и промышленных приложениях, и их использование продолжает расширяться с развитием технологий и научных исследований. Они играют важную роль в современной технике и промышленности, обеспечивая эффективность и надежность множества устройств и систем.

Современные исследования и достижения

Магнитная индукция в космосе

Магнитная индукция играет важную роль в космических явлениях и взаимодействии между небесными телами. Одно из самых интересных исследований связанных с магнитной индукцией в космосе — это изучение солнечной активности и магнитных бурь на Земле.

1. Солнечная активность: Солнце — это огромный магнит, обладающий сильным магнитным полем. Солнечная активность проявляется в виде солнечных пятен, солнечных вспышек и солнечных ветров. Эти явления связаны с переплетением и перекручиванием магнитных линий на поверхности Солнца. Изучение магнитной индукции на Солнце позволяет прогнозировать солнечную активность и её влияние на нашу планету.

2. Магнитные бури на Земле: Солнечные вспышки и выбросы солнечной материи могут вызывать магнитные бури на Земле. В результате этих бурь, магнитные поля Земли возмущаются, что может влиять на работу электрических систем, спутников и связи. Исследование взаимосвязи между магнитной индукцией на Солнце и магнитными бурями на Земле помогает улучшить наши представления о космической погоде и разрабатывать меры для защиты от потенциальных последствий.

Новые материалы и технологии

Современные исследования в области магнитной индукции активно ведутся и направлены на разработку новых материалов и применения в современных технологиях.

1. Наномагниты: Наноматериалы обладают уникальными свойствами, которые могут быть использованы в различных технических приложениях. Например, наномагниты широко исследуются для применения в магнитной памяти и датчиках, а также в медицине для таргетированной доставки лекарств.

2. Магнитные материалы с контролируемыми свойствами: Исследования направлены на создание магнитных материалов с контролируемыми магнитными свойствами. Это может помочь в разработке более эффективных устройств и систем, а также в создании новых технологий в области электротехники и магнитных носителей данных.

Магнитная индукция и квантовая физика

В квантовой физике магнитная индукция играет ключевую роль во многих явлениях и процессах. Исследования в этой области помогают лучше понять квантовые явления и их взаимосвязь с магнитными свойствами.

1. Квантовые точки и спины: Квантовые точки — это наноструктуры с уникальными электронными и магнитными свойствами. Они могут быть использованы для создания квантовых компьютеров и квантовых датчиков, что может привести к революции в области информационных технологий.

2. Сверхпроводимость и магнитное поле: Исследования магнитной индукции в сверхпроводниках помогают понять взаимодействие между магнитными полями и сверхпроводимостью, что имеет важное значение для разработки новых материалов с высокой сверхпроводимостью и их применения в энергетике и транспорте.

Исследования в области магнитной индукции продолжают расширять наше понимание физических явлений и разрабатывать новые материалы и технологии, которые могут положительно повлиять на различные аспекты нашей жизни и развитие науки и техники.

Заключение

Магнитная индукция — удивительное явление, которое имеет важные применения в различных областях науки и техники. От истории открытия до современных исследований, магнитная индукция продолжает удивлять ученых и вдохновлять на новые технологии. Все это делает её одной из самых захватывающих и значимых тем в физике.

• 26.07.2023

Физика

Нужна ли нам электроэнергия? Странный вопрос, скажете вы – конечно, без неё нельзя представить жизнь современного человека. Но, как это ни парадоксально, сама по себе электроэнергия нам не нужна. От лампочки нам нужен свет, от спирали электрочайника – тепло и т.д. Однако электрический ток удобен тем, что позволяет передавать энергию на большие расстояние с относительно небольшими потерями, и уже «на месте» преобразовывать её в нужный нам вид энергии (световая, тепловая, механическая и т.д.).

Электрическая энергия к нашим домам доставляется от электростанций. Как они работают? Производят энергию – подойдет ли такой ответ? Нет, энергию нельзя произвести или создать, ее можно преобразовать из одного вида в другой, об этом говорит закон сохранения энергии. По-другому и быть не могло, потому что мы так и задумали понятие энергии: выделили нечто, что сохраняется.

Хорошо, разберем для примера гидроэлектростанцию – ГЭС. Вода падает, вращается турбина, она что-то дальше приводит в движение, а на выходе по проводам течет электрический ток. Если не знать, что там за механизм, уже понятно: механическая энергия преобразуется в электрическую.

Магнитное поле

Электричество – это одно из проявлений некой более общей сущности. Заряд обладает электромагнитным полем, и это поле проявляется по-разному в разных системах отсчета. В системах отсчета, в которых заряд неподвижен, проявляется та составляющая, которую мы назвали электрическим полем. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется вторая составляющая, которую назвали магнитным полем. Эта ситуация для нас тоже не новая: для человека в поезде яблоко на столе неподвижно, для человека на платформе – движется со скоростью поезда.

Вот от этой разницы между подвижной и неподвижной системами отсчета многое и зависит. Видите, связь между проявлениями электромагнитного поля, заключается в движении. Как раз движение магнита внутри проводящих катушек и создает в них ток.

Это понимание пока не позволит спроектировать электростанцию. Но мы уже хотя бы понимаем, что поток воды нужен, чтобы вращать магнит, и приблизительно представляем, что вращение магнита может быть связано с возникновением электрического тока.

Чтобы описывать эти процессы количественно, нужна четкая модель, поэтому давайте разберемся в явлении подробно и по порядку.

