Электромагнетизм определение, история открытия и применение

Электромагнетизм определение, история открытия и применение

В данной статье вы узнаете что такое электромагнетизм, электромагнитное поле и электромагнитные волны.

Определение и история открытия

Электромагнетизм — это раздел физики, который занимается электричеством, магнетизмом и взаимодействием между ними. Впервые он был открыт в 19 веке и широко применяется в современном мире физики.

Электромагнетизм — это в основном наука об электромагнитных полях. Электромагнитное поле — это поле, создаваемое электрически заряженными объектами. Радиоволны, инфракрасные волны, ультрафиолетовые волны и рентгеновские лучи — это электромагнитные поля в определенном диапазоне частот. Электричество производится путем изменения магнитного поля. Это явление также называют «электромагнитной индукцией». Точно так же магнитное поле создается движением электрических зарядов.

Основной закон электромагнетизма известен как «закон индукции Фарадея». Феномен электромагнетизма был открыт в 19 веке, и это привело к открытию «специальной теории относительности» Альберта Эйнштейна. Согласно его теории, электрические и магнитные поля могли быть преобразованы друг в друга с относительным движением. Это явление и его применение были открыты благодаря многочисленным вкладам великих ученых и физиков, таких как Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл, Оливер Хевисайд и Генрих Герц. В 1802 году итальянский ученый продемонстрировал связь между электричеством и магнетизмом, отклонив магнитную стрелку с помощью электростатических зарядов.

Электромагнетизм — это в основном гипотеза комбинированного выражения основной силы, известной как «электромагнитная сила». Эту силу можно увидеть, когда электрический заряд движется. Это движение производит магнетизм. Эта идея была представлена ​​Джеймсом Клерком Максвеллом, который опубликовал теорию электричества и магнетизма в 1865 году. На основе этой теории многие ученые совершили множество открытий и других эффектов. Электромагнетизм распространился и на область квантовой физики, где свет распространяется как волна и взаимодействует как частица.

Было доказано, что электричество может вызвать магнетизм и наоборот. Очень простой пример — это электрический трансформатор. Обмены происходят внутри трансформатора, который вызывает электромагнитные волны . Еще один факт, касающийся этих волн, заключается в том, что им не нужна среда для распространения, хотя их скорость относительно медленнее при путешествии через прозрачные вещества.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны были впервые обнаружены Джеймсом Клерком Максвеллом, и они были подтверждены впоследствии Генрихом Герцем. Впоследствии Максвелл получил волновую форму электрических и магнитных уравнений, которая показала, что электрические и магнитные поля имеют волнообразную природу. Факторами, которые отличают электромагнитные волны друг от друга, являются частота, амплитуда и поляризация. Например, лазерный луч когерентен, а излучение имеет только одну частоту. Существуют и другие типы волн, различающихся по частоте, такие как радиоволны, которые находятся на очень низких частотах, гамма-лучи и рентгеновские лучи очень высокой частоты. Электромагнитные волны могут распространяться на очень большие расстояния, и на них не влияют никакие препятствия, будь то огромные стены или башни.

Это особое взаимодействие электричества и магнетизма привело к большим достижениям в современной науке и технике, и предпринимаются усилия, чтобы узнать больше об электромагнетизме и его применениях. Другими силами являются гравитационные силы, сильные и слабые силы. Электромагнетизм также сочетается со слабой силой, известной как «электрослабая сила».

Применение электромагнетизма

Электромагнетизм имеет множество применений в современном мире науки и физики. Самым основным применением электромагнетизма является использование двигателей. Двигатель имеет переключатель, который непрерывно переключает полярность снаружи двигателя. Электромагнит делает то же самое. Мы можем изменить направление, просто изменив направление тока. Внутри двигателя есть электромагнит, но ток регулируется таким образом, что внешний магнит отталкивает его.

Еще одно очень полезное применение электромагнетизма — «машина сканирования CAT». Эта машина обычно используется в больницах для диагностики заболеваний. Поскольку мы знаем, что в нашем теле присутствует ток, и чем он сильнее, тем сильнее магнитное поле. Эта технология сканирования способна улавливать магнитные поля, и ее легко можно идентифицировать, если внутри тела присутствует большое количество электрической активности.

Работа человеческого мозга основана на электромагнетизме. Электрические импульсы вызывают операции внутри мозга, и у него есть некоторое магнитное поле. Когда два магнитных поля пересекаются друг с другом внутри мозга, возникает помеха, которая вредна для мозга.

Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Главная страница » Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Силу, образующуюся в результате течения электрического тока через проводник (например, через участок провода или кабеля), характеризуют как электромагнетизм. При таких условиях проводник окружает магнитное поле. Направление магнитного поля относительно «северного» / «южного» полюсов определяется направлением тока, текущего через проводник.

Читайте также:  Какой автомобиль лучше Renault Sandero или Renault Sandero Stepway

Роль электромагнетизма в электротехнике

Магнетизм играет важную роль в электротехнике (электронике). Многие электронные и электрические компоненты:

  • реле,
  • соленоиды,
  • катушки индуктивности,
  • дроссели,
  • катушки громкоговорителей,
  • обмотки электродвигателей,
  • генераторы,
  • трансформаторы,
  • счетчики электроэнергии и прочие,

попросту не способны работать в условиях отсутствия эффекта магнетизма. По сути, любая катушка, выполненная намоткой провода, даёт эффект электромагнетизма в момент течения электрического тока. Для лучшего понимания магнетизма и электромагнетизма в частности, логично рассмотреть физику работы магнитов и магнетизма.

Какой видится природа магнетизма?

Магнетизм нередко присутствуют в естественном состоянии, например, в виде продуктов добываемой минеральной руды. Причём двумя основными типами элементов природного магнетизма выступают:

  1. Оксид железа (FE3O4).
  2. Магнетитовый железняк (FeO·Fe2O3).

Если указанную пару естественных магнитов подвесить на нить, оба займут положение, соответствующее магнитному полю Земли, которое всегда указывает на север.

Полюса Земли лежат в основе эффекта электромагнетизма — явления, с которым приходится сталкиваться не только инженерам-физикам в исследованиях, но также обычным людям в хозяйственной практике

Достаточно наглядно демонстрирует эффект магнетизма стрелка туристического компаса. Относительно практических применений магнетизм природного происхождения редко принимается во внимание.

Обусловлено это низким уровнем эффекта магнетизма, характерным для таких объектов, плюс следует брать в расчёт создание искусственных магнитов. Люди научились делать искусственные магниты разных форм, размеров, силы.

Эффект магнетизма поддерживается объектами двух форм, представляющих:

  1. Постоянные магниты.
  2. Временные магниты.

Причём используемый тип магнита зависит от конкретного применения. Применяется масса различных типов материалов под изготовление магнитов:

  • железо,
  • никель,
  • никелевые сплавы,
  • хром,
  • кобальт,

Что интересно, будучи в естественном состоянии материала, некоторые элементы списка, например, никель и кобальт, демонстрируют крайне низкие величины магнетизма.

Однако если эти элементы «легируются» с другими материалами — пероксидом железа или алюминия, формируются очень сильные магниты, получившие необычные названия:

  • «Alnico»
  • «Alcomax»,
  • «Alni»,
  • «Hycomax».

Материал в немагнитном состоянии имеет молекулярную структуру в виде разрозненных цепочек (отдельных микро-магнитов), свободно расположенных в случайном порядке.

Общий эффект такого расположения приводит к нулевому или очень слабому эффекту магнетизма. Объясняется подобное явление случайным расположением отдельного молекулярного магнита, имеющего тенденцию нейтрализовать соседние молекулы.

Формирование поля в структуре материала: 1 – хаотичным случайным образом расположенные магнитные домены не дают эффекта магнетизма; 2 – упорядоченные ровно выстроенные домены дают выраженный эффект магнетизма

Когда материал намагничен, случайное расположение молекул изменяется. В итоге микроскопические случайные молекулярные магниты «выстраиваются» последовательным расположением. Этот эффект молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов известен как теория Вебера.

Магнитное выравнивание молекулы куска железа

Теория Вебера основана на магнитных свойствах атомов благодаря действию вращения атомов электронов. Группы атомов объединяются, а магнитные поля вращаются в одном направлении. Материалы составляют микроскопические магниты на молекулярном уровне.

Структура большинства намагниченных материалов состоит из микроскопических элементов, выстроенных в одном направлении для создания только северного полюса и в другом направлении для создания южного полюса.

Материал, в структуре которого молекулярные магниты сосредоточены по всем направлениям, имеет «нейтральные» молекулярные частицы, нейтрализующие любой эффект магнетизма. Эти области молекулярных магнитов именуются «доменами».

Любому материалу характерно создание орбитальных и вращающихся электронов магнитного поля, полностью зависящего от степени выравнивания доменов в материале. Эта степень выравнивания, как правило, определяется величиной намагниченности (М).

Схематичная демонстрация формирования силовых линий: 1 – индуцируемый ток в рабочем материале; 2 – течение тока внутри проводников катушки; 3 – магнитное поле

Внутренняя структура немагнитного материала показывает М = 0. Однако некоторые из доменов могут оставаться выровненными по границам небольших областей в материале. Эффект приложения намагничивающей силы к материалу заключается в выравнивании некоторых доменов для получения ненулевого значения намагничивания.

Как только сила намагничивания нейтрализована, магнетизм внутри материала остаётся на некотором уровне, либо быстро затухнет в зависимости от используемого материала. Эта способность материала сохранять свойство магнетизма называется «Остаточная намагниченность».

Материалы, обладающие свойствами сохранения магнетизма, демонстрируют достаточно высокую способность к остаточной намагниченности, а потому часто используются для изготовления постоянных магнитов. В то же время материалы, обладающие свойством быстрой потери магнетизма, демонстрируют низкую способность остаточной намагниченности. Из таких материалов, изготавливают, к примеру, сердечники для реле и соленоидов.

Что такое магнитный поток?

Любым магнитам, независимо от формы, присуще характерное свойство — наличие пары полюсов. Внутренний магнетизм и молекулярные цепи полюсов образуют своеобразную цепочку невидимых линий потока организованной и сбалансированной структуры.

Читайте также:  Звуковая сирена, ревун - Охранная сигнализация в городе Москва и московская область

Эти линии потока образуют магнитное поле. Форма такого поля в некоторых частях более интенсивная, чем в других. Причём область магнита (традиционно концевая), обладающая наибольшим уровнем магнетизма, являются активной областью полюса.

Примерно такой вид формирования полей можно наблюдать (с помощью специальной техники) в области двух сближаемых противоположными полюсами магнитов

Линии потока — векторные поля, не видны невооруженным глазом, но доступны к определению, например, с помощью компаса. Полюса всегда присутствуют парами. Всегда существует область «северного» полюса и область «южного» полюса.

Поля отображаются визуально силовыми линиями, определяющими полюс на каждом конце материала, где линии потока более плотные и концентрированные. Линии, образующие поле, показывающие направление и степень интенсивности, называются силовыми линиями (магнитным потоком). Традиционно такой поток обозначается греческим символом «Фи» (φ).

Силовые линии определяющие эффект магнетизма

Как показано выше, магнитное поле является наиболее сильным вблизи полюсов магнита, где линии потока расположены близко друг к другу. Общее направление потока – традиционно от северного полюса (N) к южному (S) полюсу. Кроме того, силовые линии образуют замкнутые петли, выходящие на северный и на южный полюс.

Однако магнитный поток не течёт с «севера» на «юг» полюсов или каким-либо другим образом, поскольку является статической областью, окружающей магнит, где отмечается действие магнитной силы.

Другими словами, поток не течёт и не движется в принципе, а попросту существует, будучи не подверженным влиянию гравитации. Следующие важные факты магнетизма сопровождают построение силовых линий:

  • силовые линии не пересекаются и не прерываются,
  • силовые линии всегда образуют отдельные замкнутые петли,
  • силовым линиям магнетизма характерно направление с «севера» на «юг»,
  • близкое расположение силовых линий указывает на сильный магнетизм,
  • удалённое расположение силовых линий указывает на слабый магнетизм.

Силы магнетизма притягивают и отталкивают подобно электрическим силам, поэтому сближение двух силовых линий (взаимодействие между двумя полями) вызывает одно из двух явлений магнетизма:

  1. Отталкивание полюсов.
  2. Притягивание полюсов.

Эффект взаимодействия между полями с учётом разного расположения относительно полюсов: 1 – разноимённые полюса вызывают эффект притягивания; 2 – одноимённые полюса вызывают эффект отталкивания; 3 – направление силовых линий

Этот эффект легко запоминается благодаря известному выражению «противоположности притягиваются». Это взаимодействие магнитных полей, показывающие силовые линии окружающие магнит, легко продемонстрировать, используя железные наполнители. Влияние на магнитные поля различных комбинаций полюсов, когда одинаковые полюсы отталкиваются и в отличие от полюсов притягиваются, показано на картинке выше.

Магнитное поле одноименных и разноименных полюсов

Анализ линий магнитного поля с помощью компаса позволяет видеть, что созданием силовых линий придаётся определённый полюс на каждом конце магнита. Эффект магнетизма может быть нарушен нагреванием или ударом магнитного материала, но магнетизм невозможно уничтожить или изолировать, простым разделением магнита на две части.

Поэтому, если используя обычный стержневой магнит, разбить тело этого объекта на две части, двух половинок одного магнита получить не удастся. Вместо этого каждая часть слома образует полноценный магнит, наделённый «северным» и «южным» полюсами.

Продолжением разделения пополам других полученных частей приведёт к тому же результату. Независимо от того, насколько маленькими становятся кусочки магнита, у каждого кусочка будет формироваться «северный» и «южный» полюс, соответственно.

Определение величины магнетизма

Как отмечалось ранее, силовые линии (магнитный поток) магнитного материала обозначается греческим символом «Фи» (φ). Под единицей измерения потока используется Вебер (латинское обозначение Wb, русское – Вб). Число силовых линий в пределах данной единичной области называется «плотностью потока».

Поскольку магнитный поток измеряется в Веберах, а площадь в метрах квадратных, следовательно, плотность потока измеряется отношением Вб / S и обозначается латинским символом — B.

Однако когда речь идет о магнетизме, плотность потока задается в единицах Тесла, поэтому один Вб / S равен одному Тесла (1Вб / 1м 2 = 1T). Плотность потока пропорциональна силовым линиям и обратно пропорциональна площади. Отсюда плотность магнитного потока определяется как:

B = φ / S

Пример определения силы магнетизма

Количественный показатель магнитного потока, присутствующего в круглом магнитном стержне, равен 0,06 Вб. Какая плотность магнитного потока, если диаметр стержня магнита равен 24 см? Решение:

Сначала определяется площадь поперечного сечения стержня (в м 2 ):

S = π * R 2 (3.14 * 0.12 2 ) = 0.045

Далее рассчитывается плотность магнитного потока (в Тесла):

B = φ / S = 0. 06 / 0.045 = 1.33

Если применительно к магнетизму электрических цепей 1Т — это плотность магнитного поля, проводник, несущий ток 1А под прямым углом к магнитному полю, испытывает нагрузку магнитной силы в один ньютон на метр.

Читайте также:  Как записаться на сдачу экзамена в ГИБДД через Госуслуги в 2020 году

Магнетизм и электромагнетизм

Еще в глубокой древности люди заметили, что некоторые железные руды обладают свойством притягивать к себе железо, сталь, чугун и некоторые сплавы.

Это свойство получило название магнетизма, а носители этих свойств в природе — естественных магнитов. Естественные магниты имеют очень слабые силы притяжения и поэтому широкого применения в практике не нашли.

Заметив, что при соприкосновении стали, железа и некоторых сплавов с магнитом в них наводятся магнитные силы, люди научились делать из металла искусственные магниты.

Такие искусственные магниты способны сильнее, чем естественные, притягивать к себе стальные и железные предметы. Примером одного из первых искусственных магнитов может служить стрелка компаса.

Самые большие силы притяжения магнита сосредоточены на двух его концах — на так называемых полюсах магнита. В средней части магнита силы притяжения отсутствуют, и поэтому она называется нейтральной.

Рис. Расположение железных опилок по магнитным силовым линиям: 1 — лист бумаги с опилками; 2 — магнит

Если магнит подвесить на нитке за среднюю часть, то один из его полюсов повернется на север, другой — на юг. Поэтому и различают у магнита северный и южный полюса.

Пространство, в котором действуют силы магнитного притяжения, называется магнитным полем, а направления действия сил магнитного притяжения — магнитными силовыми линиями. Магнитные силовые линии отчетливо видны, если на лист бумаги равномерно насыпать железные опилки, а снизу поднести магнит.

Подобно электрическим зарядам магниты обладают свойством притягиваться один к другому или отталкиваться один от другого в зависимости от того, какими полюсами они соприкасаются. Так, например, если поднести один к другому два магнита разноименными полюсами (например, северный полюс одного магнита к южному полюсу другого), то они притянутся. Наоборот, если сблизить два магнита одноименными полюсами, магниты оттолкнутся один от другого.

Явление магнетизма может проявляться и под действием электрического тока.

Так, если по проводнику, свернутому в спираль 3, пропускать электрический ток, то такая спираль (называемая соленоидом) приобретает магнитные свойства.

Магнитное поле соленоида возрастет, если внутри него поместить железный сердечник 2. Такой соленоид называется электромагнитом, а само явление возбуждения магнитного поля электрическим током — электромагнетизмом.

Особенностью электромагнита является то, что магнитные свойства в нем проявляются лишь тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.

Рис. Магнитное поле соленоида: 1 — лист бумаги с опилками; 2 — железный сердечник: 3 — спираль; 4 — источник тока

Электрический ток и явление магнетизма тесно связаны между собой: с помощью электрического тока можно создать магнитное поле и, наоборот, с помощью магнитного поля можно получить электрический ток.

Так, если концы соленоида соединить с зажимами вольтметра и вводить в соленоид и выводить из него магнит или перемещать соленоид при неподвижном магните, стрелка прибора начнет отклоняться, указывая на то, что в соленоиде появился ток. Этот ток тем больше, чем большей силы магнит, чем больше витков в соленоиде и чем больше относительная скорость перемещения соленоида и магнита.

Явление возбуждения электрического тока при пересечении проводника магнитными силовыми линиями называется электромагнитной индукцией. Это явление широко используется для получения источников электрической энергии (генераторов).

Если взять несколько проводников и по одному из них пропускать ток, изменяющийся по величине или по направлению, то в соседних проводниках будет возбуждаться электродвижущая сила. Это явление называется взаимной индукцией.

Такое явление будет наблюдаться в соседних проводниках, если по одному из них то пропускать, то прерывать ток. При каждом замыкании и размыкании тока в соседних проводниках возникнет электродвижущая сила. На явлении взаимной индукции основаны устройство и действие трансформаторов переменного тока, а в электрооборудовании автомобиля — катушки зажигания с механическим прерывателем, преобразующей ток низкого напряжения генератора или аккумуляторной батареи в ток высокого напряжения для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя.

При замыкании и размыкании тока электродвижущая сила возбуждается не только в соседних проводниках, но и в проводнике, в котором то пропускается, то прерывается ток. Это явление называется самоиндукцией. Направление электродвижущей силы самоиндукции при замыкании и размыкании цепи основного тока в проводнике не остается постоянным: при замыкании, когда сила основного тока увеличивается, в проводнике возбуждается электродвижущая сила направления, обратного тому, по которому движется основной ток; при размыкании, когда сила основного тока уменьшается, направление возбужденной электродвижущей силы совпадает с направлением основного тока.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector