Электромагнетизм определение, история открытия и применение

Электромагнетизм кратко

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о принципе действия конденсатора, который является одним из типов реактивных элементов. Вторым типом реактивного элемента является катушка индуктивности или дроссель, который я рассмотрю в следующих статьях. Сегодняшняя статья посвящена магнитному полю и его свойствам, без которого невозможно описать принцип действия индуктивных элементов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Что такое магнитное поле?

В одной из предыдущих статей, рассказывая об электрическом поле, я упомянул, что оно является частью общего электромагнитного поля. Не трудно догадаться, что второй частью является магнитное поле, дополняющее картину взаимодействия электрических зарядов.

Использование магнитов началось давно, так, к примеру, магнитный компас используется уже более 4000 лет, а исследованиями магнитных полей занялись в XIII веке. Однако магнетизм, как наука стал распространяться только с XVII века с работ Уильям Гильберт Колчестера. С момента открытия электричества и исследования электрических явлений, стало ясно, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Данную связь исследовали Андре-Мари Ампер и Джеймс Клерк Максвелл.

В результате этих исследований было установлено, что существуют тела, которые обладают следующими свойствами:

— данные тела притягивают металлические предметы;

— если проводник с током поместить возле данного тела, то на данный проводник будет действовать некоторая сила, которая заставляет перемещаться данный проводник с током;

— если проводник перемещать возле таких тел, то на концах проводника появляется ЭДС (электродвижущая сила), то есть напряжение.

Тела вокруг, которых наблюдались данные явления, назвали магнитами, а пространство вокруг магнитов – магнитными полями. Магнитное поле на поверхности магнита имеет максимальное значение в некоторых точках, которые назвали полюсами магнита. Каждый магнит имеет два полюса: северный, обозначаемый буквой N и южный, имеющий обозначение – S. Магнитное поле состоит из силовых линий, направление, которых приняли считать от северного полюса к южному полюсу.


Магнитное поле магнита.

Изначально для получения магнитного поля использовали природными магнитами, но после того как обнаружили явление электромагнетизма, то есть свойство проводника с электрическим током, создавать магнитное поле, то начали использовать электромагниты.

Параметры магнитного поля

Изучение магнитного поля, как и любого другого физического явления, происходило на основе экспериментов, в результате которых в 19 веке было установлено два факта:

  1. Магнитное поле воздействует на движущиеся заряды.
  2. Движущиеся заряды создают магнитное поле.

Таким образом, вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает магнитное поле, силовые линии которого имеют вид окружностей, расположенных перпендикулярно проводнику. Причем направление магнитных силовых линий проводника с током определяется, так называемым «правилом буравчика», то есть направление магнитных силовых линий, вокруг проводника с током совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика, если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводе.


Магнитное поле проводника с током и направление действия вектора магнитной индукции.

Магнитное поле характеризуется следующими параметрами: магнитная индукция, магнитный поток, напряженность магнитное поля и магнитная проницаемость. Рассмотрим данные параметры подробнее.

Что такое магнитная индукция?

Магнитной индукцией называется интенсивность магнитного поля в каждой его точке. То есть, перенося определение магнитной индукции на проводник с током, можно сказать, что это силовое поле, которое действует на проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция обозначается буквой В и имеет размерность Тл (тесла). Данное силовое воздействие изображено на рисунке ниже


Рисунок, изображающий силовое воздействие на проводник с током в магнитном поле.

Данный рисунок показывает, что на прямолинейный проводник длиной l, по которому протекает электрический ток силой I, помещенный в магнитное поле с магнитной индукцией B действует сила F. Причем направления действия силы на проводник перпендикулярно протеканию электрического тока и направлению силовых линий магнитного поля.

где F – сила, действующая на проводник с током в магнитном поле,

I – сила тока, протекающего по проводнику,

l – длина проводника, находящегося в магнитном поле.

Таким образом, магнитная индукция B численно равна силе F, действующей на проводник длиной 1 м, по которому протекает сила тока в 1 А.

Магнитная индукция есть векторная величина, направление, которой в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля. Таким образом, магнитное поле считается однородным, если векторы магнитной индукции В во всех точках поля одинаковы, иначе магнитное поле считается неоднородным.

Что такое магнитный поток?

Магнитным потоком называется физическая величина пропорциональная количеству силовых линий магнитного поля на определённой площади пространства. Так как силовые линии являются абстрактным понятием, то, следовательно, магнитный поток характеризует интенсивность магнитного поля, то есть магнитную индукцию на данной площади. Магнитный поток обозначается Ф и имеет размерность Вб (Вебер).


Изображение магнитного потока.

Таким образом, магнитный поток можно выразить следующим выражением

где В – магнитная индукция,

S – площадь поверхности, для которой рассчитывается магнитный поток.

На рисунке изображены силовые линии магнитного поля, которые перпендикулярны к поверхности S, то есть угол между вектором магнитной индукции В и поверхностью S равен 90°. Однако часто бывает, что необходимо вычислит магнитный поток на плоскости не перпендикулярной вектору магнитной индукции. Для определения такого магнитного потока необходимо привести вектор магнитной индукции к нормали

Читайте также:  Замена лампы ближнего света Ford Focus 2 рестал и дорестайл


Приведение к нормали вектора магнитной индукции.

Таким образом, итоговое выражение для нахождения магнитного потока будет иметь вид

где В – вектор магнитной индукции,

S – площадь поверхности, на которой находят магнитный поток,

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности S.

Что какое магнитная проницаемость?

Параметры магнитного поля в значительной степени зависит от окружающего пространства. Это объясняется тем, что электроны, вращаясь вокруг ядра атома, создают свой собственный микроток, а как известно ток создает магнитное поле. Таким образом, когда внешнее магнитное поле отсутствует, микротоки ориентируются беспорядочным образом и их магнитное поле практически нельзя обнаружить. В случае воздействия внешнего магнитного поля происходит некоторая ориентация микротоков и в результате создаваемое микротоками магнитное поле накладывается на внешнее магнитное поле и изменяют его. Таким образом, под действием внешнего магнитного поля происходит намагничивание веществ, в которых данное магнитное поле распространяется.

Степень намагничивания веществ или их магнитные свойства характеризуются магнитной проницаемостью, которая бывает абсолютной и относительной.

Абсолютная магнитная проницаемость является характеристикой магнитных свойств веществ, обозначается μа или μ. В зависимости от данной величины все вещества делятся на три класса:

— диамагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость меньше единицы (μ ≤ 1);

— парамагнетики, у которых значение абсолютной магнитной проницаемости больше единицы (μ ≥ 1);

— ферромагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость значительно больше единицы (μ >> 1).

В некоторых случаях вместо абсолютной магнитной проницаемости удобнее пользоваться значениями относительной магнитной проницаемости.

Относительной магнитной проницаемостью, называется коэффициент, который показывает во сколько раз значение абсолютной магнитной проницаемости больше магнитной постоянной (или проницаемости вакуума). Относительная магнитная проницаемость обозначается μr и может быть выражена следующим выражением

где μ – магнитная постоянная, μ = 4π*10 -7 Гн/м.

Что такое напряженность магнитного поля?

Довольно часто при расчётах магнитных цепей используют понятие напряженности магнитного поля, которое характеризует магнитное поле, но в отличие от магнитной индукции не зависит от свойств окружающей среды. Напряженность магнитного поля является векторной величиной и обозначается Н.

В большинстве случаев напряженность магнитного поля совпадает с направлением вектора магнитной индукции В, кроме того между ними существует прямая зависимость

где μ –магнитная постоянная, μ = 4π*10 -7 Гн/м;

В – магнитная индукция.

Единицей напряженности магнитного поля является эрстед (Э).

Более подробно с вышеописанными параметрами магнитного поля я ознакомлю вас в следующих статьях.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

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.

Читайте также:  Chevrolet Niva Manual; Паспортные данные автомобиля

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.

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.

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

Читайте также:  Замена вкладышей коленвала самостоятельно

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Электрическая турбина технические характеристики, достоинства и недостатки
Электро турбина на авто Сегодня хочу поднять интересную тему, в принципе это логическое продолжение статьи, форсирование двигателя. Если немного забежать...
Щетки стеклоочистителя ваз 2115 2007-2015 г
Какой размер дворников на газели - Авто журнал Инкам Авто Дворники на Газель Какие щетки стеклоочистителя поставить на Газель? Будем...
Щетки стеклоочистителя как снять и заменить самостоятельно
Как поменять дворники на машине видео и фото инструкция Ваша машина в надежных руках! Автомобильные стеклоочистители или если попроще «дворники»...
Электрические и гибридные минивэны
Недорогие и доступные минивэны всех марок Вместительные и удобные минивэны пользуются высоким спросом среди российских автолюбителей. Их покупают не только...
Adblock detector