Об истории исследований

Исторически сложилось так, что электрическое поле и магнитное поле долго изучали раздельно. Человечество проделало долгий путь от наблюдения искр, пробегающих между наэлектризованными шерстью и янтарём, до изготовления электрических приборов. Люди также давно знакомы с постоянными магнитами, используют их в компасах. И когда электрические и магнитные явления были давно изучены отдельно, только потом постепенно начали узнавать об их связи. Выяснили, что магнитное поле тоже создается электрическим зарядом, только определенным образом, движущимся в данной системе отсчета, и что это два проявления одного электромагнитного поля.

Нам, живущим в 21 веке, повезло, что весь этот путь к пониманию уже давно проделан до нас, и мы можем сразу говорить об электромагнитном поле. Однако математически описать единое электромагнитное взаимодействие сложно. К тому же для отдельных его проявлений, электрического и магнитного, уже разработаны математические модели, изучены закономерности, которые подходят для решения своих задач. Поэтому мы ими свободно пользуемся и на их базе придумываем новые.

Как и всё ненаблюдаемое, мы изучаем магнитное поле по проявлениям, а проявляется оно во взаимодействии, которое назвали магнитным. Возьмем несколько постоянных магнитов и вспомним, какие мы вводили инструменты для описания магнитного поля.

Итак, у магнита есть две области, возле которых сильнее всего выражено взаимодействие с другими магнитами, такие области назвали полюсами. Возьмем один магнит и приблизим к его полюсу второй магнит, сначала одной стороной, потом второй. В одном случае они притянутся, во втором – оттолкнутся. Делаем вывод, что у магнита полюсы двух видов.

Найдем у двух магнитов полюсы одного вида (или одноимённые): пусть они оба притягиваются к одному и тому же полюсу третьего магнита. Поднесём их друг к другу – они отталкиваются. А разноимённые полюса притягиваются.

Чтобы как-то различать полюса, для них придумали обозначения. Одним из первых применений магнита был компас: стрелка компаса – это магнит, который своими полюсами ориентируется в направлении север-юг, поэтому полюса магнитов так и назвали: северный и южный.

Для магнитного поля придумали удобный способ их изобразить: линии магнитной индукции, еще мы их называли просто магнитными линиями. Это линии, вдоль которых ориентируется магнитная стрелка компаса, помещенная в магнитное поле, и северный полюс стрелки указывает на направление этих линий.

Рис. 1 — Магнитное поле магнитной стрелки компаса

Таким образом, линии магнитной индукции «выходят» из северного полюса магнита и «входят» в южный полюс. Эти линии замкнутые, их можно продолжить внутри магнита.

Однако магнитными полем обладает не только постоянный магнит. Магнитное поле – это проявление электромагнитного поля заряда, и проявляется оно в системах отсчета, в которых заряд движется. Движение электрического заряда – это электрический ток. Так что магнитное поле возникает вокруг проводника с током.

Опыт Эрстеда

Как мы обнаруживаем то, что не наблюдаем непосредственно? По проявлениям. Магнитное поле нельзя пощупать, но его можно выявить по наличию магнитного взаимодействия. Мы можем взять магнитную стрелку и поднести ее к постоянному магниту. Стрелка вступит во взаимодействие с магнитом, повернётся по касательной к линиям его магнитного поля.

Так же можно выявить и магнитное поле проводника с током, как это впервые сделал Ганс Кристиан Эрстед. Если поместить рядом с проводником магнитную стрелку параллельно проводнику и пропустить через проводник ток, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Если попробовать разные варианты взаимного расположения проводника и стрелок, то увидим: стрелки каждый раз ориентированы по касательной к окружности, через центр которой проводит проводник.

Рис. 2 – Расположение линий магнитного поля проводника с током

Это значит, что вокруг проводника с током есть магнитное поле, и линии его индукции представляют собой окружности.

С формой линий разобрались, осталось определить их направление. Оказалось, что при изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка ориентировалась в противоположную сторону – магнитное поле определяется направлением тока. Закономерность такова: если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадёт с направлением линий магнитной индукции поля. Это правило назвали правилом правого винта или правилом буравчика.

Проводник можно свернуть в виток или сделать несколько витков – это уже получится катушка, причем магнитные поля витков сложатся.

Рис 3. – Магнитное поле катушки с током

Магнитное поле прямого проводника, витка и катушки с током

Мы уже умеем определять направление магнитного поля проводника с током по правилу буравчика. У нас до этого шла речь о прямом проводнике. А что, если проводник изогнут в виток или катушку? Можно рассмотреть небольшие участки проводника, которые по отдельности можно считать прямыми, и к ним можно применять правило буравчика. А поле всего проводника будет складываться из полей каждого такого участка. Рассмотрим на примере витка круглой формы.

Выберем небольшой участок проводника, в нем ток течет в одну сторону. Мысленно располагаем буравчик и вращаем его так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока. Тогда вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля.

Рис. 4 – Направление магнитного поля в витке проводника с током

И какой бы мы ни взяли участок витка, везде линии магнитной индукции будут направлены вверх внутри витка и вниз – снаружи витка.

Рис. 5 – Магнитное поле витка с током

А теперь попробуем расположить несколько витков один за другим – получим катушку. Ее магнитное поле будет суммой магнитных полей всех её витков.

Рис. 6 – Магнитное поле катушки с током

Кстати, очень похожую на магнитное поле постоянного магнита, поэтому его можно равноценно заменить электромагнитом.

Магнитное поле постоянного магнита – это такое же магнитное поле, и создается оно движущимся электрическим зарядом. Мы знаем, что атомы содержат электрический заряд, отрицательно заряженные электроны с большой скоростью движутся вокруг ядер в каждом атоме – то самое необходимое движение заряда. И в некоторых веществах, в первую очередь железа и никеля, это движение может быть определенным образом ориентировано, так, чтобы вокруг этого вещества возникало магнитное поле.

Сила Ампера и сила Лоренца

Чтобы решать задачи и создавать приборы, мало описать магнитное поле линиями магнитной индукции. Нужно описывать поле количественно, чтобы можно было сравнивать, в какой точке поля магнитное взаимодействие сильнее, в каком слабее, какую подать силу тока через катушку и т.д.

Количественно характеризовать магнитное поле имеет смысл через то, что мы можем измерить – через магнитное взаимодействие. Так как магнитное поле возникает вокруг проводника с током, то естественно, этот проводник вступает в магнитное взаимодействие. Если поместить проводник с током в магнитное поле, на проводник будет действовать сила. Эту силу назвали силой Ампера.

Сила Ампера

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, значит, он должен вступать в магнитное взаимодействие. Действительно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, вступает во взаимодействие с источником этого поля. Если не рассматривать, чем создано внешнее магнитное поле, то можно использовать такую модель: на проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, действует сила, которую назвали силой Ампера.

Внешнее магнитное поле может быть создано другим проводником с током, и эти проводники будут взаимодействовать с силой Ампера. Если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если в противоположных – отталкиваются.

Отталкиваются проводники или притягиваются, можно определить, рассмотрев магнитное поле одного проводника, применив к нему правило буравчика. И затем, узнав направление магнитного поля, по правилу левой руки можно определить, в какую сторону направлена сила Ампера.

Рис. 7 – Направление силы Ампера

Экспериментальным путем обнаружили, что сила Ампера, действующая на проводник, прямо пропорциональна силе тока в этом проводнике и длине области, помещенной в магнитное поле,

Линии магнитного поля перпендикулярны проводнику.

Рис. 8 – Линии магнитного поля

Коэффициент пропорциональности, обозначим его буквой – это и будет силовая характеристика магнитного поля – магнитная индукция или индукция магнитного поля:

Магнитная индукция показывает, с какой силой действует магнитное поле на каждый метр проводника, по которому течет ток 1 А. Единицу измерения магнитной индукции назвали тесла и обозначили Тл в честь ученого и изобретателя, который работал в области электротехники, Николы Теслы.

Магнитное поле удобно описывать векторной величиной, оно направленное – мы сегодня уже говорили о линиях магнитной индукции, их направление определяет направление магнитного взаимодействия. Поэтому давайте зададим магнитную индукцию как вектор.

Рис. 9 – Линии индукции магнитного поля

Его модуль мы уже определили через силу Ампера, а направим его по касательной к магнитной линии в каждой точке поля, потому эти линии и называют линиями магнитной индукции или линиями индукции магнитного поля.

Плотность линий магнитной индукции

Направление магнитного поля графически удобно обозначить линиями магнитной индукции. А как обозначить количественные характеристики поля, сильное оно или слабое? Такой характеристикой является вектор магнитной индукции , его модуль соответствует длине вектора. Но если мы не чертим векторы, а обозначаем поле линиями магнитной индукции, то плотность этих линий дает представление о модуле вектора . Конечно, точное значение определить таким образом нельзя, но можно оценивать и сравнивать, что если в какой-то области линии магнитной индукции расположены плотнее, значит поле там сильнее.

Модуль силы Ампера, которая действует на проводник в магнитном поле, равен , с этим мы разобрались. Как определить её направление? Вообще силы не действуют, взаимодействуют тела, а сила – это мера взаимодействия. В нашем случае это взаимодействие зарядов посредством их электромагнитного поля. Это взаимодействие сложно описать математически, гораздо проще использовать модель магнитного поля и описать, как оно действует на помещенный в него движущийся заряд.

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Нужно расположить левую руку так, чтобы:

1) четыре пальца показывали направление тока,

2) вектор магнитной индукции «входил» в ладонь с внутренней стороны,

3) отставленный на 90̊ большой палец укажет направление силы Ампера.

Рис. 10 – Правило левой руки

Движущийся заряд мы не обязательно описываем моделью электрического тока, это может быть просто единичная заряженная частица с зарядом , которая движется в магнитном поле. Принципиальной разницы нет, на нее тоже будет действовать сила, только формула для ее расчета немного преобразуется.

Чтобы разделить эти два случая – проводник с током и отдельная заряженная частица – этой силе дали другое название, сила Лоренца (и поставили индекс при F).

А направление силы Лоренца определяется так же, по правилу левой руки, только вместо направления тока будет направление движения положительного заряда (а мы помним, что движение отрицательного заряда математически эквивалентно движению положительного заряда в противоположную сторону).

Задача

Электрон движется в магнитном поле со скоростью 500 м/с перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции. Определите модуль и направление силы, с которой магнитное поле действует на электрон, если индукция поля равна 0,01 Тл.

Рис.11 – Условие задачи

Анализ условия.

Описан электрон, а это заряженная частица, которая движется в магнитном поле, значит, на нее действует сила Лоренца. Для ее вычисления у нас есть готовое уравнение. А направление силы Лоренца определим по правилу левой руки.

Физическая часть решения, запишем уравнение для силы Лоренца:

Уравнение простое, преобразований нет, давайте сразу проведем вычисления. Мы находим модуль силы, поэтому заряд электрона можем взять по модулю:

Найдём направление силы. Четыре пальца левой руки должны указывать направление движения положительного заряда. У нас движется электрон, это отрицательно заряженная частица. Математически движение отрицательного заряда в одну сторону эквивалентно движению такой же по модулю положительного заряда в противоположную сторону, мы это рассматривали, когда изучали электрический ток. Поэтому направляем пальцы руки противоположно движению отрицательно заряженного электрона. Ориентируем руку так, чтобы линии магнитной индукции «входили» в ладонь.

Рис. 12 – Решение задачи по правилу левой руки

Получим направление силы – к наблюдателю.

Электромагнитная индукция

Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.

Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита

Что такое гальванометр?

Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер. Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора. Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.

Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку. Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает. Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.

Опыт Фарадея

Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.

В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи. Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась. Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.

Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.

Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.

Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета. И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток. Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.

Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.

Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный поток договорились большой греческой буквой , запишем:

Единицу измерения магнитного потока назвали вебер:

Теперь легко описать электромагнитную индукцию: при изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает ток, пропорциональный скорости изменения магнитного потока:

Коэффициентом пропорциональности здесь будет сопротивление всего контура . Это может быть суммарное сопротивление проводов, если контур состоит только из проводов, или сопротивление проводов плюс приборов, если в цепь включены какие-то приборы, как тот же гальванометр:

И вот что удобно: эта модель универсальна для разных случаев электромагнитной индукции. Магнит вдвигают в катушку – изменяется индукция магнитного поля через площадь одного витка, легко вычислить магнитный поток через виток, а так как это катушка, то умножаем магнитный поток через один виток на количество витков в катушке. Магнит выдвигают из катушки – опять изменяется и опять легко вычислить изменение магнитного потока , а значит и индукционный ток. Виток поворачивают в магнитном поле – изменяется угол между вектором и перпендикуляром к площади витка, а значит – изменение магнитного потока и индукционный ток легко посчитать. Мы можем изменить форму и площадь витка – и снова наша модель применима, изменение площади витка означает изменение магнитного потока через эту площадь.

Модуль тока мы определили. А как определить его направление? В опыте с магнитом, катушкой и гальванометром ток был направлен то в одну, то в другую сторону, в зависимости от того, в какую сторону движется магнит и каким полюсом. Эти направления должны подчиняться какой-то закономерности. Эту закономерность обнаружил ученый Эмилий Ленц, и она названа в его честь правилом Ленца.

Возникающий при изменении магнитного потока электрический ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовало тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Давайте разберемся на примере, определим направление индукционного тока, который возникает, если вставить в него постоянный магнит северным полюсом вниз.

Магнитный поток создается магнитным полем, индукция которого направлена вниз. Магнитный поток увеличивается, так как при неизменной площади витков и при отсутствии вращения увеличивается магнитная индукция. По правилу Ленца магнитное поле должно противодействовать этому увеличению, поэтому магнитное поле тока в катушке будет направлено противоположно магнитному полю магнита, то есть вверх. По правилу буравчика определяем, в каком направлении течет ток, если вектор магнитной индукции его магнитного поля направлен вверх.

Рис. 14 – Направление индукционного тока в катушке при погружении в нее магнита

А если затем этот магнит вытащить из катушки? Линии индукции магнитного поля по-прежнему направлены вниз, магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет противодействовать этому уменьшению, то есть это магнитное поле будет как бы поддерживать уменьшающееся поле магнита, оно будет с ним со направлено, будет тоже направлено вниз.

Рис. 15 — Направление индукционного тока в катушке при отдалении от нее магнита

Самоиндукция

Изменяющееся магнитное поле (количественно это удобнее выразить через магнитный поток) создаёт электрический ток в проводнике, это явление электромагнитной индукции. Давайте рассмотрим катушку, в которой мы увеличиваем силу тока. Ток в катушке создает магнитное поле катушки. Так как мы увеличиваем силу тока, то будет увеличиваться и индукция магнитного поля.

И что мы имеем: изменяющееся магнитное поле вокруг катушки. Можно даже вычислить магнитный поток через катушку, и этот магнитный поток будет изменяться. А при изменении магнитного потока в катушке должен возникать индукционный ток! Давайте разберемся, куда он может быть направлен. Изобразим направление тока в катушке и по правилу буравчика магнитное поле катушки. Оно увеличивается, значит, по правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока должно быть направлено противоположно нарастающему полю. Найдем направление индукционного тока, он будет направлен против того изначального нарастающего тока. Такое явление, когда изменение магнитного поля катушки создает индукционный ток в этой же катушке, назвали самоиндукцией.

Конечно, неудобно рассматривать два тока, протекающие одновременно в одной катушке, мы рассмотрим их сумму. Так как токи направлены в противоположные стороны, то индукционный ток будет вычитаться из начального тока. Полностью прекратиться протекание тока или его нарастание не может, потому что тогда не будет изменяться магнитное поле и не будет возникать «сдерживающий» индукционный ток. А вот замедление нарастания тока происходит. Ток в катушке не только медленнее нарастает из-за самоиндукции, но и медленнее убывает. Можете в качестве упражнения проследить за процессами в катушке при уменьшении тока.

Токи самоиндукции могут вредить электроприборам в моменты их включения и выключения, и это нужно учитывать при их проектировании. Но вот это явление инерционности, что ток не нарастает и не убывает мгновенно, можно и использовать, нам оно еще пригодится.

Переменный ток

Мы разобрались с явлением электромагнитной индукции, как изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического тока. Конечно, это можно использовать для получения тока! И теперь нам понятно, как именно это сделать, дело остается за тонкостями технической реализации.

Проблема в том, что ток через контур течет только на протяжении того времени, пока изменяется магнитный поток. А он не может уменьшаться или увеличиваться бесконечно, он быстро достигает предела. Как в нашем опыте: пока мы вставляем или извлекаем магнит из катушки, ток есть, но достаточно быстро магнит оказывается полностью вставленным в катушку или полностью извлеченным, и процесс останавливается.

А что, если сделать изменение магнитного потока периодичным? Смотрите: мы можем добиться краткосрочного протекания тока, вставляя или извлекая из катушки магнит. И мы можем быстро двигать магнит вверх-вниз, и по стрелке гальванометра увидим: ток будет с той же частотой менять направление, зато почти в любой момент времени ток в проводнике будет протекать, кроме тех моментов, когда магнит находится в крайнем положении. Он в этот момент на мгновение останавливается и меняет направление движения, в этот момент ток тоже меняет направление.

Такой ток назвали переменным, он с определенной периодичностью меняет направление. Его реально получить, но можно ли его использовать для работы электроприборов? Оказывается, да, и в чем-то он даже удобнее постоянного.

Допустим, в приборе работа электрического тока идет на нагревание, это не только кипятильники и обогреватели, но и лампа накаливания, она светится потому, что ее спираль раскалена. Тогда большой разницы нет, переменный ток или постоянный. Тепло выделяется при любом направлении протекания тока одинаково, а что ток периодически на мгновение становится равным нулю – за это время проводник не успевает остыть.

Эффективные значения напряжения и силы тока

При постоянном токе мы знаем значение силы тока, например, 2 А, это значит, что за каждую секунду через сечение проводника проходит заряд 2 Кл. Мы можем вычислять работу и мощность электрического тока, выделяемую прибором теплоту, если это нагревательный прибор:

А как быть, если ток переменный, его значение меняется каждое мгновение, направление меняется 50 раз в секунду – какое значение тока брать? Брать амплитудное значение было бы неправильно, большую часть времени значение силы тока меньше амплитудного. Удобно ввести некое эффективное (или другое название – действующее) значение силы тока, которое равно величине тока, который совершает такую же работу, как и данный переменный, но будучи постоянным. Поясню: переменный ток с амплитудой 10 А совершает такую же работу, какую совершал бы постоянный ток 7,07 А, это значит, что эффективное значение такого переменного тока 7,07 А. К напряжению применимо всё то, что мы сказали для тока.

Как эти значения вычислить – у нас пока нет для этого математических инструментов, поэтому я дам готовые формулы для эффективного значения силы тока и напряжения для синусоидального тока:

То знакомое нам значение напряжения 220 В в бытовой сети – это как раз эффективное значение напряжения.

Если всё же для работы прибора требуется постоянный ток, то сделать преобразователь переменного тока в постоянный тоже не проблема. Мы не будем сейчас разбирать, как он устроен, но главное, что это реализуемо. Всевозможные зарядные устройства и блоки питания представляют собой такие преобразователи.

Зато у переменного тока есть ряд преимуществ перед постоянным: его удобнее передавать на большие расстояния, а также в сетях переменного тока можно легко изменять напряжение, об этом чуть позже.

Давайте усовершенствуем способ получения тока, ведь обеспечивать поступательное движение магнита внутри катушки неудобно. Изменять магнитный поток можно не только изменяя магнитное поле, можно изменять угол между магнитом и катушкой, и это намного удобнее.

Теперь можно закрепить катушку (эту часть еще называют статор, потому что она статична), поместить внутри нее магнит так, чтобы он мог там вращаться (его назвали ротор, от слова «rotate» – вращаться), и останется соединить магнит с турбиной, которая и будет его вращать. Основная часть электростанции готова, это называется генератор, и у нас есть инструменты для его расчета: мы можем связать магнитное поле магнита, скорость его вращения, количество витков в катушке, силу тока.

Рис. 16 – Модель простейшего генератора

В промышленных сетях принят стандарт частоты переменного тока: 50 Гц. С такой большой скоростью турбины на электростанциях не вращаются, поэтому катушку-статор делают с несколькими обмотками, ориентированными под углом друг к другу, и тогда магнитный поток меняется чаще, увеличивается частота тока.

Рис. 17 – Катушка-статор

Сами обмотки для более эффективной генерации тока делают не цилиндрическими, а более приспособленными к вращению магнита. Это немного корректирует расчеты, но принцип не меняется.

Остается еще вопрос, каким способом вращать турбину генератора. Мы в начале урока говорили о гидроэлектростанции, где турбину вращает поток падающей воды – это один способ. Есть разновидность гидроэлектростанций, которые используют потоки воды при приливах и отливах.

Можно вращать турбину потоком водяного пара. А чтобы этот пар получить, воду нужно нагреть: сжигая топливо, как делается на теплоэлектростанциях, или используя ядерные реакции, как на атомных электростанциях. Можно вращать турбину с помощью ветра, ветряные электростанции популярны как одни из наиболее экологически чистых.

Есть еще электростанции на солнечных батареях, но в основе их работы лежит совсем другое явление, там ничего не вращается, и электромагнитная индукция не используется.

Трансформатор

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, которое мы сегодня изучили. Трансформатор представляет собой две катушки, надетые на один и тот же железный сердечник. Так как чаще всего это несъемные катушки, которые наматываются прямо на сердечник, их называют обмотками трансформатора.

Посмотрим, что будет происходить, если по одной из обмоток пустить переменный ток. Эту обмотку назвали первичной. Этот ток создаст магнитное поле, которое усилится железным сердечником. Так как ток переменный, магнитное поле тоже будет всё время изменяться. Изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а значит и внутри второй обмотки, будет создавать в ней индукционный ток (если обмотка не разомкнута). Эту обмотку назвали вторичной. Мы сейчас не заостряем внимание на направлении магнитного поля и тока во вторичной обмотке в каждый момент, в любом случае это будет тоже синусоида с той же частотой, что и ток в первичной обмотке.

И что самое важное, напряжения на обмотках трансформатора отличаются во столько раз, во сколько раз отличается количество витков в обмотках:

Это уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором нет потерь энергии, но оно позволяет достаточно точно рассчитать и параметры реального трансформатора.

В зависимости от количества витков на обмотках, напряжение на вторичной обмотке может быть больше, чем на первичной, такой трансформатор назвали повышающим, а если наоборот – то понижающим.

Принципиально первичная и вторичная обмотки ничем не отличаются, поэтому мы можем их поменять местами: к другой обмотке подключить источник переменного тока, а оставшуюся подключить к нагрузке. Так можно из повышающего трансформатора сделать понижающий, и наоборот.

Трансформатор полезен не только для изменения напряжения переменного тока. Может быть полезен сам факт, что электроэнергия передается без электрического контакта между обмотками. Это используется для так называемой гальванической развязки, например, в медицинских приборах, чтобы исключить всякий контакт прибора с сетью 220 В.

Ссылки на литературу:

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. — 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.

Ссылки на источники Интернет:

1. Интернет-портал «Класс!ная физика»
2. Интернет-портал «Класс!ная физика»
3. Интернет-портал «Класс!ная физика»
4. Интернет-портал «Класс!ная физика»
5. Интернет-портал «Класс!ная физика»

Домашнее задание:

1. Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
2. Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.

Основные понятия в электротехнике: магнитная индукция, магнитная напряженность и другие

В данной статье мы рассмотрим основные понятия и свойства в электротехнике, такие как магнитная индукция, магнитная напряженность, магнитная проницаемость и другие, и объясним их суть простым и понятным языком.

Основные понятия в электротехнике: магнитная индукция, магнитная напряженность и другие обновлено: 25 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! Сегодня мы будем говорить о магнитных явлениях и их свойствах. Магнетизм – это одна из фундаментальных сил природы, которая играет важную роль в нашей повседневной жизни и в технологических процессах.

Магнитные явления возникают в результате движения электрических зарядов. Магнитное поле, создаваемое движущимися зарядами, оказывает влияние на другие заряды и магнитные материалы. В этой лекции мы рассмотрим основные понятия и свойства магнитных явлений, которые помогут вам лучше понять их суть и применение.

Мы начнем с определения и объяснения магнитной индукции (B), магнитной напряженности (H) и магнитной проницаемости (μ). Затем мы рассмотрим магнитную силу (F), магнитный поток (Φ) и коэрцитивную силу (Hc). Далее мы обсудим магнитную энергию (W), магнитную индуктивность (L), магнитную реактивность (X) и магнитную проводимость (σ).

Приготовьтесь к увлекательному погружению в мир магнитных явлений и их применение в электротехнике!

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Магнитная индукция (B)

Магнитная индукция (B) – это физическая величина, которая характеризует магнитное поле в данной точке пространства. Она измеряется в теслах (T).

Магнитная индукция обусловлена наличием магнитных полюсов и течением электрического тока. Она указывает на силу и направление воздействия магнитного поля на другие магнитные или заряженные частицы.

Магнитная индукция (B) связана с магнитной напряженностью (H) и магнитной проницаемостью (μ) по формуле:

где μ – магнитная проницаемость, а H – магнитная напряженность.

Магнитная индукция также может быть выражена через магнитный поток (Φ) и площадь поперечного сечения (A) по формуле:

где Φ – магнитный поток, а A – площадь поперечного сечения.

Магнитная индукция имеет свои особенности и свойства, которые определяют ее влияние на окружающую среду и взаимодействие с другими магнитными или заряженными частицами.

Магнитная напряженность (H)

Магнитная напряженность (H) – это физическая величина, которая характеризует интенсивность магнитного поля в среде. Она определяет, как сильно магнитное поле воздействует на магнитные материалы и заряженные частицы.

Магнитная напряженность измеряется в амперах в метре (A/m) и обозначается символом H. Она является векторной величиной, то есть имеет направление и величину.

Магнитная напряженность связана с током, протекающим через проводник или соленоид, и с количеством витков вокруг него. Чем больше ток и число витков, тем больше магнитная напряженность.

Магнитная напряженность также зависит от магнитной проницаемости среды, в которой она распространяется. Магнитная проницаемость (μ) определяет, насколько легко магнитное поле может проникать через материал. Чем выше магнитная проницаемость, тем больше магнитная напряженность.

Магнитная напряженность играет важную роль в различных областях, таких как электротехника, электроника, магнитные материалы и медицинская техника. Она используется для создания и управления магнитных полей, а также для измерения и анализа магнитных свойств материалов.

Магнитная проницаемость (μ)

Магнитная проницаемость (μ) – это физическая величина, которая характеризует способность материала пропускать магнитные линии силы. Она определяет, насколько легко магнитное поле может проникать через материал.

Магнитная проницаемость является важным параметром в электротехнике и магнитных материалах, так как она влияет на магнитные свойства и поведение материалов в магнитных полях.

Магнитная проницаемость обозначается символом μ и измеряется в единицах Гн/м (генри на метр) в системе СИ.

Виды магнитной проницаемости:

Существуют два вида магнитной проницаемости:

1. Абсолютная магнитная проницаемость (μ)
2. Относительная магнитная проницаемость (μ_r)

Абсолютная магнитная проницаемость (μ)

Абсолютная магнитная проницаемость (μ) – это мера способности материала пропускать магнитные линии силы в сравнении с вакуумом. Она определяется как отношение магнитной индукции (B) к магнитной напряженности (H) в материале:

Абсолютная магнитная проницаемость является характеристикой самого материала и может быть различной для разных веществ.

Относительная магнитная проницаемость (μ_r)

Относительная магнитная проницаемость (μ_r) – это отношение абсолютной магнитной проницаемости материала к абсолютной магнитной проницаемости вакуума (μ₀), которая равна 4π × 10 -7 Гн/м:

Относительная магнитная проницаемость позволяет сравнивать магнитные свойства разных материалов и определять их способность пропускать магнитные линии силы по сравнению с вакуумом.

Значение относительной магнитной проницаемости может быть больше или меньше единицы. Если оно больше единицы, то материал называется парамагнитным, если меньше – диамагнитным.

Знание магнитной проницаемости материала позволяет предсказывать его поведение в магнитных полях и использовать его для создания и управления магнитных устройств и систем.

Магнитная сила (F)

Магнитная сила (F) – это физическая величина, которая описывает взаимодействие между магнитными полюсами или магнитными материалами. Она измеряется в ньютонах (Н).

Магнитная сила возникает из-за взаимодействия магнитных полей. Если два магнитных полюса одинакового знака (например, два северных полюса или два южных полюса) приближаются друг к другу, то они отталкиваются. Если же два магнитных полюса разных знаков (например, северный и южный полюс) приближаются друг к другу, то они притягиваются.

Магнитная сила также может воздействовать на магнитные материалы, такие как железо или никель. Если магнитное поле приближается к магнитному материалу, то он может притягиваться к нему или отталкиваться от него в зависимости от свойств материала и направления магнитного поля.

Магнитная сила может быть вычислена с использованием закона взаимодействия между магнитными полюсами или с использованием закона Ампера для магнитных материалов. Она зависит от магнитной индукции (B) и площади поверхности, на которую действует магнитное поле.

Магнитная сила играет важную роль в различных областях, таких как электротехника, механика и магнитные устройства. Она используется для создания и управления электромагнитных систем, таких как электромагнитные клапаны, электромагнитные моторы и генераторы.

Магнитный поток (Φ)

Магнитный поток (Φ) – это физическая величина, которая описывает количество магнитных линий, проходящих через определенную поверхность. Он измеряется в веберах (Wb).

Магнитный поток связан с магнитной индукцией (B) и площадью поверхности (A) следующим образом:

где B – магнитная индукция, A – площадь поверхности.

Магнитный поток является важным понятием в электротехнике и физике. Он используется для описания магнитных явлений, таких как взаимодействие магнитных полей, электромагнитная индукция и магнитные цепи.

Магнитный поток также играет важную роль в законе Фарадея, который гласит, что изменение магнитного потока через контур вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС) в этом контуре. Это явление является основой для работы генераторов и трансформаторов.

Коэрцитивная сила (Hc)

Коэрцитивная сила (Hc) – это мера силы, необходимой для размагничивания материала. Она определяет, насколько сильно магнитное поле должно быть изменено, чтобы полностью устранить намагниченность материала.

Коэрцитивная сила является важным параметром для магнитных материалов, таких как ферромагнетики. Она показывает, насколько сильно материал удерживает свою намагниченность и как легко его можно размагнитить.

Чем выше значение коэрцитивной силы, тем более устойчивым к размагничиванию является материал. Например, магниты с высокой коэрцитивной силой (такие как постоянные магниты) сохраняют свою намагниченность долгое время и не размагничиваются легко.

Коэрцитивная сила измеряется в амперах на метр (A/m) или эрг/см³ в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда).

Магнитная энергия (W)

Магнитная энергия (W) – это энергия, связанная с магнитным полем, которое создается током или намагниченным материалом. Она определяет количество работы, которую можно совершить с помощью магнитного поля.

Магнитная энергия может быть вычислена с использованием формулы:

где W – магнитная энергия, L – индуктивность, I – сила тока.

Магнитная энергия сохраняется в магнитном поле и может быть использована для выполнения работы. Например, в электромагнитах магнитная энергия преобразуется в механическую энергию, когда электромагнит притягивает или отталкивает другой объект.

Магнитная энергия также играет важную роль в электрических цепях, особенно в индуктивных элементах, таких как катушки. Она может накапливаться и освобождаться во время изменения тока в катушке.

Магнитная энергия измеряется в джоулях (Дж) в системе Международных единиц (СИ) или эргах (эр) в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда).

Магнитная индуктивность (L)

Магнитная индуктивность (L) – это физическая величина, которая характеризует способность материала создавать магнитное поле при протекании через него электрического тока. Она измеряется в генри (Гн) в системе Международных единиц (СИ) или в эргах на квадратный сантиметр (эр/см^2) в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда).

Магнитная индуктивность зависит от свойств материала и геометрии магнитной системы. Она определяет, насколько сильно магнитное поле будет создаваться при заданном токе и геометрии системы.

Магнитная индуктивность обычно обозначается символом L и вычисляется по формуле:

L = N^2 * μ * A / l

где N – число витков в катушке, μ – магнитная проницаемость материала, A – площадь поперечного сечения катушки и l – длина катушки.

Магнитная индуктивность играет важную роль в электрических цепях, особенно в индуктивных элементах, таких как катушки. Она определяет, насколько сильно изменение тока в катушке будет влиять на магнитное поле и наличие электромагнитной энергии в системе.

Магнитная индуктивность также используется в расчетах электромагнитных систем, таких как трансформаторы и индукционные нагреватели, где важно знать, как изменение тока влияет на магнитное поле и энергетические потери.

Магнитная реактивность (X)

Магнитная реактивность (X) – это параметр, который характеризует способность индуктивного элемента, такого как катушка, сопротивляться изменению тока приложенного к нему переменного напряжения.

Магнитная реактивность измеряется в омах (Ω) и обозначается символом X. Она является мнимой составляющей импеданса индуктивного элемента и определяется формулой:

X = ωL

где ω – угловая частота переменного тока, а L – индуктивность катушки.

Магнитная реактивность имеет фазовый сдвиг на 90 градусов относительно напряжения. Это означает, что ток в индуктивном элементе отстает по фазе на 90 градусов от напряжения.

Магнитная реактивность играет важную роль в электрических цепях, особенно в переменных токах. Она влияет на эффективность передачи энергии, а также на форму и амплитуду тока и напряжения в цепи.

Кроме того, магнитная реактивность используется в расчетах и проектировании электрических цепей, где важно учитывать влияние индуктивных элементов на работу системы и выбирать подходящие компоненты для достижения требуемых характеристик.

Магнитная проводимость (σ)

Магнитная проводимость (σ) – это физическая величина, которая характеризует способность материала проводить магнитные линии силы. Она определяет, насколько легко магнитное поле может проникать через материал.

Магнитная проводимость является аналогом электрической проводимости, которая характеризует способность материала проводить электрический ток. Однако, в отличие от электрической проводимости, магнитная проводимость измеряется в генри/метр (H/m).

Материалы с высокой магнитной проводимостью легко пропускают магнитные линии силы, в то время как материалы с низкой магнитной проводимостью затрудняют проникновение магнитного поля.

Магнитная проводимость зависит от свойств материала, таких как состав, структура и магнитные свойства. Некоторые материалы, такие как железо и никель, обладают высокой магнитной проводимостью и широко используются в магнитных цепях и устройствах.

Магнитная проводимость также играет важную роль в расчетах и проектировании магнитных систем. Она позволяет определить, как магнитное поле будет распространяться через материалы и какие потери могут возникнуть в системе.

Таблица свойств магнетиков

Свойство	Определение
Магнитная индукция (B)	Векторная величина, которая характеризует магнитное поле в данной точке пространства.
Магнитная напряженность (H)	Векторная величина, которая характеризует интенсивность магнитного поля в данной точке пространства.
Магнитная проницаемость (μ)	Физическая величина, которая характеризует способность вещества создавать магнитное поле.
Магнитная сила (F)	Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд или магнитный момент.
Магнитный поток (Φ)	Количество магнитных силовых линий, проходящих через заданную поверхность.
Коэрцитивная сила (Hc)	Минимальное значение магнитной напряженности, необходимое для размагничивания материала.
Магнитная энергия (W)	Энергия, связанная с магнитным полем в данной системе.
Магнитная индуктивность (L)	Физическая величина, которая характеризует способность материала создавать магнитное поле при протекании через него электрического тока.
Магнитная реактивность (X)	Величина, которая характеризует способность материала создавать магнитное поле при протекании через него переменного тока.
Магнитная проводимость (σ)	Физическая величина, обратная магнитной реактивности, которая характеризует способность материала пропускать магнитные силовые линии.

Заключение

В данной лекции мы рассмотрели основные понятия и свойства, связанные с электротехникой. Магнитная индукция (B) – это векторная величина, которая характеризует магнитное поле. Магнитная напряженность (H) – это мера силы магнитного поля. Магнитная проницаемость (μ) – это свойство материала пропускать магнитное поле. Магнитная сила (F) – это сила, действующая на магнитный диполь в магнитном поле. Магнитный поток (Φ) – это количество магнитных силовых линий, проходящих через поверхность. Коэрцитивная сила (Hc) – это мера силы, необходимой для размагничивания материала. Магнитная энергия (W) – это энергия, хранящаяся в магнитном поле. Магнитная индуктивность (L) – это мера способности материала создавать магнитное поле. Магнитная реактивность (X) – это мера способности материала воздействовать на магнитное поле. Магнитная проводимость (σ) – это способность материала проводить магнитное поле.

Основные понятия в электротехнике: магнитная индукция, магнитная напряженность и другие обновлено: 25 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру