Влияет ли природа магнитного поля на явление электромагнитной индукции: Закон электромагнитной индукции. Кто открыл явление электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции. Кто открыл явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Майлом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превратить магнетизм в электричество. Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.

Открытие электромагнитной индукции

Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Наверное, должна существовать возможность с помощью магнита получить электрический ток.

Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных относительно друг друга проводниках. При возникновении в одной из них тока в другой катушке тоже индуцировался ток. Причем в дальнейшем он пропадал, и появлялся снова лишь при выключении питания одной катушки.

Через некоторое время Фарадей на опытах доказал, что при перемещении катушки без тока в цепи относительно другой, на концы которой подается напряжение, в первой катушке тоже будет возникать электрический ток.

Следующим опытом было введение в катушку магнита, и при этом тоже в ней появлялся ток. Данные опыты показаны на следующих рисунках.

Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.

Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.

Формулировка закона

Подведем краткий итог. Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения тока в замкнутом контуре, при изменении магнитного поля в котором находится этот контур.

Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая бы характеризовала магнитное поле – поток вектора магнитной индукции. 2, которая расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции.

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами.

Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока.

Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.

Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела.

На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.

Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились.

Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?

Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.

Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз: уже под влиянием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.

В то время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824 году Араго и не находившее объяснения, несмотря на; то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель.

Дело состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним.

В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного.

Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом.

И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток.

Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал основы в 1831 году магнитным кривым название «линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление.

Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы.

Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точки зрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока.

Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток.

Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения.

Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток.

И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя».

Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение, — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. — Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции даланглийский физик Джемс Клерк Максвелл — творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл.

При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь — возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток — это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле.

Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым».

Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения. А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…

Источник информации: Самин Д. К. «Сто великих научных открытий»., М.:«Вече», 2002 г.

Ответ:

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867).

Фарадей, будучи еще моло дым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил злектричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если “электричество создает магнетизм” , то и наоборот, “магнетизм должен создавать электричество”. И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: “Обратить магнетизм в электричество”. В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее — открыл явление электромагнитной индукции.

во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.

наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных явлениях.

Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им по могло открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 — 1865) правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: “Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении”.

Это правило очень удобно для определения направления ицдукционного тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько иначе, с упогребпением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в атом правиле устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов. Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому установление этой связи на первых порах дало возможность определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Созданию первого реле предшествовало изобретение в 1824 г. англичанином Стардженом электромагнита — устройства, преобразующего входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось (обнаруживалось) своим воздействием на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного перемещения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических устройств электросвязи (телеграфии и телефонии), электротехники, электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж. Генри в 1831 г.

До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле — движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическим и магнитным полями, которые меняются со временем.

Самый важный факт, который удалось обнаружить, — это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно является на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий был сделан основоположником представлений об электромагнитном поле — Фарадеем. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы и др. — дают ничтожную долю вырабатываемой энергии.)

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон пытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением

убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Оно было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем:

«На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи» (Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству», 1-я серия).

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг

относительно друга. Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита. В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции.

В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею элементов и достаточно чувствительный гальванометр.

В установке, изображенной на рисунке 238, индукционный ток возникает в одной из катушек при замыкании или размыкании электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой. В установке на рисунке 239 с помощью реостата меняется сила тока в одной из катушек. На рисунке 240, а индукционный ток появляется при движении катушек друг относительно друга, а на рисунке 240, б — при движении постоянного магнита относительно катушки.

Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь неподвижного проводящего контура вследствие изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 241).

Вектор магнитной индукции \(~\vec B\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, зависящую от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эту величину называют потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком
.

Выделим в магнитном поле настолько малый элемент поверхности площадью ΔS
, чтобы магнитную индукцию во всех его точках можно было считать одинаковой. Пусть \(~\vec n\) — нормаль к элементу, образующая угол α
с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).

Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS
называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \(~\vec B\) на площадь ΔS
и косинус угла α
между векторами \(~\vec B\) и \(~\vec n\) (нормалью к поверхности):

\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .

Произведение B
∙cos α
= В
n представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. Поэтому

\(~\Delta \Phi = B_n \cdot \Delta S\) .

Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от значения угла α
.

Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S
равен:

\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .

Поток магнитной индукции наглядно может быть истолкован как величина, пропорциональная числу линий вектора \(~\vec B\) , пронизывающих данную площадку поверхности.

Вообще говоря, поверхность может быть замкнутой. В этом случае число линий индукции, входящих внутрь поверхности, равно числу линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то положительной нормалью к поверхности принято считать внешнюю нормаль.

Линии магнитной индукции замкнуты, что означает равенство нулю потока магнитной индукции через замкнутую поверхность. (Выходящие из поверхности линии дают положительный поток, а входящие – отрицательный.) Это фундаментальное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то и электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.

Электромагнитная индукция

Открытие электромагнитной индукции

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время взаимосвязь этих явлений обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного: только меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или же сама катушка должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал Фарадей это явление, было сделано 29 августа 1831 г. Вот краткое описание первого опыта, данное самим Фарадеем. «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута (фут равен 304,8 мм), и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометр, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, не смотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга (рис. 3).

Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита (рис. 4).

В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью вскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 5).

Правило Ленца

Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает ин-дукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело — неплохой проводник.

Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 6, а), а во втором случае — уменьшается (рис. 6, б). Причем в первом случае линии индукции В
’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 6 изображены штрихом.

Рис. 6

Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции \(~\vec B»\) этого поля направлен против вектора индукции \(~\vec B\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \(~\vec B»\) , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865).

Согласно правилу Ленца

возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое на-правление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток.

индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине его вызывающей.

В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях.

Закон электромагнитной индукции

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I
i в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \(~\vec B\) , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.

Магнитный поток наглядно истолковывается как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S
. Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время Δt
магнитный поток меняется на ΔФ
, то скорость изменения магнитного потока равна \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

Поэтому утверждение, которое вытекает непосредственно из опыта, можно сформулировать так:

сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\(~I_i \sim \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

Известно, что в цепи возникает электрический ток в том случае, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим ее буквой E
i .

Закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы тока. При такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящую от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.

Согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ)

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\(~|E_i| = |\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}|\) .

Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рисунке 7 изображен замкнутый контур. Будем считать положительным направление обхода контура против часовой стрелки. Нормаль к контуру \(~\vec n\) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т. е. удельной работы, зависит от направления сторонних сил по отношению к направлению обхода контура. Если эти направления совпадают, то E
i > 0 и соответственно I
i > 0. В противном случае ЭДС и сила тока отрицательны.

Пусть магнитная индукция \(~\vec B\) внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда Ф
> 0 и \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) > 0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток Ф
’ B
’ магнитного поля индукционного тока изображены на рисунке 7 штрихом. Следовательно, индукционный ток I
i направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:

\(~E_i = — \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используют для установления единицы магнитного потока. Эту единицу называют вебером (Вб).

Так как ЭДС индукции E
i выражают в вольтах, а время в секундах, то из закона ЭМИ вебер можно определить следующим образом:

магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 1 В:

1 Вб = 1 В ∙ 1 с.

Вихревое поле

Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле
. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле
. Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q
точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \(~\vec F = q \vec E\) , где \(~\vec E\) — напряженность вихревого поля. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r
0 (рис. 8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \(~\vec B\) , и представляют собой окружности. В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции \(~\left (\frac{\Delta B}{\Delta t} > 0 \right)\) линии напряженности \(~\vec E\) образуют левый винт с направлением магнитной индукции \(~\vec B\) .

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет. Закон электромагнитной индукции — это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны. Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т.д.

Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, — бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Литература

1. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 10-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн.: Нар. асвета, 2001. – 319 с.
2. Мякишев, Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл. : учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – 476 с.

Рекомендуем также

(PDF) Электромагнитная гравитация Часть 3.

Electromagnetic field

68

Литература

1. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. СПб, НТФ «Истра», 2007.

2. Дж. К. Максвелл, Динамическая теория электромагнитного поля, часть IY.

Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. ГИТТЛ, М.,1952.

3. Максвелл Джеймс К., Трактат об электричестве и магнетизме в 2-х томах.

Изд. Наука, Москва, 1992.

4. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том

6. Изд. «Мир», М., 1966, с.294.

5. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Microworld. ISBN 978-5-

903247-27-8 Research Firm “ISTRA”, St-Petersburg, 2010.

6. Пакулин В.Н., Развитие материи. Вихревая модель микромира, НПО

«Стратегия будущего», ISBN 978-5-903247-49-2, 120 c., СПб, 2011.

7. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Gravitation. ISBN 978-3-

659-49678-3. Lambert Academic Publishing, Ger., 2013.

8. Пакулин В.Н., Структура материи. Вихревая модель микромира. Филосо-

фия и космология. ISSN2307-3705. Международное философско-космоло-

гическое общество. Киев, 2014.

9. Пакулин В.Н. Структура материи. ISBN 978-3-659-66577-6. Lambert Aca-

demic Publishing, 2014.

10. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. М., Берлин: Директ-Медиа, 2017,

209, ISBN 978-5-4475-8892-2. Книга выложена на сайте http://gravity.spb.ru

11. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том

5. Электричество и магнетизм, с.289. Изд. «Мир», М., 1966.

12. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 1. Образование поля и вещества.

Структура частиц. ISBN 978-3-330-05604-6, Lambert Acad. Publishing, 2018.

13. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 2. Фундаментальные взаимодействия.

ISBN 978-613-9-57749-1, Lambert Academic Publishing, 2018.

14. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теория поля, изд. 3, ГИФМЛ, М.,1960, с.195.

15. Патент США №725605 от 14. 04.1903 г.

16. «Pioneer Radio Engineer Gives Views on Power», New York Herald Tribune,

11-сентября 1932 г.

17. United States Patent # 6,486,846 — EH antenna, 2002.

Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток

В первой экспериментальной демонстрации электромагнитной индукции (август 1831) Фарадей обмотал двумя проводами противоположные стороны железного тора (конструкция похожа на современный трансформатор). Основываясь на своей оценке недавно обнаруженного свойства электромагнита, он ожидал, что при включении тока в одном проводе особого рода волна пройдёт сквозь тор и вызовет некоторое электрическое влияние на его противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и смотрел на него, когда другой провод подключал к батарее. В самом деле, он увидел кратковременный всплеск тока (который он назвал «волной электричества»), когда подключал провод к батарее, и другой такой же всплеск, когда отключал его. В течение двух месяцев Фарадей нашёл несколько других проявлений электромагнитной индукции. Например, он увидел всплески тока, когда быстро вставлял магнит в катушку и вытаскивал его обратно, он генерировал постоянный ток во вращающемся вблизи магнита медном диске со скользящим электрическим проводом («диск Фарадея ») .

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию с использованием концепции так называемых силовых линий . Однако, большинство учёных того времени отклонили его теоретические идеи, в основном потому, что они не были сформулированы математически. Исключение составил Максвелл , который использовал идеи Фарадея в качестве основы для своей количественной электромагнитной теории. В работах Максвелла аспект изменения во времени электромагнитной индукции выражен в виде дифференциальных уравнений. Оливер Хевисайд назвал это законом Фарадея, хотя он несколько отличается по форме от первоначального варианта закона Фарадея и не учитывает индуцирование ЭДС при движении. Версия Хевисайда является формой признанной сегодня группы уравнений, известных как уравнения Максвелла .

Закон Фарадея как два различных явления

Некоторые физики отмечают, что закон Фарадея в одном уравнении описывает два разных явления: двигательную ЭДС
, генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС
, генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей работе О физических силовых линиях
в 1861 году. Во второй половине части II этого труда Максвелл даёт отдельное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений. Ссылка на эти два аспекта электромагнитной индукции имеется в некоторых современных учебниках. Как пишет Ричард Фейнман:

Таким образом, «правило потока» о том, что ЭДС в цепи равна скорости изменения магнитного потока через контур, применяется независимо от причины изменения потока: то ли потому что поле изменяется, то ли потому что цепь движется (или и то, и другое)…. В нашем объяснении правила мы использовали два совершенно различных закона для двух случаев  –   
v
×
B
{\displaystyle {\stackrel {\mathbf {v\times B} }{}}}
  для «движущейся цепи» и  
∇
x
E
=
−
∂
t
B
{\displaystyle {\stackrel {\mathbf {\nabla \ x\ E\ =\ -\partial _{\ t}B} }{}}}
  для «меняющегося поля».

Мы не знаем никакого аналогичного положения в физике, когда такие простые и точные общие принципы требовали бы для своего реального понимания анализа с точки зрения двух различных явлений.

Отражение этой очевидной дихотомии было одним из основных путей, которые привели Эйнштейна к разработке специальной теории относительности :

Известно, что электродинамика Максвелла — как её обычно понимают в настоящее время — при применении к движущимся телам приводит к асимметрии, которая, как кажется, не присуща этому явлению. Возьмем, к примеру, электродинамическое взаимодействие магнита и проводника. Наблюдаемое явление зависит только от относительного движения проводника и магнита, тогда как обычное мнение рисует резкое различие между этими двумя случаями, в которых либо одно, либо другое тело находится в движении. Ибо, если магнит находится в движении, а проводник покоится, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной плотностью энергии, создавая ток там, где расположен проводник. Но если магнит покоится, а проводник движется, то в окрестности магнита никакое электрическое поле не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, для которой не существует соответствующей энергии самой по себе, но которая вызывает — предполагая равенство относительного движения в двух обсуждаемых случаях — электрические токи по тому же направлению и той же интенсивности, как в первом случае.

Примеры подобного рода вместе с неудачной попыткой обнаружить какое-либо движение Земли относительно «светоносной среды» предполагают, что явления электродинамики, а также механики не обладают свойствами, соответствующими идее абсолютного покоя.

— Альберт Эйнштейн
, К электродинамике движущихся тел

Поток через поверхность и ЭДС в контуре

Закон электромагнитной индукции Фарадея использует понятие магнитного потока Φ B
через замкнутую поверхность Σ, который определён через поверхностный интеграл :

Φ
=
∬
S
B
n
⋅
d
S
,
{\displaystyle \Phi =\iint \limits _{S}\mathbf {B_{n}} \cdot d\mathbf {S} ,}

где dS

— площадь элемента поверхности Σ(t
), B
— магнитное поле, а B
·d
S
— скалярное произведение B
и d
S
. Предполагается, что поверхность имеет «устье», очерченное замкнутой кривой, обозначенной ∂Σ(t
). Закон индукции Фарадея утверждает, что когда поток изменяется, то при перемещении единичного положительного пробного заряда по замкнутой кривой ∂Σ совершается работа
E
{\displaystyle {\mathcal {E}}}
, величина которой определяется по формуле:

|
E
|
=
|
d
Φ
d
t
|
,
{\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{d\Phi } \over dt}\right|\ ,}

где
|
E
|
{\displaystyle |{\mathcal {E}}|}
— величина электродвижущей силы (ЭДС) в вольтах , а Φ B
— магнитный поток в веберах . Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца .

На рис. 4 показан шпиндель, образованный двумя дисками с проводящими ободами, и проводники, расположенные вертикально между этими ободами. ток скользящими контактами подается на проводящие обода. Эта конструкция вращается в магнитном поле, которое направлено радиально наружу и имеет одно и то же значение в любом направлении. т.е. мгновенная скорость проводников, ток в них и магнитная индукция, образуют правую тройку, что заставляет проводники вращаться.

Сила Лоренца

В этом случае на проводники действует Сила Ампера а на единичный заряд в проводнике Сила Лоренца — поток вектора магнитной индукции B , ток в проводниках, соединяющие проводящие обода, направлен нормально к вектору магнитной индукции, тогда сила действующая на заряд в проводнике будет равна

F
=
q
B
v
.
{\displaystyle F=qBv\,.}

где v = скорости движущегося заряда

Следовательно, сила действующая на проводники

F
=
I
B
ℓ
,
{\displaystyle {\mathcal {F}}=IB\ell ,}

где l длина проводников

Здесь мы использовали B как некую данность, на самом деле она зависит от геометрических размеров ободов конструкции и это значение можно вычислить используя Закон Био - Савара - Лапласа . Данный эффект используется и в другом устройстве называемом Рельсотрон

Закон Фарадея

Интуитивно привлекательный, но ошибочный подход к использованию правила потока
выражает поток через цепь по формуле Φ B = B w
ℓ, где w
— ширина движущейся петли.

Ошибочность такого подхода в том что это не рамка в обычном понимании этого слова. прямоугольник на рисунке образован отдельными проводниками, замкнутыми на обод. Как видно на рисунке ток по обоим проводника течет в одном направлении, т.е. здесь отсутствует понятие «замкнутый контур»

Наиболее простое и понятное объяснение этому эффекту дает понятие сила Ампера . Т.е. вертикальный проводник может быть вообще один, чтобы не вводить в заблуждение. Или же проводник конечной толщины
может быть расположен на оси соединяющие обода. Диаметр проводника должен быть конечным и отличатся от нуля чтобы момент силы Ампера был не нулевой.

Уравнение Фарадея — Максвелла

Переменное магнитное поле создаёт электрическое поле, описываемое уравнением Фарадея — Максвелла:

∇
×
{\displaystyle \nabla \times }
обозначает ротор
E
— электрическое поле
B
— плотность магнитного потока .

Это уравнение присутствует в современной системе уравнений Максвелла , часто его называют законом Фарадея. Однако, поскольку оно содержит только частные производные по времени, его применение ограничено ситуациями, когда заряд покоится в переменном по времени магнитном поле. Оно не учитывает [
] электромагнитную индукцию в случаях, когда заряженная частица движется в магнитном поле.

В другом виде закон Фарадея может быть записан через интегральную форму
теоремы Кельвина-Стокса :

∮
∂
Σ
⁡
E
⋅
d
ℓ
=
−
∫
Σ
∂
∂
t
B
⋅
d
A
{\displaystyle \oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-\int _{\Sigma }{\partial \over {\partial t}}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }

Для выполнения интегрирования требуется независимая от времени поверхность Σ
(рассматриваемая в данном контексте как часть интерпретации частных производных). Как показано на рис. 6:

Σ
— поверхность, ограниченная замкнутым контуром ∂Σ
, причём, как Σ
, так и ∂Σ
являются фиксированными, не зависящими от времени,
E
— электрическое поле,
dℓ
— бесконечно малый элемент контура ∂Σ
,
B
— магнитное поле ,
dA
— бесконечно малый элемент вектора поверхности Σ
.

Элементы dℓ
и dA
имеют неопределённые знаки. Чтобы установить правильные знаки, используется правило правой руки , как описано в статье о теореме Кельвина-Стокса . Для плоской поверхности Σ положительное направление элемента пути d
ℓ
кривой ∂Σ определяется правилом правой руки, по которому на это направление указывают четыре пальца правой руки, когда большой палец указывает в направлении нормали n
к поверхности Σ.

Интеграл по ∂Σ
называется интеграл по пути
или криволинейным интегралом
. Поверхностный интеграл в правой части уравнения Фарадея-Максвелла является явным выражением для магнитного потока Φ B через Σ
. Обратите внимание, что ненулевой интеграл по пути для E
отличается от поведения электрического поля, создаваемого зарядами. Генерируемое зарядом E
-поле может быть выражено как градиент скалярного поля , которое является решением уравнения Пуассона и имеет нулевой интеграл по пути.

Интегральное уравнение справедливо для любого
пути ∂Σ
в пространстве и любой поверхности Σ
, для которой этот путь является границей.

D
d
t
∫
A
B
d
A
=
∫
A
(∂
B
∂
t
+
v
div
B
+
rot
(B
×
v))
d
A
{\displaystyle {\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{A}{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} =\int \limits _{A}{\left({\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}+\mathbf {v} \ {\text{div}}\ \mathbf {B} +{\text{rot}}\;(\mathbf {B} \times \mathbf {v})\right)\;{\text{d}}}\mathbf {A} }

и принимая во внимание
div
B
=
0
{\displaystyle {\text{div}}\mathbf {B} =0}
(Ряд Гаусса),
B
×
v
=
−
v
×
B
{\displaystyle \mathbf {B} \times \mathbf {v} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }
(Векторное произведение) и
∫
A
rot
X
d
A
=
∮
∂
A
⁡
X
d
ℓ
{\displaystyle \int _{A}{\text{rot}}\;\mathbf {X} \;\mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{\partial A}\mathbf {X} \;{\text{d}}{\boldsymbol {\ell }}}
(теорема Кельвина - Стокса), мы находим, что полная производная магнитного потока может быть выражена

∫
Σ
∂
B
∂
t
d
A
=
d
d
t
∫
Σ
B
d
A
+
∮
∂
Σ
⁡
v
×
B
d
ℓ
{\displaystyle \int \limits _{\Sigma }{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}{\textrm {d}}\mathbf {A} ={\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{\Sigma }{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} +\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {v} \times \mathbf {B} \,{\text{d}}{\boldsymbol {\ell }}}

Добавляя член
∮
⁡
v
×
B
d
ℓ
{\displaystyle \oint \mathbf {v} \times \mathbf {B} \mathrm {d} \mathbf {\ell } }
к обеим частям уравнения Фарадея-Максвелла и вводя вышеприведённое уравнение, мы получаем:

∮
∂
Σ
⁡
(E
+
v
×
B)
d
ℓ
=
−
∫
Σ
∂
∂
t
B
d
A
⏟
induced
emf
+
∮
∂
Σ
⁡
v
×
B
d
ℓ
⏟
motional
emf
=
−
d
d
t
∫
Σ
B
d
A
,
{\displaystyle \oint \limits _{\partial \Sigma }{(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B})}{\text{d}}\ell =\underbrace {-\int \limits _{\Sigma }{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {B} {\text{d}}\mathbf {A} } _{{\text{induced}}\ {\text{emf}}}+\underbrace {\oint \limits _{\partial \Sigma }{\mathbf {v} }\times \mathbf {B} {\text{d}}\ell } _{{\text{motional}}\ {\text{emf}}}=-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{\Sigma }{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} ,}

что и является законом Фарадея. Таким образом, закон Фарадея и уравнения Фарадея-Максвелла физически эквивалентны.

Рис. 7 показывает интерпретацию вклада магнитной силы в ЭДС в левой части уравнения. Площадь, заметаемая сегментом d
ℓ
кривой ∂Σ
за время dt
при движении со скоростью v
, равна:

d
A
=
−
d
ℓ
×
v
d
t
,
{\displaystyle d\mathbf {A} =-d{\boldsymbol {\ell \times v}}dt\ ,}

так что изменение магнитного потока ΔΦ B через часть поверхности, ограниченной ∂Σ
за время dt
, равно:

d
Δ
Φ
B
d
t
=
−
B
⋅
d
ℓ
×
v
=
−
v
×
B
⋅
d
ℓ
,
{\displaystyle {\frac {d\Delta \Phi _{B}}{dt}}=-\mathbf {B} \cdot \ d{\boldsymbol {\ell \times v}}\ =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} \cdot \ d{\boldsymbol {\ell }}\ ,}

и если сложить эти ΔΦ B -вклады вокруг петли для всех сегментов d
ℓ
, мы получим суммарный вклад магнитной силы в закон Фарадея. То есть этот термин связан с двигательной
ЭДС.

Пример 3: точка зрения движущегося наблюдателя

Возвращаясь к примеру на рис. 3, в движущейся системе отсчета выявляется тесная связь между E
— и B
-полями, а также между двигательной
и индуцированной
ЭДС. Представьте себе наблюдателя, движущегося вместе с петлёй. Наблюдатель вычисляет ЭДС в петле с использованием как закона Лоренца, так и с использованием закона электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку этот наблюдатель движется с петлей, он не видит никакого движения петли, то есть нулевую величину v × B
. Однако, поскольку поле B
меняется в точке x
, движущийся наблюдатель видит изменяющееся во времени магнитного поля, а именно:

B
=
k
B
(x
+
v
t)
,
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {k} {B}(x+vt)\ ,}

где k

— единичный вектор в направлении z
.

Закон Лоренца

Уравнение Фарадея-Максвелла говорит, что движущийся наблюдатель видит электрическое поле E
y в направлении оси y
, определяемое по формуле:

∇
×
E
=
k
d
E
y
d
x
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {k} \ {\frac {dE_{y}}{dx}}}

=
−
∂
B
∂
t
=
−
k
d
B
(x
+
v
t)
d
t
=
−
k
d
B
d
x
v
,
{\displaystyle =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=-\mathbf {k} {\frac {dB(x+vt)}{dt}}=-\mathbf {k} {\frac {dB}{dx}}v\ \ ,}

d
B
d
t
=
d
B
d
(x
+
v
t)
d
(x
+
v
t)
d
t
=
d
B
d
x
v
.
{\displaystyle {\frac {dB}{dt}}={\frac {dB}{d(x+vt)}}{\frac {d(x+vt)}{dt}}={\frac {dB}{dx}}v\ .}

Решение для E
y с точностью до постоянной, которая ничего не добавляет в интеграл по петле:

E
y
(x
,
t)
=
−
B
(x
+
v
t)
v
.
{\displaystyle E_{y}(x,\ t)=-B(x+vt)\ v\ .}

Используя закон Лоренца, в котором имеется только компонента электрического поля, наблюдатель может вычислить ЭДС по петле за время t
по формуле:

E
=
−
ℓ
[
E
y
(x
C
+
w
/
2
,
t)
−
E
y
(x
C
−
w
/
2
,
t)
]
{\displaystyle {\mathcal {E}}=-\ell }

=
v
ℓ
[
B
(x
C
+
w
/
2
+
v
t)
−
B
(x
C
−
w
/
2
+
v
t)
]
,
{\displaystyle =v\ell \ ,}

и мы видим, что точно такой же результат найден для неподвижного наблюдателя, который видит, что центр масс x
C сдвинулся на величину x
C + v t
. Однако, движущийся наблюдатель получил результат под впечатлением, что в законе Лоренца действовала только электрическая

составляющая, тогда как неподвижный наблюдатель думал, что действовала только магнитная

составляющая. {x_{C}+w/2}{\frac {d}{dx}}B(x+vt)\ v\ dx}

=
v
ℓ
[
B
(x
C
+
w
/
2
+
v
t)
−
B
(x
C
−
w
/
2
+
v
t)
]
,
{\displaystyle =v\ell \ \ ,}

и мы видим тот же результат. Производная по времени используется при интегрировании, поскольку пределы интегрирования не зависят от времени. Опять же, для преобразования производной по времени в производную по x
используются методы дифференцирования сложной функции.

Неподвижный наблюдатель видит ЭДС как двигательную

, тогда как движущийся наблюдатель думает, что это индуцированная

ЭДС.

Электрический генератор

Явление возникновения ЭДС, порождённой по закону индукции Фарадея из-за относительного движения контура и магнитного поля, лежит в основе работы электрических генераторов . Если постоянный магнит перемещается относительно проводника или наоборот, проводник перемещается относительно магнита, то возникает электродвижущая сила. Если проводник подключён к электрической нагрузке, то через неё будет течь ток, и следовательно, механическая энергия движения будет превращаться в электрическую энергию. Например, дисковый генератор
построен по тому же принципу, как изображено на рис. 4. Другой реализацией этой идеи является диск Фарадея , показанный в упрощённом виде на рис. 8. Обратите внимание, что и анализ рис. 5, и прямое применение закона силы Лоренца показывают, что твёрдый
проводящий диск работает одинаковым образом.

В примере диска Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном диску, в результате чего возникает ток в радиальном плече благодаря силе Лоренца. Интересно понять, как получается, что чтобы управлять этим током, необходима механическая работа. Когда генерируемый ток течёт через проводящий обод, по закону Ампера этот ток создаёт магнитное поле (на рис. 8 оно подписано «индуцированное B» — Induced B). Обод, таким образом, становится электромагнитом , который сопротивляется вращению диска (пример правила Ленца). В дальней части рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через дальнюю сторону обода к нижней щётке. Поле В, создаваемое этим обратным током, противоположно приложенному полю, вызывая сокращение
потока через дальнюю сторону цепи, в противовес увеличению
потока, вызванного вращением. На ближней стороне рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через ближнюю сторону обода к нижней щётке. Индуцированное поле B увеличивает
поток по эту сторону цепи, в противовес снижению
потока, вызванного вращением. Таким образом, обе стороны цепи генерируют ЭДС, препятствующую вращению. Энергия, необходимая для поддержания движения диска в противовес этой реактивной силе, в точности равна вырабатываемой электрической энергии (плюс энергия на компенсацию потерь из-за трения, из-за выделения тепла Джоуля и прочее). Такое поведение является общим для всех генераторов преобразования механической энергии в электрическую.

Хотя закон Фарадея описывает работу любых электрических генераторов, детальный механизм в разных случаях может отличаться. Когда магнит вращается вокруг неподвижного проводника, меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, как описано в уравнении Максвелла-Фарадея, и это электрическое поле толкает заряды через проводник. Этот случай называется индуцированной

ЭДС. С другой стороны, когда магнит неподвижен, а проводник вращается, на движущиеся заряды воздействует магнитная сила (как описывается законом Лоренца), и эта магнитная сила толкает заряды через проводник. Этот случай называется двигательной

ЭДС.

Электродвигатель

Электрический генератор может работать в «обратном направлении» и становиться двигателем. Рассмотрим, например, диск Фарадея. Предположим, постоянный ток течёт через проводящее радиальное плечо от какого-либо напряжения. Тогда по закону силы Лоренца на этот движущийся заряд воздействует сила в магнитном поле B
, которая будет вращать диск в направлении, определённым правилом левой руки. При отсутствии эффектов, вызывающих диссипативные потери, таких как трение или тепло Джоуля , диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы d Φ B / dt
было равно напряжению, вызывающему ток.

Электрический трансформатор

ЭДС, предсказанная законом Фарадея, является также причиной работы электрических трансформаторов. Когда электрический ток в проволочной петле изменяется, меняющийся ток создаёт переменное магнитное поле. Второй провод в доступном для него магнитном поле будет испытывать эти изменения магнитного поля как изменения связанного с ним магнитного потока d
Φ B / d t
. Электродвижущая сила, возникающая во второй петле, называется индуцированной ЭДС
или ЭДС трансформатора
. Если два конца этой петли связать через электрическую нагрузку, то через неё потечёт ток.

Эмпирически М. Фарадей показал, что сила тока индукции в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения количества линий магнитной индукции, которые проходят через поверхность ограниченную рассматриваемым контуром. Современную формулировку закона электромагнитной индукции, используя понятие магнитный поток, дал Максвелл. Магнитный поток (Ф) сквозь поверхность S — это величина, равная:

где модуль вектора магнитной индукции; — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура. Магнитный поток трактуют как величину, которая пропорциональна количеству линий магнитной индукции, проходящих сквозь рассматриваемую поверхность площади S.

Появление тока индукции говорит о том, что в проводнике возникает определенная электродвижущая сила (ЭДС). Причиной появления ЭДС индукции является изменение магнитного потока. В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

где — скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур.

Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к плоскости контура. При этом направление нормали определяют при помощи правила правого винта, связывая его с положительным направлением тока в контуре. Так, произвольно назначают положительное направление нормали, определяют положительное направление тока и ЭДС индукции в контуре. Знак минус в основном законе электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца.

На рис.1 изображен замкнутый контур. Допустим, что положительным является направление обхода контура против часовой стрелки, тогда нормаль к контуру () составляет правый винт в направлением обхода контура. Если вектор магнитной индукции внешнего поля сонаправлен с нормалью и его модуль увеличивается со временем, тогда получим:

Title=»Rendered by QuickLaTeX.com»>

При этом ток индукции создаст магнитный поток (Ф’), который будет меньше нуля. Линии магнитной индукции магнитного поля индукционного тока () изображены на рис. 1 пунктиром. Ток индукции будет направлен по часовой стрелке. ЭДС индукции будет меньше нуля.

Формула (2) — это запись закона электромагнитной индукции в наиболее общей форме. Ее можно применять к неподвижным контурам и движущимся в магнитном поле проводникам. Производная, которая входит в выражение (2) в общем случае состоит из двух частей: одна зависит от изменения магнитного потока во времени, другая связывается с движением (деформаций) проводника в магнитном поле.

В том случае, если магнитный поток изменяется за равные промежутки времени на одну и ту же величину, то закон электромагнитной индукции записывают как:

Если в переменном магнитном поле рассматривается контур, состоящий из N витков, то закон электромагнитной индукции примет вид:

где величину называют потокосцеплением.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

>>Физика и астрономия >>Физика 11 класс >> Закон электромагнитной индукции

Закон Фарадея.

Индукция

Электромагнитной индукцией называют такое явление, как возникновение электрического тока в замкнутом контуре, при условии изменения магнитного потока, который проходит через этот контур.

Закон электромагнитной индукции Фарадея записывается такой формулой:

И гласит, что:

Каким же образом ученым удалось вывести такую формулу и сформулировать этот закон?
Мы с вами уже знаем, что вокруг проводника с током всегда существует магнитное поле, а электричество обладает магнитной силой. Поэтому в начале 19го века и возникла задача о необходимости подтверждения влияния магнитных явлений на электрические, которую пытались решить многие ученые, и английский ученый Майкл Фарадей был в их числе. Почти 10 лет, начиная с 1822 года, он потратил на различные опыты, но безуспешно. И только 29 августа 1831 года наступил триумф.

После напряженных поисков, исследований и опытов, Фарадей пришел к выводу, что только меняющееся со временем магнитное поле может создать электрический ток.

Опыты Фарадей

Опыты Фарадей состояли в следующем:

Во-первых, если взять постоянный магнит и двигать его внутри катушки, к которой присоединен гальванометр, то в цепи возникал электрический ток.
Во-вторых, если этот магнит выдвигать из катушки, то мы наблюдаем, что гальванометр так же показывает ток, но этот ток имеет противоположное направление.

А теперь давайте попробуем этот опыт немного изменить. Для этого мы попробуем на неподвижный магнит одевать и снимать катушку. И что мы в итоге видим? А мы с вами наблюдаем то, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток. А если в катушке прекратилось, то и ток сразу же исчезает.

Теперь давайте проделаем еще один опыт. Для этого мы с вами возьмем и поместим в магнитное поле плоский контур без проводника, а его концы попробуем соединить с гальванометром. И что мы наблюдаем? Как только контур гальванометр поворачивается, то мы наблюдаем появление в нем индукционного тока. А если попробовать вращать магнит внутри него и рядом с контуром, то в этом случае также появится ток.

Думаю, вы уже заметили, ток появляется в катушке тогда, когда изменяется магнитный поток, который пронизывает эту катушку.

И тут возникает вопрос, при всяких ли движениях магнита и катушки, может возникнуть электрический ток? Оказывается не всегда. Ток не возникнет в том случае, когда магнит вращается вокруг вертикальной оси.

А из этого следует, что при любом изменении магнитного потока, мы наблюдаем то, что в этом проводнике возникает электрический ток, который существовал в течении всего процесса, пока происходили изменения магнитного потока. Именно в этом и заключается явление электромагнитной индукции. А индукционным током является тот ток, который был получен данным методом.

Если мы с вами проанализируем данный опыт, то увидим, что значение индукционного тока совершенно не зависит от причины изменения магнитного потока.
В данном случае, первостепенное значение имеет лишь скорость, которая влияет на изменения магнитного потока. Из опытов Фарадея следует, что чем быстрее двигается магнит в катушке, тем больше отклоняется стрелка гальванометра.

Теперь мы можем подвести итог данного урока и сделать вывод, что закон электромагнитной индукции является одним из основных законом электродинамики. Благодаря изучению явлений электромагнитной индукции, учеными разных стран были созданы различные электродвигатели и мощные генераторы. Огромный вклад в развитие электротехники внесли и такие известные ученые, как Ленц, Якоби, и другие.

Федун
В.И. Конспект лекций по физике
Электромагнетизи

Лекция 26.

Электромагнитная
индукция. Открытие Фарадея

.

В 1831 г. М. Фарадеем было сделано одно из
важнейших фундаментальных открытий в
электродинамике – обнаружено явлениеэлектромагнитной
индукции

.

В замкнутом проводящем
контуре при изменении магнитного потока
(потока вектора
),
охватываемого этим контуром, возникает
электрический ток
.

Этот ток получил название индукционного

.

Появление индукционного тока означает,
что при изменении магнитного

Фарадей обнаружил, что индукционный
ток можно вызвать двумя различными
способами, которые удобно объяснить с
помощью рисунка.

1-й способ: перемещение рамки
в магнитном поле неподвижной катушки(см.
рис.26.1).

2-й способ: изменение магнитного поля
,
создаваемого катушкой,
за счет ее движения или вследствие
изменения силы токав ней (или того и другого вместе). Рамкапри этом неподвижна.

В обоих этих случаях гальванометр

будет показывать наличие индукционного
тока в рамке.

Направление индукционного тока и,
соответственно, знак э.д.с. индукции
определяются правилом Ленца.

Правило Ленца.

Индукционный
ток всегда направлен так, чтобы
противодействовать причине, его
вызывающей

.

Правило Ленца выражает важное
физическое свойство – стремление
системы противодействовать изменению
ее состояния. Это свойство называют
электромагнитной
инерцией

.

Какова бы ни была причина
изменения магнитного потока, охватываемого
замкнутым проводящим контуром, возникающая
в контуре э.д.с. индукции определяется
формулой

Природа электромагнитной индукции
.

С целью выяснения физических причин,
которые приводят к возникновению э.д.с.
индукции, последовательно рассмотрим
два случая.

1. Контур движется в постоянном магнитном поле.

действовать сила

Электродвижущая сила,
создаваемая этим полем, называется
электродвижущей
силой индукции

.
В нашем случае

Здесь знак «минус» поставлен
потому, что стороннее поле
направлено против положительного обхода
контура, определяемого правилом правого
винта. Произведениеесть скорость приращения площади контура
(приращение площади в единицу времени),
поэтому

где

— приращение магнитного потока сквозь
контур.

Полученный результат можно обобщить
на случай произвольной ориентации
вектора индукции магнитного поля
относительно плоскости контура и на
любой контур, движущийся (и/или
деформируемый) произвольным образом в
постоянном неоднородном внешнем
магнитном поле.

Итак, возбуждение э.д.с. индукции при
движении контура в постоянном магнитном
поле объясняется действием магнитной
составляющей силы Лоренца, пропорциональной

,
которая возникает при перемещении
проводника.

2. Контур покоится в переменном магнитном поле.

Наблюдаемое на опыте возникновение
индукционного тока свидетельствует о
том, что и в этом случае в контуре
появляются сторонние силы, которые
теперь связаны с изменяющимся во времени
магнитным полем. Какова же их природа?
Ответ на этот принципиальный вопрос
был дан Максвеллом.

Поскольку проводник покоится, то скорость
упорядоченного движения электрических
зарядов

и, следовательно, магнитная сила,
пропорциональная
,
также равна нулю и уже не может привести
заряды в движение. Однако кроме магнитной
силы на электрический заряд может
действовать только сила со стороны
электрического поля, равная.
Поэтому остается заключить, чтоиндукционный ток обусловлен
электрическим полем
,
возникающим при изменении во времени
внешнего магнитного поля
.
Именно
это электрическое поле и ответственно
за появление э.д.с. индукции в неподвижном
контуре. Согласно Максвеллу,изменяющееся
во времени магнитное поле порождает в
окружающем пространстве электрическое
поле
. Возникновение электрического
поля не связано с наличием проводящего
контура, который лишь позволяет обнаружить
по возникновению в нем индукционного
тока существование этого поля.

Формулировка закона
электромагнитной индукции

,
данная Максвеллом, принадлежит к числу
наиболее важных обобщений электродинамики.

Всякое изменение
магнитного поля во времени возбуждает
в окружающем пространстве электрическое
поле

.

Математическая формулировка закона
электромагнитной индукции в понимании
Максвелла имеет вид:

Циркуляция вектора
напряженности
этого поля по любому неподвижному
замкнутому контуруопределяется выражением

где
— магнитный поток, пронизывающий контур.

Используемый для обозначения скорости
изменения магнитного потока знак частной
производной указывает на то, что контур
является неподвижным.

Поток вектора
через поверхность, ограниченную контуром,
равен
,
поэтому выражение закона электромагнитной
индукции можно переписать следующим
образом:

Это одно из уравнений системы уравнений
Максвелла.

Тот факт, что циркуляция электрического
поля, возбуждаемого переменным во
времени магнитным полем, отлична от
нуля, означает, что рассматриваемое
электрическое поле не
потенциальное
.Оно, как и магнитное
поле, являетсявихревым
.

В общем случае электрическое поле
может быть представлено векторной
суммой потенциального (поля статических
электрических зарядов, циркуляция
которого равна нулю) и вихревого
(обусловленного изменяющимся во времени
магнитным полем) электрических полей.

В основе рассмотренных нами явлений,
объясняющих закон электромагнитной
индукции, не просматривается общего
принципа, позволяющего установить
общность их физической природы. Поэтому
эти явления следует рассматривать как
независимые, а закон электромагнитной
индукции — как результат их совместного
действия. Тем более удивительным
оказывается тот факт, что э.д.с. индукции
в контуре всегда равна скорости изменения
магнитного потока сквозь контур. В тех
случаях, когда меняется и поле
и расположение или конфигурация контура
в магнитном поле, э.д.с. индукции следует
рассчитывать по формуле

Выражение, стоящее в правой части этого
равенства, представляет собой полную
производную магнитного потока по
времени: первое слагаемое связано с
изменением магнитного поля во времени,
второе – с движением контура.

Можно сказать, что во всех случаях
индукционный ток вызывается полной
силой Лоренца

Какая часть индукционного тока вызывается
электрической, а какая магнитной
составляющей силы Лоренца — зависит от
выбора системы отсчета
.

О работе сил Лоренца и Ампера
.

Из самого определения работы следует,
что сила, действующая в магнитном поле
на электрический заряд и перпендикулярная
его скорости, не может совершать работы.
Однако при движении проводника с током,
увлекающего за собой заряды, сила Ампера
все же работу совершает. Наглядным
подтверждением этого служат электромоторы.

Это противоречие исчезает, если принять
во внимание, что движение проводника в
магнитном поле неизбежно сопровождается
явлением электромагнитной индукции.
Поэтому наряду с силой Ампера работу
над электрическими зарядами совершает
и возникающая в проводнике электродвижущая
сила индукции. Т.о., полная работа сил
магнитного поля складывается из
механической работы, обусловленной
силой Ампера, и работы э.д.с., индуцируемой
при движении проводника. Обе работы
равны по модулю и противоположны по
знаку, поэтому их сумма равна нулю.
Действительно, работа амперовой силы
при элементарном перемещении проводника
с током в магнитном поле равна

,
за это же время э.д.с. индукции совершает
работу

тогда полная работа

.

Силы Ампера совершают работу не за счет
энергии внешнего магнитного поля,
которое может оставаться постоянным,
а за счет источника э.д.с., поддерживающего
ток в контуре.

В 1821 году Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена. В 1831 г. Майкл Фарадей установил, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией
, а возникающий ток – индукционным
(рис. 3.27).

Рис. 3.27 Опыты Фарадея

Индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Сила индукционного тока не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения.

Закон Фарадея:
сила индукционного тока, возникающего в замкнутом проводящем контуре (ЭДС индукции, возникающая в проводнике), пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с контуром (проникающего через поверхность, ограниченную контуром), и не зависит от способа изменения магнитного потока.

Ленц установил правило, с помощью которого можно найти направление индукционного тока. Правило Ленца:
индукционный ток направлен таким образом, что собственным магнитным полем препятствует изменению внешнего магнитного потока, пересекающего поверхность контура
(рис. 3.28).

Рис. 3.28 Иллюстрация правила Ленца

Согласно закону Ома электрический ток в замкнутой цепи может возникать только в том случае, если в этой цепи появится ЭДС. Поэтому обнаруженный Фарадеем индукционный ток свидетельствует о том, что в замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле возникает ЭДС индукции. Дальнейшее исследование показало, что ЭДС электромагнитной индукции в контуре пропорционально изменению магнитного потока
сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Мгновенное значение ЭДС индукции выражается законом Фарадея-Ленца
)

где – потокосцепление замкнутого проводящего контура.

Открытие явления электромагнитной индукции:

1. показало взаимосвязь между электрическим и магнитным полем;

2. предложило способ получения электрического тока с помощью магнитного поля.

Таким образом, возникновение ЭДС индукции возможно и в случае неподвижного контура
, находящегося в переменном
магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому с ее помощью нельзя объяснить возникновение ЭДС индукции.

Опыт показывает, что ЭДС индукции не зависит от рода вещества проводника, от состояния проводника, в частности от его температуры, которая может быть даже неодинаковой вдоль проводника. Следовательно, сторонние силы связаны не с изменением свойств проводника в магнитном поле, а обусловлены самим магнитным полем.

Английский физик Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле
, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Вихревое электрическое поле не является электростатическим (т. е. потенциальным).

ЭДС электромагнитной индукции возникает не только в замкнутом проводнике с током, но и в отрезке проводника, пересекающем при своем движении линии магнитной индукции (рис. 3.29).

Рис. 3.29 Образование ЭДС индукции в движущемся проводнике

Пусть прямолинейный отрезок проводника длиной l
движется слева направо скоростью v
(рис. 3.29). Индукция магнитного поля В
направлена от нас. Тогда на электроны, движущиеся со скоростью v
действует сила Лоренца

Под действием этой силы электроны будут смещаться к одному из концов проводника. Следовательно, возникает разность потенциалов и электрическое поле внутри проводника с напряженностью E
. Со стороны возникшего электрического поля на электроны будет действовать сила qE
, направление которой противоположно силе Лоренца. Когда эти силы уравновесят друг друга, то движение электронов прекратится.

Цепь разомкнута, значит , но в проводнике нет гальванического элемента или других источников тока, значит, это будет ЭДС индукции

.

При перемещении в магнитном поле замкнутого проводящего контура ЭДС индукции находится во всех его участках, пересекающих линии магнитной индукции. Алгебраическая сумма этих ЭДС равна общей ЭДС индукции замкнутого контура.

По какой формуле рассчитывается закон электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции формула

В 1831 году мир впервые узнал о понятии электромагнитной индукции. Именно тогда Майкл Фарадей обнаружил это явление, ставшее в итоге важнейшим открытием в электродинамике.

История развития и опыты Фарадея

До середины XIX века считалось, что электрическое и магнитное поле не имеют никакой связи, и природа их существования различна. Но М. Фарадей был уверен в единой природе этих полей и их свойств. Явление электромагнитной индукции, обнаруженное им, впоследствии стало фундаментом для устройства генераторов всех электростанций. Благодаря этому открытию знания человечества о электромагнетизме шагнули далеко вперед.

Фарадей проделал следующий опыт: он замыкал цепь в катушке I и вокруг нее возрастало магнитное поле. Далее линии индукции данного магнитного поля пересекали катушку II, в которой возникал индукционный ток.

Рис. 1. Схема опыта Фарадея

На самом деле, одновременно с Фарадеем, но независимо от него, другой ученый Джозеф Генри обнаружил это явление. Однако Фарадей опубликовал свои исследования раньше. Таким образом, автором закона электромагнитной индукции стал Майкл Фарадей.

Сколько бы экспериментов не проводил Фарадей, неизменным оставалось одно условие: для образования индукционного тока важным является изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (катушку).

Закон Фарадея

Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции

И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.

Закон Фарадея-Максвелла

В 1873 Дж.К.Максвелл по-новому изложил теорию электромагнитного поля. Уравнения, которые он вывел, легли в основу современной радиотехники и электротехники. Они выражаются следующим образом:

• Edl = -dФ/dt
  – уравнение электродвижущей силы
• Hdl = -dN/dt
  – уравнение магнитодвижущей силы.

Где E
– напряженность электрического поля на участке dl; H
– напряженность магнитного поля на участке dl; N
– поток электрической индукции, t
– время.

Симметричный характер данных уравнений устанавливает связь электрических и магнитных явлений, а также магнитных с электрическими. физический смысл, которым определяются эти уравнения, можно выразить следующими положениями:

• если электрическое поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается магнитным полем.
• если магнитное поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается электрическим полем.

Рис. 3. Возникновение вихревого магнитного поля

Также Максвелл установил, что распространение электромагнитного поля равна скорости распространения света.

Всего получено оценок: 134.

В 1831 году английский ученый физик в своих опытах М.Фарадей открыл явление электромагнитной индукции
. Затем изучением этого явления занимались русские ученый Э. Х. Ленц и Б.С.Якоби.

В настоящее время, в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока тока, в трансформаторах, радиоприемниках, и многих других устройствах.

Электромагнитная индукция
— это явление возникновения тока в замкнутом проводнике, при прохождении через него магнитного потока. То есть, благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую — и это замечательно. Ведь до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока , кроме гальваники.

Когда проводник оказывается под действием магнитного поля, в нем возникает ЭДС, которую количественно можно выразить через закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции

Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром.

В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n:

Но в общем случае, применяют формулу ЭДС с общим потокосцеплением:

ЭДС возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в проводнике является катушка, через которую проходит постоянный магнит . Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца
.

Правило Ленца

Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.

В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.

В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике – против часовой стрелки.

>>Физика и астрономия >>Физика 11 класс >> Закон электромагнитной индукции

Закон Фарадея. Индукция

Электромагнитной индукцией называют такое явление, как возникновение электрического тока в замкнутом контуре, при условии изменения магнитного потока, который проходит через этот контур.

Закон электромагнитной индукции Фарадея записывается такой формулой:

И гласит, что:

Каким же образом ученым удалось вывести такую формулу и сформулировать этот закон?
Мы с вами уже знаем, что вокруг проводника с током всегда существует магнитное поле, а электричество обладает магнитной силой. Поэтому в начале 19го века и возникла задача о необходимости подтверждения влияния магнитных явлений на электрические, которую пытались решить многие ученые, и английский ученый Майкл Фарадей был в их числе. Почти 10 лет, начиная с 1822 года, он потратил на различные опыты, но безуспешно. И только 29 августа 1831 года наступил триумф.

После напряженных поисков, исследований и опытов, Фарадей пришел к выводу, что только меняющееся со временем магнитное поле может создать электрический ток.

Опыты Фарадей

Опыты Фарадей состояли в следующем:

Во-первых, если взять постоянный магнит и двигать его внутри катушки, к которой присоединен гальванометр, то в цепи возникал электрический ток.
Во-вторых, если этот магнит выдвигать из катушки, то мы наблюдаем, что гальванометр так же показывает ток, но этот ток имеет противоположное направление.

А теперь давайте попробуем этот опыт немного изменить. Для этого мы попробуем на неподвижный магнит одевать и снимать катушку. И что мы в итоге видим? А мы с вами наблюдаем то, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток. А если в катушке прекратилось, то и ток сразу же исчезает.

Теперь давайте проделаем еще один опыт. Для этого мы с вами возьмем и поместим в магнитное поле плоский контур без проводника, а его концы попробуем соединить с гальванометром. И что мы наблюдаем? Как только контур гальванометр поворачивается, то мы наблюдаем появление в нем индукционного тока. А если попробовать вращать магнит внутри него и рядом с контуром, то в этом случае также появится ток.

Думаю, вы уже заметили, ток появляется в катушке тогда, когда изменяется магнитный поток, который пронизывает эту катушку.

И тут возникает вопрос, при всяких ли движениях магнита и катушки, может возникнуть электрический ток? Оказывается не всегда. Ток не возникнет в том случае, когда магнит вращается вокруг вертикальной оси.

А из этого следует, что при любом изменении магнитного потока, мы наблюдаем то, что в этом проводнике возникает электрический ток, который существовал в течении всего процесса, пока происходили изменения магнитного потока. Именно в этом и заключается явление электромагнитной индукции. А индукционным током является тот ток, который был получен данным методом.

Если мы с вами проанализируем данный опыт, то увидим, что значение индукционного тока совершенно не зависит от причины изменения магнитного потока.
В данном случае, первостепенное значение имеет лишь скорость, которая влияет на изменения магнитного потока. Из опытов Фарадея следует, что чем быстрее двигается магнит в катушке, тем больше отклоняется стрелка гальванометра.

Теперь мы можем подвести итог данного урока и сделать вывод, что закон электромагнитной индукции является одним из основных законом электродинамики. Благодаря изучению явлений электромагнитной индукции, учеными разных стран были созданы различные электродвигатели и мощные генераторы. Огромный вклад в развитие электротехники внесли и такие известные ученые, как Ленц, Якоби, и другие.

Что может быть лучше, чем вечером понедельника почитать про основы электродинамики
. Правильно, можно найти множество вещей, которые будут лучше. Тем не менее, мы все равно предлагаем Вам прочесть эту статью. Времени занимает не много, а полезная информация останется в подсознании. Например, на экзамене, в условиях стресса, можно будет успешно извлечь из недр памяти закон Фарадея. Так как законов Фарадея несколько, уточним, что здесь мы говорим о законе индукции Фарадея.

Электродинамика
– раздел физики, изучающий электромагнитное поле во всех его проявлениях.

Это и взаимодействие электрического и магнитного полей, электрический ток, электро-магнитное излучение, влияние поля на заряженные тела.

Здесь мы не ставим целью рассмотреть всю электродинамику. Упаси Боже! Рассмотрим лучше один из основных ее законов, который называется законом электромагнитной индукции Фарадея
.

История и определение

Фарадей, параллельно с Генри, открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году. Правда, успел опубликовать результаты раньше. Закон Фарадея повсеместно используется в технике, в электродвигателях, трансформаторах, генераторах и дросселях. В чем суть закона Фарадея для электромагнитной индукции, если говорить просто? А вот в чем!

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. То есть, если мы скрутим из проволоки рамку и поместим ее в изменяющееся магнитное поле (возьмем магнит, и будем крутить его вокруг рамки), по рамке потечет ток!

Этот ток Фарадей назвал индукционным, а само явление окрестил электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция
– возникновение в замкнутом контуре электрического тока при изменении магнитного потока, проходящего через контур.

Формулировка основного закона электродинамики – закона электромагнитной индукции Фарадея, выглядит и звучит следующим образом:

ЭДС
, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф

через контур.

А откуда в формуле минус, спросите Вы. Для объяснения знака минус в этой формуле есть специальное правило Ленца
. Оно гласит, что знак минус, в данном случае, указывает на то, как направлена возникающая ЭДС. Дело в том, что создаваемое индукционным током магнитное поле направлено так, что препятствует изменению магнитного потока, который вызвал индукционный ток.

Примеры решения задач

Вот вроде бы и все. Значение закона Фарадея фундаментально, ведь на использовании данного закона построена основа почти всей электрической промышленности. Чтобы понимание пришло быстрее, рассмотрим пример решения задачи на закон Фарадея.

И помните, друзья! Если задача засела, как кость в горле, и нет больше сил ее терпеть — обратитесь к нашим авторам! Теперь вы знаете . Мы быстро предоставим подробное решение и разъясним все вопросы!

В результате многочисленных опытов Фарадей установил основной количественный закон электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток. Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Фарадей установил, что значение ЭДС электромагнитной индукции E i пропорционально скорости изменения магнитного потока:

E i = -К , (27.1)

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий только от выбора единиц измерения.

В системе единиц СИ коэффициент К = 1, т.е.

E i = — . (27.2)

Эта формула и представляет собой закон электромагнитной индукции Фарадея. Знак минус в этой формуле соответствует правилу (закону) Ленца.

Закон Фарадея можно сформулировать еще таким образом: ЭДС электромагнитной индукции E i в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным: ЭДС E i не зависит от способа изменения магнитного потока.

Знак минус в (27.2) показывает, что увеличение потока ( > 0) вызывает ЭДС E i 0 т. е. направления магнитного потока индукционного тока и потока, вызвавшего его, совпадают. Знак минус в формуле (27.2) является математическим выражением правила Ленца — общего правила для нахождения направления индукционного тока (а значит и знака и ЭДС индукции), выведенного в 1833 г. Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Иначе говоря, индукционный ток создает магнитный поток, препятствующий изменению магнитного потока, вызывающего ЭДС индукции.

ЭДС индукции выражается в вольтах (В). Действительно, учитывая, что единицей магнитного потока является вебер (Вб), получим:

Если замкнутый контур, в котором индуцируется ЭДС индукции, состоит из N витков, то E i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков. И если магнитный поток, охватываемый каждым витком, одинаков и равен Ф, то суммарный поток сквозь поверхность N витков, равен (NФ) – полный магнитный поток (потокосцепление). В этом случае ЭДС индукции равна:

E i = -N× , (27.3)

Формула (27.2) выражает закон электромагнитной индукции в общей форме. Она применима как к неподвижным контурам, так и к движущимся проводникам в магнитном поле. Входящая в нее производная от магнитного потока по времени в общем случае состоит из двух частей, одна из которых обусловлена изменением магнитной индукции во времени, а другая – движением контура относительно магнитного поля (или его деформацией). Рассмотрим некоторые примеры применения этого закона.

Пример 1. Прямолинейный проводник длиной l движется параллельно самому себе в однородном магнитном поле (рисунок 38). Этот проводник может входить в состав замкнутой цепи, остальные части которой неподвижны. Найдем ЭДС, возникающую в проводнике.

Если мгновенное значение скорости проводника есть v
, то за время dt он опишет площадь dS = l×v
×dt и за это время пересечет все линии магнитной индукции, проходящие через dS. Поэтому изменение магнитного потока через контур, в состав которого входит движущийся проводник, будет dФ = B n ×l×v
×dt. Здесь B n — составляющая магнитной индукции, перпендикулярная к dS. Подставляя это в формулу (27.2) получаем величину ЭДС:

E i = B n ×l×v
. (27.4)

Направление индукционного тока и знак ЭДС определяются правилом Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток. В некоторых случаях возможно определение направления индукционного тока (полярности ЭДС индукции) согласно другой формулировке правила Ленца: индукционный ток в движущемся проводнике направлен таким образом, что возникающая при этом сила Ампера противоположна вектору скорости (тормозит движение).

Разберем численный пример. Вертикальный проводник (автомобильная антенна) длиной l = 2 м движется с востока на запад в магнитном поле Земли со скоростью v
= 72 км/час = 20 м/с. Вычислим напряжение между концами проводника. Так как проводник разомкнут, то тока в нем не будет и напряжение на концах будет равно ЭДС индукции. Учитывая, что горизонтальная составляющая магнитной индукции поля Земли (т.е. составляющая, перпендикулярная к направлению движения) для средних широт равна 2×10 -5 Тл, по формуле (27.4) находим

U = B n ×l×v
= 2×10 -5 ×2×20 = 0,8×10 -3 В,

т.е. около 1 мВ. Магнитное поле Земли направлено с юга на север. Поэтому мы находим, что ЭДС направлена сверху вниз. Это значит, что нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал (зарядится положительно), а верхний – более низкий (зарядится отрицательно).

Пример 2. В магнитном поле находится замкнутый проволочный контур, пронизываемый магнитным потоком Ф. Предположим, что этот поток уменьшается до нуля, и вычислим полную величину заряда, прошедшего по цепи. Мгновенное значение ЭДС в процессе исчезновения магнитного потока выражается формулой (27.2). Следовательно, согласно закону Ома мгновенное значение силы тока есть

где R – полное сопротивление цепи.

Величина прошедшего заряда равна

q = = — = . (27.6)

Полученное соотношение выражает закон электромагнитной индукции в форме, найденной Фарадеем, который из своих опытов заключил, что величина заряда, прошедшего по цепи, пропорциональна полному числу линий магнитной индукции, пересеченных проводником (т.е. изменению магнитного потока Ф 1 -Ф 2), и обратно пропорциональна сопротивлению цепи R. Соотношение (27.6) позволяет дать определение единицы магнитного потока в системе СИ: вебер – магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 Ом проходит заряд 1 Кл.

Согласно закону Фарадея, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае она не может быть причиной возникновения ЭДС индукции. Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Циркуляция вектора напряженности этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой ЭДС электромагнитной индукции:

E i = = — . (27.7)

Линии напряженности вихревого электрического поля представляют собой замкнутые кривые, поэтому при перемещении заряда в вихревом электрическом поле по замкнутому контуру совершается отличная от нуля работа. В этом заключается отличие вихревого электрического поля от электростатического, линии напряженности которого начинаются и заканчиваются на зарядах.

Министерство образования Российской Федерации

%PDF-1.5
%
2 0 obj
>
/Metadata 5 0 R
/StructTreeRoot 6 0 R
>>
endobj
5 0 obj
>
stream
2020-09-06T18:50:57+07:002020-09-06T18:59:17+07:00Microsoft® Word 2010Microsoft® Word 2010application/pdf

endstream
endobj
3 0 obj
>
stream
x]]o7Ճ7C?0Y,»YUHf8 `7ž3 #(A|yvTUꢟ3{?G4x*s *ws&gr a&v)L̜R|%P|%|eQܜSs)930s^0\JS9ve
92{O!Lp8Ng&)@pPgǡ)DxjY\quR@,)1Zp941sIf @. _ Ցx$܆9xr8 ‘9$XA+

)Y],)9.9fFr»arʂ?rU:\i

Магнитные бури: как влияют на здоровье и чем от них защититься — Общество

Магнитные бури случаются в среднем 5-6 раз в год и могут длиться несколько дней. Серьезной опасности они не несут, но могут осложнить жизнь тем, у кого есть проблемы со здоровьем. Рассказываем, что такое магнитная буря и как ее пережить.

Что такое магнитная буря

Вокруг Земли есть невидимая оболочка — магнитосфера, которая защищает нашу планету от солнечной радиации. Из космоса на нее воздействует поток солнечного ветра — так называют ионизированные частицы, которые постоянно разлетаются от Солнца со скоростью 400 км/сек. Обычно сила давления солнечного ветра и давление магнитной оболочки Земли равны.

На эту тему

Но когда на Солнце случаются вспышки, скорость солнечного ветра увеличивается, баланс давления меняется, магнитосфера как бы сжимается над Землей и в ней начинают меняться величины токов. Эту «болтанку» давления ученые и называют магнитной бурей. Вспышки некоторых молодых звезд так сильны, что могли бы разрушить атмосферу своих планет. Активность Солнца ниже, но все сравно может повлиять на земных обитателей, вызвать помехи в радиосвязи и сбои в работе приборов. 

Есть ли опасность для людей? 

Однозначного мнения ученых о том, как влияет это природное явление на людей и животных, — нет. Исследования показывают, что в период магнитных бурь повышается число смертей от инфаркта миокарда и инсульта. Но это повышение незначительно (около 20%), к тому же это только данные статистики. Оценить влияние конкретного геомагнитного события на здоровье человека трудно.

«Чтобы провести исследование влияния магнитной бури на здоровье и состояние человека, необходимо иметь четкие критерии, которые можно измерить, — рассказывает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Алексей Струминский. — Головная боль или тахикардия — это не критерий, такие симптомы могут быть вызваны массой других причин, той же сменой погоды, например, сменой атмосферного давления. А магнитная буря на атмосферное давление не влияет».

Гипертоникам в дни магнитных бурь нужно пить побольше воды и снизить употребление соли, потому что соль задерживает жидкость в организме и ведет к повышению давления. А гипотоникам можно принять тонизирующую настойку элеутерококка или лимонника

Елена Тихомирова

врач-терапевт

Однако у многих врачей — другое мнение. О том, что рекордные по силе вспышки на Солнце, которые наблюдаются последние дни, могут повлиять на самочувствие метеозависимых людей, ТАСС рассказал член-корреспондент РАН Игорь Бобровницкий.

«Вспышки на Солнце, как и другие гео- и гео-гелиомагнитные факторы не на всех людей действуют негативно. Влияют они на так называемых метеочувствительных людей, у которых ослаблены какие-то системы организма, на здоровых людей подобные факторы не действуют», — рассказал академик.

Бобровницкий уточнил, что механизмы воздействия электромагнитных возмущений на человека изучены слабо. Однако даже у пациентов, не знающих о факте солнечной вспышки, наблюдается ухудшение в самочувствии.

Предполагается несколько эффектов воздействия возмущений магнитного поля, возникающих из-за вспышек на Солнце: это повышение артериального давления, снижение работоспособности, головные боли, повышение тревожности и обострения хронических заболеваний, в том числе и аллергии

Игорь Бобровницкий

член-корреспондент РАН

Есть мнение, что колебания магнитного фона Земли человек инстинктивно воспринимает как угрозу жизни. А увеличение гормонов стресса — кортизола и адреналина — ведет к спазму сосудов и повышению давления.

Советы врачей 

Несмотря на то что ученые пока недостаточно изучили, как колебания магнитного поля воздействуют на организм, врачи советуют людям, которые плохо переносят скачки давления, в дни магнитных бурь подстраховаться и соблюдать нехитрые правила. 

«В такие дни мы наблюдаем, что у гипертоников давление подскакивает, а у гипотоников, наоборот, падает, — объясняет терапевт Елена Тихомирова. — Для того чтобы нивелировать эти неприятности, гипертоникам нужно пить побольше воды и снизить употребление соли в этот период, потому что соль задерживает жидкость в организме и ведет к повышению давления. А гипотоникам можно принять тонизирующую настойку элеутерококка или лимонника». 

Метеочувствительным людям во время магнитных бурь также важно хорошо высыпаться, избегать повышенных нагрузок, занятий спортом и утомительных походов по магазинам.

Карина Салтыкова, Мария Сотскова

Суд над электромагнитной индукцией

Управление образования администрации

Уренского муниципального района Нижегородской области

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Уренская средняя общеобразовательная школа №2»

Уренского муниципального района

Учебно-прикладной проект

«Суд над электромагнитной индукцией»

Выполнила:

Учитель физики

МБОУ

«Уренская общеобразовательная

средняя школа №2»

Малинина Анна Николаевна,

образование — высшее,

категория — первая,

стаж 10 лет

Контактная информация:

Электронная почта: man20sm@mail. ru

Телефон: 8-950-348-15-98

Урень

2015

Учебный проект по физике «Суд над электромагнитной индукцией».

Проект разработан в рамках программы по физике в 9 классе при изучении темы: Явление электромагнитной индукции. В проекте рассматривается как “Превратить магнетизм в электричество”. Эти слова записал Фарадей в своем дневнике в 1821г. И только через10 лет он смог решить эту задачу. Ученики заново откроют, то, что Фарадей не мог открыть 10 лет. Фарадей не мог понять одного: что только движущийся магнит вызывает ток. Покоящийся магнит не вызывает в ней тока. Ученики повторят опыты Фарадея, с помощью которых он открыл явление электромагнитиной индукции.

Цель проекта — изучить физические особенности явления электромагнитной индукции, сформировать понятия: электомагнитная индукция, индукционный ток. Сформировать у учащихся умение выделять главное и существенное в излагаемом разными способами материале, развить познавательные интересы и способности школьников при выявлении сути процессов. Воспитывать трудолюбие, точность и четкость при ответе, умение видеть физику вокруг себя.

Проект создается на основе проведенных исследований, обзора литературы, использования медиа-ресурсов. Итоговым продуктом проекта является создание сценария, в котором отражены результаты исследований.

Учебно-методический комплект и дополнительная литература

1. Физика 9: учеб. для общеобразоват. учреждений / А.В. Пёрышкин и Е.М. Гутник. – М.: Дрофа, 2010

2. Физика: ежемесячный научно-методический журнал издательства «Первое сентября»

3. Занимательная физика, Я.И. Перельман, книга 2, 1932 г.

4. Беседы по физике. Блудов М.И., М.: Просвещение, 1974.

5. Интернет-ресурсы.

Планируемые результаты обучения:

После завершения проекта учащиеся приобретут следующие умения:

— личностные:

Приобретение навыков сотрудничества при работе в группе;

Приборетение навыков самостоятельной деятельности;

Развитие инициативности, самостоятельности, навыков сотрудничества в разных видах деятельности;

Развитие интереса к исследовательской деятельности.

— метапредметные:

Развитие логического мышления;

Развитие культуры речи;

Умения проводить наблюдения;

Планирование и выполнение экспериментов;

Выдвижение гипотезы и построение модели; установление границы их применимости;

Умение работать с различными источниками информации;

Умение применять программу для создания презентаций для представления результатов своей деятельности.

— предметные:

Объяснять явление электромагнитной индукции.

Вопросы, направляющие проект:

Основополагающий вопрос.

Можно ли подать иск на электромагнитную индукцию?

Проблемные вопросы:

Возможна ли жизнь без электромагнитной индукции?

Польза и вред электромагнитной индукции?

Где можно встретиться с электромагнитной индукцией?

Учебные вопросы:

Что такое электромагнитная индукция?

Что вы знаете об истории изучения электромагнитной индукции?

Почему возникает электромагнитная индукция?

Где и как проявляется электромагнитная индукция? (приведите примеры).

План проведения проекта.

Проект рассчитан на 6 уроков.

1. Представление проекта. Разбиение класса на группы. Выбор тем исследования.

2. Консультация с учителем. Подбор библиографических информационных источников. Обсуждение учебных и проблемных вопросов.

3. Работа учащихся над темой исследования.

4. Оформление результатов исследования, консультация учителя.

5. Защита ученических работ.

Подведение итогов проекта (рефлексия).

Визитная карточка проекта.

По окончании проекта учащиеся должны представить сценарий, в котором рассматриваются положительные и отрицательные стороны Электромагнитной индукции.

Класс делится на группы:

1 группа изучает историю открытия электромагнитной индукции.

2 группа объясняет причины возникновения электромагнитной индукции.

3 группа изучает положительные стороны электромагнитной индукции.

4 группа изучает отрицательные стороны электромагнитной индукции.

5 группа готовит сценарий из материалов, собранных 1-4 группами.

В конце проекта разыгрывается сценка по готовому сценарию.

При разделении класса на группы учитывались: интересы учащихся, склад ума, специализация профилей.

2, 3, 4 группы были созданы из учащихся с математическим и техническим складом ума, многие из них будут сдавать ГИА по физике.

1 и 5 группа созданы из учащихся с гуманитарным складом ума, физику сдавать не будут.

Критерии оценивания ученических проектов.

Стратегия модернизации общего образования определила его основные направления: интеграция учебного содержания, формирование коммуникативных компетентностей и развитие пользовательских навыков в информационных технологиях. Организовать любую деятельность, в том числе учебно-познавательную, без оценок невозможно, так как оценка является одним из компонентов деятельности, ее регулятором и показателем результативности.

Для оценивания учащихся я использовала матрицу оценивания проекта.

2 – выше среднего 1 – средний 0 – ниже среднего

Максимально возможное количество баллов: 28

Оценка ―удовлетворительно: от 12 до 17 баллов (42%)

Оценка ―хорошо: от 18 до 24 баллов (65%)

Оценка ―отлично: от 25 до 28 баллов (90%)

В конечной оценке учебного процесса ученик должен точно увидеть: какими были его успехи в освоении учебного материала в целом; на каком уровне он его усвоил; каковы его умения и навыки; какова оценка его творческой деятельности; в какой мере он способен проявить свое личностное отношение к изучаемому материалу.

Вот что получилось по окончании проекта:

Суд над электромагнитной индукцией.

Секретарь: Встать! Суд идет!

Судья: Сегодня слушается дело по обвинению Электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция обвиняется в том, что по ее вине происходят взрывы, выходят из строя электроприборы, появляется искра, которая может привести к пожару.

Мы приглашаем сегодня обстоятельно разобраться в этом деле, справедливо и беспристрастно выслушать показания свидетелей и вынести справедливый приговор.

Секретарь: Ввести подсудимую!

Судья: Установим личность подсудимой. Подсудимая, Ваши фамилия, имя, отчество?

Подсудимая: Индукция Электромагнитная.

Судья: Место и год рождения?

Подсудимый: г.Лондон, 29 августа 1831 года.

Судья: Ваши родители?

Подсудимая: Матери своей я не помню, а вот отца у меня было два. Я считаю себя незаконно рожденной дочерью Майкла Фарадея. А вот вторым, крестным отцом, является Ампер. Это человек, который вырастил меня и дал образование.

Народный заседатель №1: Расскажите свою биографию.

Подсудимая: Она есть в моем деле. Я могу от волнения пропустить что-либо важное, поэтому прошу суд зачитать ее.

Секретарь суда: Биография Индукции Электромагнитной. «Мой отец родился в семье лондонского кузнеца Джеймса Фарадея 22 сентября 1791 года. Он рано узнал нужду. В 9 лет каравай хлеба был ему недельной нормой пищи.

Образование папы было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе. В 12 лет отца отдали в ученики к владельцу книжной лавки, где он вначале занимался разноской книг и газет, а в дальнейшем овладел переплетным мастерством. Работая в переплетной мастерской, папа много и жадно читал, для того, чтобы заполнить пробелы в своем образовании. Огромное впечатление на него произвели статьи по электричеству. Он даже организовал химико-биологическую лабораторию и проделал все эксперименты, описанные в этих статьях. Благодаря помощи добрых людей отец в 22 года становится лаборантом-помощником сэра Гемфри Дэви. Это и решило его судьбу! Вместе с Дэви он много путешествует, знакомится с великими учеными, пробует самостоятельно проделывать некоторые работы, в основном по химии.

В августе 1820 года произошло событие, повлиявшее на изменение в тематике научной работы отца. В это время по Европе рассылался знаменитый мемуар Эрстеда «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку». Проделав опыт Эрстеда, Дэви и Фарадей убедились в его правоте и поняли, что пропасть между электричеством и магнетизмом исчезает.

Этот эксперимент развить и объяснить смог мой крестный отец – Ампер, и сделать что-либо новое в этой области. В течение 1820-1831 гг. ничего Фарадею не удавалось. Но одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, он безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уже с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Отец ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. Но в его распоряжении не было такого оборудования, которое вы имеете сейчас. Вместо гальванометра он пользовался гальваноскопом (магнитной стрелкой, помещенной в рамку). Чтобы изолировать металлическую стрелку от влияния магнита, последний располагался в другой комнате.

Как же трудно было додуматься отцу до главного, а именно, что только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке, т.е. могу появиться Я! Стоило ему постоянно наблюдать за магнитной стрелкой, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, Я появилась бы на свет гораздо раньше.

Стоит отдать должное трудоспособности моего отца: он проделал 16041 опыт! Его десятилетний труд был вознагражден моим появлением на свет! Вот как он об этом написал: «я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенный с гальваноскопом. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю длину, и стрелка гальваноскопа испытала толчок. Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался и выталкивался. Это значит, что электромагнитная волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

В течении одного месяца отец опытным путем открыл все существенные особенности явления Электромагнитной Индукции, т.е. меня. Он установил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне по-разному поставлены».

Судья: Из вашей биографии так и не ясно, что же вы собой представляете?

Подсудимая: Я представляю собой явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур.

Судья: Есть ли вопросы к обвиняемой у защиты?

Адвокат: Нет.

Судья: У обвинения?

Прокурор: Нет

Заседатель №2:У меня вопрос к обвиняемому. Состоите ли Вы в родстве с инерцией?

Подсудимая: Нет, но мы с ней подруги. Природа у нас разная: у меня – электромагнитная, у нее – гравитационная.

Заседатель №3: Где же Вы проявляете себя?

Подсудимая: Всюду в физике, технике, жизни, где есть переменное магнитное поле и замкнутый проводник.

Секретарь суда: разрешите огласить документы, поступившие в адрес суда.

Телеграмма №1.

Подписано Фуко.

Найден эффективный способ изготовления разнообразных видов свечей к Новому году из воска, парафина, а также огарков свечи.

Прошу запатентовать изобретение. На электромагнит подает переменное напряжение и в переменное магнитное поле между его полюсами помещаем алюминиевое с тонкими стенками блюдце, имеющее желобок, с воском, парафином или огарком. Ждем 1-2 или чуть больше минут, и воск, парафин начинает плавится и по желобку стекает в специальную форму для новой свечи с предварительно закрепленным в ней фитильком. Формы могут быть разных видов (зависит от фантазии изобретателя), благодаря этому получаются свечи в виде разнообразных фигур.

Я приветствую Ваше судебное заседание и думаю, что спор Ваш прольет свет на всю область электротехническую. Надеюсь, что результатом Вашего суда будет еще целый ряд изобретений, подобных только что открытому мною.

183..г.

Телеграмма №2.

Подписана докучливым умником

из Лиона, Ампером.

Прислана им в

Лондонское Королевское общество.

Я в полном замешательстве! Что еще за суд вы учинили? На чем? Какой-то, простите, Электромагнитной Индукцией? Да ее нет! На все воля Божия.

Но раз уж Вы собрались, у меня к вам большая просьба. Но опишу все по порядку.

Недавно я был на вечеринке у Фарадея. И, о чудо! Такого я еще не видел и даже не догадывался о существовании такой прелести. Незабываемое зрелище: фейерверк искр в темной комнате! Если бы вы видели, это оставило бы у вас неизгладимое впечатление.

Схема устройства, вырабатываемого эти чудесные искры, довольно-таки проста. Ножка стального напильника, обмотанная зачищенным до блеска проводом, другой конец этого провода соединен с трансформатором; второй провод одним концом подсоединен к другой клемме трансформатора, а свободным концом нужно водить по напильнику. И в это время – пик восхищений. Устройство рекомендуется на все королевские балы.

Но до сих пор не могу понять, откуда возникает искра? Просьба объяснить это явление.

Судья: Я полагаю, что на этот вопрос может ответить сама обвиняемая.

Подсудимая: Да. Сейчас попробую высказаться не так туманно. Вынимая штепсель из розетки, когда вы выключаете какой-либо электроприбор, вы, конечно, замечали появление искры. Происходит это потому, что при размыкании направление индукционного тока совпадает с направлением исчезающего тока в цепи. Поэтому в момент размыкания происходит сложение ЭДС размыкаемого тока и ЭДС самоиндукции, что и приводит к образованию искры. А самоиндукция – есть черта моего характера, и описанное явление – результат ее проявления.

Прокурор: Уважаемые господа присутствующие. Только что на наших Глазах Индукция призналась, что возникновение искры имеет непосредственное отношение к характеру обвиняемой. И все бы ничего, ведь явление, описанное Ампером, действительно вызывает восхищение и рекомендуется в качестве развлечения при королевском дворе. Тем не менее, я призываю присутствующих серьезно подойти к показаниям свидетеля Цепь переменного тока.

Свидетель Цепь переменного тока: Лично меня и моих сестер, Электрических цепей, возмущает поведение Индукции. Я вправе требовать, чтобы она как можно быстрее избавилась от этой черты характера, именуемой Самоиндукцией. Самоиндукция влияет на ток в катушке аналогично тому, как влияет инерция, ее обожаемая подружка, на движение тел в механике. Она замедляет установление постоянного тока в цепи при его включении и препятствует его мгновенному прекращению при выключении. ЭДС самоиндукции приходится принимать в расчет при размыкании и замыкании цепей, по которым протекают любые токи большой величины: переменные и постоянные. При размыкании цепи сила тока нарастает. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет направлена так, чтобы противодействовать нарастанию тока в цепи, поскольку в цепи переменного тока самоиндукция создает реактивное сопротивление, ограничивающее амплитуду тока, это обстоятельство растягивает установление тока на какое-то короткое время. При размыкании, наоборот, ЭДС будет противодействовать убыванию тока и затягивать его «спадание». Это означает, что в момент разрыва рубильника на воздушном промежутке между электродами на короткое время образуется большое напряжение, которое может привести к пробою промежутка, т. е. появлению искры.

Адвокат: Защита настаивает на опросе свидетеля Разряда, который имеет непосредственное отношение к возникновению искры.

Судья: Суд принимает во внимание Ваше пожелание.

Свидетель Разряд: Боже! Что будет со мной, если Индукцию осудят за столь широко применяемую черту ее характера – самоиндукцию! Сможет ли тогда работать люминесцентная лампа? Я, Разряд в газе, возникаю при высоких напряжениях ~ 1000 В. При таком напряжении и работают рекламные трубки. Для того, чтобы люминесцентные лампы могли работать от сети 220 В, их электроды первоначально накаляют, эмиссия электронов с нагретых электродов и обеспечивает тлеющий разряд при сетевом напряжении. Для того, чтобы возник разряд в газе, необходимо более высокое напряжение, чем то, которое требуется во время работы лампы, когда в газовом промежутке имеется большое число электронов и ионов. Как же создать высокое напряжение? Вот здесь-то как раз и проявляется самоиндукция. При замыкании электролампы оказываются включенными в сеть и, накаляясь, испускают электроны, необходимые для моего (Разряда) рождения. Но напряжение между электродами практически равно напряжению сети, что недостаточно для моего появления. Если разомкнуть выключатель, то в цепи возникнет ЭДС самоиндукции, значительно больше напряжения в сети. Это и приводит к моему возникновению. В дальнейшем я уже могу существовать и при меньшем напряжении. Прошу суд не оставлять без внимания мои показания, не наказывать Индукцию за полезную черту ее характера.

Прокурор: Я протестую против запроса господина Разряда. В качестве обоснования своего протеста я прошу выслушать показания свидетеля Несчастный Случай.

Судья: Суд приглашает свидетеля для подачи показаний.

Свидетель Несчастный Случай: Уважаемые присутствующие! С тех пор как я научился читать, без моего внимания не оставалась ни одна статья какой бы то ни было газеты, где хоть что-то упоминается о несчастных случаях. Может, поэтому мои друзья меня так и прозвали. Все вырезки о несчастных случаях я подшиваю в специальную папочку, они мне не раз оказывали услугу при даче показаний. Вот и сейчас пришел тот момент, когда мое слово может принести веское доказательство для обвинения подсудимой. Помню, читая эти строки, у меня мурашки бежали по коже. Я просто поражен жестоким характером Электромагнитной Индукции. Так вот эти ужасающие строки (вытаскивает вырезку газеты из кармана и читает): «В одной из квартир в центре Москвы произошел взрыв. В результате погибла хозяйка квартиры. Позже была выяснена причина случившегося. Женщина оставила кипятить чайник на газовой плите, а сама в это время стала гладить белье, забыв о чайнике. В это время вода закипела, залила конфорку, в комнату пошел газ. Его скопилось достаточно, чтобы от одной маленькой искры возник мощный взрыв. Хозяйка, выгладив белье, выдернула штепсель из розетки, за чем мгновенно последовал разрушительный удар».

Без сомнения, вина гибели несчастной женщины лежит на Электромагнитной Индукции.

Прокурор: Я прошу всех присутствующих не оставаться спокойным перед изложенным фактом. Я уверен, что это не единичный случай проявления коварства Индукции.

Судья: Обвиняема, Вы что-то хотите добавить в свое оправдание?

Подсудимая: Я лишь хотела сказать, что для гашения искрового разряда можно использовать конденсатор.

Заседатель №3: Так поясните же поподробнее, как можно этого добиться, и где применяются конденсаторы?

Подсудимая: Искрогасительные конденсаторы применяются в цепях прерывателя индукционной катушки автомашин. Если конденсатор подключить к месту прерывания цепи, например, прерывателю звонка, то в момент образования ЭДС самоиндукции конденсатор будет заряжаться, поглощая энергию, которая могла создать разряд.

Секретарь суда: Теперь позвольте зачитать последнюю телеграмму из 1870-х гг. Она из г.Лондона, подписана физиком Брэггом. Вот ее текст:

«Сердечно поздравляю и приветствую Ваше собрание. Искренне рад, что среди ученых 21 века в столь раннем возрасте проявляются такие великолепные задатки.

Я испытываю восторженное чувство от только что сделанного открытия. Уверен, что если вы его повторите, испытаете то же, что и я.

Представьте себе цепочку, сделанную из чередующихся медных и железных колец. Замыкая на мгновение ключ, мы посылаем ток от батареи в первое медное кольцо. Следующее, сделанное из железа, кольцо намагничивается. Возникновение магнитного поля в нем вызывает появление индукционного тока в третьем кольце. Этот ток вызывает появление магнитного поля в четвертом, в пятом и т.д.

Надеюсь, в вашем веке уже придумали достаточное применение моему шедевру.

С уважением, Брэгг».

Адвокат: Я прошу суд не обсуждать эту телеграмму, а заслушать свидетеля Телефон.

Судья: Суд учтет Ваше пожелание.

Свидетель Телефон: Как бы точно не передавались известия по телеграфу, в них отсутствуют чувства личного человеческого общения: радости и печали, смех и слезы. Люди издавна стремились передать человеческий голос как можно на более далекое расстояние. И вот, наконец, совершилось чудо. 14 февраля 1876 года Александр Грэхем Белл, профессор физиологии органов речи Бостонского университета, запатентовал в США меня в качестве своего изобретения. Зовут меня Телефон. Я своей трубкой и корпусом вступаюсь за Индукцию. Ведь, не имея никаких источников электропитания, мои действия полностью основаны на Электромагнитной Индукции. Звуковые колебания вызывают вибрацию металлической антенны. Эти вибрации изменяют магнитное поле и создают в электромагните непрерывно меняющийся электрический ток, который по проводам поступает в приемное устройство и вызывает колебания мембраны. Эти колебания и рождают звук!

Судья: Я думаю, что пришло время заслушать по порядку все показания свидетелей.

Секретарь суда: Вызывается свидетель Лампочка Неоновая.

Свидетель Лампочка Неоновая: Мое имя Лампочка по фамилии Неоновая. Я от своего имени и от имени моей дорогой сестры, Лампы Накаливания, хочу обвинить подсудимую в том, что она, проказница, всякий раз, когда мы встречаемся с сестрой, встает между нами и не позволяет нам даже ослепляющее улыбнуться друг другу.

Так, как только мы оказываемся так недалеко друг от друга на показанной цепи, то Индукция начинает демонстрировать свои капризы. При замыкании цепи работает электрический звонок и горю я (Неоновая Лампа), а моя сестра, Лампа Накаливания, не горит. Если исключить из цепи электрический звонок, то загорается Лампа Накаливания, а я (Неоновая Лампа) гасну.

Я считаю, что такие проказы подсудимой нельзя оставлять без обвинения.

Свидетель защиты Рассудительный: Вообще я очень возмущен поведением товарища Лампочки. Вы не имеете права обвинять Электромагнитную Индукцию в своей природе и природе своей сестры, она у вас разная, а отсюда и разница в поведении при включении и отключении в цепи звонка. Когда звонок работает, происходит замыкание и размыкание цепи. Вследствие возникновения при замыкании ЭДС самоиндукции, направленной против ЭДС генератора тока, и быстрого затем размыкания цепи, волосок лампы накаливания не успевает разогреться. Возникающая при частом размыкании значительная по величине ЭДС самоиндукции поддерживает горение неоновой лампы. Если из цепи исключить звонок, то в цепи будет течь постоянный ток, — загорается лампа накаливания.

Теперь Вы понимаете, госпожа Неоновая Лампа, что Вы должны благодарить Индукцию за поддержание Вашей жизнедеятельности.

Судья: Мы примем во внимание свидетельские показания Неоновой Лампочки и пояснения свидетеля защиты.

Секретарь суда: Вызывается свидетель Электрик.

Свидетель Электрик: Я пришел в зал суда, чтобы выступить с обвинением против Электромагнитной Индукции. В своих показаниях я буду немногословным, но как человек с большим стажем в области электричества, могу констатировать факт, что иногда недалеко от места удара молнии плавятся предохранители и повреждаются чувствительные электроизмерительные приборы. И кто еще может быть в этом виновен, как ни Электромагнитная Индукция.

Изменяющееся магнитное поле молнии индуцирует в электроизмерительных приборах и в осветительных сетях сильные токи, что и является причиной описанных неполадок.

Адвокат: Я прошу суд выслушать еще одного свидетеля со стороны защиты.

Судья: Суд принимает во внимание ваше предложение.

Секретарь суда: вызывается свидетель Металлург.

Свидетель Металлург: Я хочу рассказать присутствующим, насколько необходимым является действие Индукции на металлургических заводах. Быстропеременные магнитные поля применяются в индукционных печах для плавки металлов. В них металл нагревается до температуры плавления возникающими в нем вихревыми индукционными токами. Как это происходит, я предлагаю посмотреть на простом опыте.

Если закрепить над вертикальным железным сердечником катушки с большим числом витков обмотки медную чашку с водой и подать в цепь обмотки переменный ток, связанное с этим током магнитное поле, направление и числовое значение которого изменяются с большой быстротой, вызовет вихревые токи на дне чашки. Дно чашки нагреется, и через несколько минут вода в чашке закипит. Количество теплоты, выделяемое вихревыми токами тем больше, чем быстрее происходит обуславливающее эти токи изменение магнитного поля. Если вихревые токи не оказывают механического действия, то вся их энергия затрачивается на нагревание проводника.

Судья: Я предлагаю прекратить опрос свидетелей. Из свидетельских показаний видно лишь одно: действия Электромагнитной Индукции могут быть вредны в одних случаях и оказывают полезное влияние в других.

Секретарь суда: Слово предоставляется главному обвинителю. Господин Прокурор, Ваше слово.

Прокурор: Уважаемый суд! Дорогие товарищи! Зачем мы собрались? Ведь вина подсудимой очевидна. Я не могу понять, как здравомыслящий человек может защищать Электромагнитную Индукцию? Многие из нас ощущали на себе издевательства подсудимой, когда во время грозы выходят из строя бытовые приборы.

Секретарь суда: Слово предоставляется главному защитнику. Пожалуйста, господин Адвокат.

Адвокат: Уважаемые судьи! Посмотрите вокруг! Разнообразным проявлениям Электромагнитной Индукции можно только радоваться. Как разнообразно ее применение.

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена. Явление Электромагнитной Индукции родилось 29 августа 1831 г.

Это явление лежит в основе работы генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. Ведь источники, работающие на других принципах: гальванические элементы, аккумуляторы и пр. дают ничтожную долю вырабатываемой электрической энергии.

Судья: Суд удаляется на совещание. (Через некоторое время зачитывает решение суда).

Наш суд был скорым и правым. Внимательно выслушав обе стороны, суд пришел к следующему решению.

Учитывая некоторые отрицательные стороны деятельности подсудимой, суд тем не менее, полагаясь на свой собственный опыт, на речь уважаемой защиты и показания свидетелей защиты, считает большую часть обвинений преувеличенной, а посему постановляет: с учетом полезности положительных сторон действий Электромагнитной Индукции и вредности отрицательных сторон всемерно расширять использование положительных ее действий и вести борьбу с отрицательными. Для этого нужно изучать и глубоко осмысливать законы физики, проникать в тайны природы и ставить их на службу человеку!

Заседание суда считаю закрытым.

Электромагнитная индукция: определение и переменные, влияющие на индукцию — видео и расшифровка урока

Электромагнитная индукция

Буквально на днях я был в магазине и покупал продукты. Я попытался заплатить своей кредитной картой, но когда я провел картой через платежный терминал, выскочило сообщение о том, что карта не может быть прочитана. Попробовав еще пару раз, кассир наконец предложил мне помочь. Она взяла мою карту и очень быстро прогнала ее через картридер и… вуаля! Это сработало! Может показаться, что ей просто повезло, но оказывается, что это сработало по вполне научной причине.Однако нам нужно узнать об электромагнитной индукции, прежде чем все это обретет смысл.

В начале 19 века ученый по имени Майкл Фарадей опубликовал несколько работ по электромагнитной индукции , которая представляет собой способность изменяющегося магнитного поля индуцировать напряжение в проводнике. Чтобы лучше понять это явление, Фарадей провел ряд экспериментов. В одном из этих экспериментов использовалась катушка с проволокой, постоянный магнит и устройство для определения напряжения в проволоке.Когда магнит проходил через катушку с проволокой, в проволоке индуцировалось напряжение, но оно исчезало, когда магнит останавливался. Фарадей обнаружил, что существует два фактора, влияющих на величину напряжения, индуцируемого в катушке.

Первым фактором было количество витков проволоки в катушке, что увеличивало количество проволоки, подвергаемой воздействию магнитного поля.Результаты опытов Фарадея показали, что индуцированное напряжение возрастало прямо пропорционально числу витков в электрической катушке. Другими словами, удвоение числа витков приводило к удвоению индуцированного напряжения.

Вторым фактором была скорость изменения магнитного поля. Есть несколько разных способов изменить магнитное поле. Один из способов — изменить силу поля, создаваемого магнитом. Если мы используем электромагнит для создания магнитного поля, мы можем включать и выключать магнит или просто изменять ток, чтобы изменить силу поля.Второй способ — перемещение поля относительно проводника. Мы могли бы сделать это, перемещая катушку в поле или перемещая магнит вокруг катушки — неважно, что, если есть относительное движение.

Закон Фарадея появился в результате его экспериментов. В нем просто говорится, что величина индуцированного напряжения пропорциональна как количеству витков провода, так и скорости изменения магнитного поля. Одна из самых важных вещей, которую следует вынести из этого утверждения, заключается в том, что индуцированное напряжение является результатом изменения магнитного поля.Другими словами, простое удерживание магнита рядом с проводом не вызовет напряжения. Поле должно каким-то образом меняться.

vol.1 Когда впервые появились катушки и электромагниты?｜Чудеса электромагнетизма｜Журнал TDK Techno

Беспроводные IC-карты используют электромагнитную индукцию для беспроводной связи

Во-первых, познакомьтесь с двумя персонажами-талисманами, которые будут сопровождать нас в нашем путешествии открытий на протяжении всей серии статей. Парень с довольно большой головой, увенчанной большим вопросительным знаком, — это «Магмаг». Он любит задавать вопросы, всегда задаваясь вопросом, почему и почему. Его приятель — маленький парень с антенной в форме катушки. По прозвищу «Кудрявый», он полон любопытства и быстро схватывает информацию. Как легко заметить, эти два символа представляют собой магнит и катушку. Они попадают во всевозможные приключения. Давайте присоединимся к ним в путешествии по изучению чудес электромагнетизма.

Когда магнит быстро перемещают взад-вперед рядом с катушкой, в катушке начинает течь ток.Это явление называется электромагнитной индукцией и должно быть знакомо по экспериментам, часто проводимым на уроках естествознания в школе. Электромагнитная индукция — это самый основной и важный «спектакль», который могут нам поставить Магмаг и Керли. Это принцип, который делает возможным как электродвигатель, так и генератор.

Мобильные телефоны и смартфоны становятся все более умными, и в наши дни они даже могут функционировать как электронные деньги, подобно беспроводным картам IC.В настоящее время электронные деньги все еще разделены на различные системы, но предпринимаются усилия по созданию международного стандарта, который позволит использовать их где угодно. Беспроводные ИС-карты используют электромагнитную индукцию для беспроводной связи. И карта, и устройство считывания/записи содержат катушки, которые взаимодействуют через магнитную связь. Энергия магнитного поля, посылаемая устройством считывания/записи, используется для управления интегральной микросхемой, встроенной в карту, что позволяет карте функционировать и выполнять операции чтения/записи без использования батареи.Это возможно, потому что катушки могут не только генерировать магнитное поле, но и улавливать и сохранять его.

Изучение электромагнетизма — все началось с эксперимента Эрстеда

Пока мы начинаем это путешествие открытий, давайте взглянем на то, откуда взялись Магмаг и Керли. Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831 году, но фактическим началом изучения электромагнетизма обычно считается знаменитый опыт Эрстеда, поставленный десятью годами ранее, в июле 1820 года. Когда Эрстед пропускал ток через проводник во время эксперимента с использованием элемента Вольта, он заметил, что магнитная стрелка, случайно оказавшаяся рядом с проводником, слегка дернулась. (По некоторым сведениям, это впервые заметил ученик или ассистент Эрстеда.)

Сообщение Эрстеда о магнитном эффекте, вызванном током, оказало огромное влияние на научный мир и вызвало множество последующих экспериментов. Идея придать проводнику форму катушки (а именно корни Керли), вероятно, пришла в голову экспериментаторам в разных местах независимо друг от друга, но в научной истории с ней обычно связано имя Поггендорфа. Он поместил магнитную стрелку внутрь катушки и также убедился, что чем больше витков в катушке, тем больше будет отклонение стрелки.

Вскоре после этого Гей-Люссак, наиболее известный своими исследованиями газов, обнаружил, что ток в проводнике может превратить стальную иглу в магнит без прямого контакта. Вставка сердечника из стального железа в катушку и пропускание тока через катушку превращала сердечник в постоянный магнит. Человек, который разработал метод намагничивания, который используется до сих пор, был Араго, чья экспериментальная установка известна как диск Араго или колесо Араго.

Следуя по стопам Керли, предок Магмага увидел свет в научном мире Европы 19-го века. Конечно, природные магниты были известны еще в эпоху до нашей эры, а метод трения природных магнитов о железо для создания искусственных магнитов применялся с древних времен. Но идея использования электричества в катушке возникла только в 19 веке, после того как настоящие эксперименты стали возможными благодаря открытию вольтова столба и вольтова элемента в 1800 году.

«Правило правого винта» упрощает понимание закона Ампера

После того как Эрстед открыл магнитное действие тока, изучение магнетизма также быстро продвинулось вперед. Например, когда ток проходит через проводник, проложенный перпендикулярно через лист плотной бумаги, железный порошок, рассеянный на бумаге, будет аккуратно располагаться концентрическим узором.
Это явление похоже на то, что происходит при рассеянии железного порошка вокруг магнита. Под влиянием открытий Эрстеда многие ученые проводили такие эксперименты, и было установлено, что ток не только может создавать магнитное поле, но и свойства этого магнитного поля такие же, как у природного магнита.

Если рассматривать проводник с текущим током как магнит, то, вероятно, два таких проводника должны вести себя подобно двум магнитам, способным притягивать и отталкивать друг друга.Чтобы доказать, что это так, Ампер сконструировал подвижные катушки с проводником прямоугольной формы и провел серию экспериментов в строго контролируемых условиях. Он обнаружил, что когда ток течет в одном направлении в обоих проводниках, проводники притягиваются друг к другу, а ток, текущий в противоположном направлении, вызывает отталкивание.

Будучи искусным математиком, Ампер смог выразить магнитное поле, создаваемое током, в виде математической формулы. Это стало основой для новой дисциплины, которую Ампер назвал «электродинамикой».» Направление силовых линий магнитного поля относительно направления тока можно легко визуализировать, представив себе закручивание правого винта в материал. Это правило правого винта является упрощенным представлением закона Ампера, который определяет поведение в математических терминах

Катушка, по которой течет ток, ведет себя как стержневой магнит, но какой из концов катушки становится полюсом N, а какой полюсом S, зависит от направления намотки катушки и направления тока.Это может показаться знакомым, так как эта тема часто возникает как экзаменационный вопрос или в викторине по физике. Как показано на иллюстрации, существуют различные способы запоминания задействованного принципа. Наиболее полезным может быть метод 3, поскольку он точно следует основному принципу. Все, что вам нужно помнить, это тот факт, что магнитные силовые линии магнита выходят из полюса N и возвращаются к полюсу S, а также тот факт, что магнитные силовые линии проводника правосторонние по отношению к направлению, в котором ток течет.

Что вызывает периодические инверсии магнитного поля Земли? Были ли успешные попытки смоделировать это явление?

Гэри А. Глатцмайер из Института геофизики и планетологии
Физики Лос-Аламосской национальной лаборатории проделали большую работу в этом направлении.
площадь. Он отвечает:

«Считается, что магнитное поле Земли создается движением жидкости в
жидкая, внешняя часть ядра Земли, состоящая в основном из железа.То
движения жидкости вызываются силами плавучести, которые развиваются у основания внешней
ядро, поскольку Земля медленно остывает, а железо конденсируется на твердую внутреннюю твердую
ядро ниже. Вращение Земли заставляет плавучую жидкость подниматься по криволинейной траектории.
траектории, которые генерируют новое магнитное поле, скручивая и сдвигая
существующее магнитное поле. Более 99 процентов магнитной энергии Земли остается
полностью заключена в пределах ядра. Мы наблюдаем лишь малую часть
магнитное поле, которое распространяется на поверхность и за ее пределы, где его основная структура
представляет собой диполь, то есть простое поле север-юг, подобное полю простого стержня.
магнит.В поле Земли также есть более мелкие недиполярные структуры;
они меняются локально и очень незначительно в масштабе века.

«Дипольная часть поля обычно довольно точно выровнена с
ось вращения Земли; другими словами, магнитные полюса обычно достаточно
близко к географическим полюсам, поэтому работает компас. Иногда,
однако дипольная часть поля переворачивается, в результате чего расположение
северный и южный магнитные полюса для переключения.Этот обратный процесс можно увидеть в
палеомагнитная запись, запертая в породах на дне океана и в некоторых слоях лавы
течет. Процесс обращения не является в буквальном смысле «периодическим», как на Солнце.
магнитное поле которого меняется каждые 11 лет. Время между инверсиями магнитного поля
на Земле иногда всего 10 000 лет, а иногда и 25 лет.
миллион лет; время, необходимое для реверсирования, составляет всего около 5000 лет.

«Первое динамически согласованное трехмерное компьютерное моделирование
геодинамо (механизм в жидком внешнем ядре Земли, который генерирует и
поддерживает геомагнитное поле) был выполнен и опубликован Полом Х.Робертс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и я в 1995 году.
запрограммировали суперкомпьютеры для решения большого набора нелинейных уравнений, которые
описать физику движения жидкости и генерации магнитного поля в
Ядро Земли. Смоделированное геомагнитное поле, которое теперь охватывает эквивалент
более 300 000 лет, имеет интенсивность, структуру с преобладанием диполей и направление на запад.
дрейф на поверхности, которые все похожи на реальное поле Земли. Наша модель
предсказал, что твердое внутреннее ядро, будучи магнитно связанным с восточным
поток жидкости над ней, должен вращаться немного быстрее, чем поверхность Земли.Этот прогноз был недавно
подтверждается исследованиями сейсмических волн, проходящих через ядро.

«Кроме того, компьютерная модель произвела три самопроизвольных реверса
геомагнитное поле во время 300 000-летнего моделирования. Итак, теперь для первого
время, у нас есть трехмерная, зависящая от времени смоделированная информация о том, как
могут возникнуть переполюсовки магнитного поля. Процесс не простой, даже на нашем компе
модель. Движения жидкости пытаются изменить поле на несколько тысячелетий.
но твердое внутреннее ядро ​​пытается предотвратить инверсию, потому что поле не может
изменяться (распространяться) во внутреннем ядре почти так же быстро, как и в жидкости, внешнем
основной.Только в редких случаях термодинамика, движение жидкости и
все магнитное поле развивается совместимым образом, что позволяет исходному
Поле должно полностью диффундировать из внутреннего ядра, чтобы новая полярность диполя могла
диффундируют и создают обратное магнитное поле. Стохастический (случайный)
Характер процесса, вероятно, объясняет, почему время между реверсами на
Земля так сильно различается».

Для более подробного объяснения геодинамо, смоделированного магнитного
инверсии и супервращение внутреннего ядра Земли, Глатцмайер рекомендует
следующие бумаги:

«Трехмерное самосогласованное компьютерное моделирование геомагнитного
Инверсия поля» Гэри А.Глатцмайер и Пол Х. Робертс в Nature , Vol.
377, стр. 203-209; 1995.

«Вращение и магнетизм внутреннего ядра Земли» Гэри А. Глатцмайера и Пола.
Х. Робертс в Science , Vol. 274, стр. 1887-1891; 1996.

Эдвин С.
Робинсон — профессор геофизики Политехнического института Вирджинии.
Государственный университет в Блэксбурге, Вирджиния.

Он добавляет дополнительный фон
информация:

«Основное геомагнитное поле Земли создается потоком
электрически заряженные частицы в жидкой части земного ядра.Этот
жидкая зона простирается от глубины 2900 километров до глубины 5100
километров. Токи текущей жидкости вызваны разницей в
температура между верхом и основанием этой зоны. Эти токи
что-то вроде движения воды в кипящем чайнике. Вращение земли
на своей оси придает симметрию картине течений жидкого ядра. Следовательно,
в жидком ядре существует несколько симметричный электрический ток, который
результате движения электрически заряженных частиц.

«Мы знаем из принципов физики об электромагнитной индукции
что электрический ток всегда имеет связанное с ним магнитное поле. в
жидкого ядра Земли создается динамо. Поскольку ток сердечника несколько
симметричен относительно оси вращения, связанное с ним магнитное поле аналогично
к стержневому магниту. По непонятной причине баланс между
влияние вращения Земли и влияние температуры на ядро
динамо-машина время от времени выходит из строя, вызывая изменение тока сердечника
быть сорванным.После такого возмущения теоретически возможно
динамо-машина, чтобы восстановить себя с противоположным направлением тока. То
связанное с ним магнитное поле будет иметь противоположную поляризацию.

«Потому что мы не можем спуститься в жидкое ядро, чтобы увидеть, что на самом деле
происходит, мы должны делать выводы, основанные на измерениях, сделанных на уровне или выше
поверхность Земли. Поэтому наши знания о ядре весьма неполны. Мы
просто недостаточно знаю о ядре, чтобы предсказать, когда произойдет смена полюсов
в будущем или сколько времени потребуется для завершения такого разворота или что расстраивает
тонкий баланс факторов, которые производят ток сердечника.Но у нас есть
убедительную информацию, полученную от намагниченных зерен минералов в горных породах, которые
говорит нам, что инверсии геомагнитной полярности происходили очень много раз в
история земли.

Canon : Технология Canon | Научная лаборатория Canon

Для этого сайта требуется браузер с поддержкой JavaScript.

Свет это волна или частица?

Какова истинная природа света? Это волна или, может быть, поток мельчайших частиц? Эти вопросы давно озадачивали ученых.Давайте путешествовать по истории, изучая этот вопрос.

Около 1700 года Ньютон пришел к выводу, что свет представляет собой группу частиц (корпускулярная теория). Примерно в то же время были и другие ученые, которые думали, что свет может быть волной (волновая теория). Свет распространяется прямолинейно, и поэтому для Ньютона было вполне естественно думать о нем как о чрезвычайно малых частицах, испускаемых источником света и отражаемых предметами. Однако корпускулярная теория не может объяснить волнообразные световые явления, такие как дифракция и интерференция.С другой стороны, волновая теория не может объяснить, почему фотоны вылетают из металла, подвергающегося воздействию света (явление называется фотоэффектом, открытым в конце XIX века). Таким образом, великие физики веками продолжали спорить и демонстрировать истинную природу света.

Свет — это частица! (Сэр Исаак Ньютон)

Известный своим законом всемирного тяготения английский физик сэр Исаак Ньютон (1643–1727) понял, что свет обладает частотно-подобными свойствами, когда использовал призму для разделения солнечного света на составляющие его цвета.Тем не менее он считал свет частицей, потому что периферия создаваемых им теней была чрезвычайно резкой и ясной.

Свет — это волна! (Гримальди и Гюйгенс)

Волновая теория, утверждающая, что свет является волной, была предложена примерно в то же время, что и теория Ньютона. В 1665 году итальянский физик Франческо Мария Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции света и указал, что оно напоминает поведение волн. Затем, в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) создал волновую теорию света и провозгласил принцип Гюйгенса.

Свет однозначно волна! (Френель и Янг)

Примерно через 100 лет после Ньютона французский физик Огюстен-Жан Френель (1788–1827) утверждал, что световые волны имеют чрезвычайно короткую длину волны, и математически доказал интерференцию света. В 1815 году он также разработал физические законы для отражения и преломления света. Он также предположил, что пространство заполнено средой, известной как эфир, потому что волнам нужно что-то, что может их передавать. В 1817 году английский физик Томас Юнг (1773–1829) рассчитал длину волны света по интерференционной картине, тем самым не только выяснив, что длина волны составляет 1 мкм (1 мкм = одна миллионная часть метра) или меньше, но и имея представление о правда, что свет есть поперечная волна.В этот момент корпускулярная теория света потеряла популярность и была заменена волновой теорией.

Свет — это волна — электромагнитная волна! (Максвелл)

Следующая теория была предложена блестящим шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). В 1864 году он предсказал существование электромагнитных волн, существование которых до того времени не подтверждалось, и из его предсказания вышло представление о том, что свет является волной, точнее, разновидностью электромагнитной волны.До этого времени считалось, что магнитное поле, создаваемое магнитами и электрическими токами, и электрическое поле, создаваемое между двумя параллельными металлическими пластинами, соединенными с заряженным конденсатором, не связаны друг с другом. Максвелл изменил это представление, когда в 1861 году представил уравнения Максвелла: четыре уравнения электромагнитной теории, которые показывают, что магнитные поля и электрические поля неразрывно связаны. Это привело к введению концепции электромагнитных волн, отличных от видимого света, в исследования света, которые ранее были сосредоточены только на видимом свете.

Термин «электромагнитная волна» напоминает волны, излучаемые сотовыми телефонами, но на самом деле электромагнитные волны — это волны, создаваемые электричеством и магнетизмом. Электромагнитные волны всегда возникают везде, где течет электричество или распространяются радиоволны. Уравнения Максвелла, которые ясно показали существование таких электромагнитных волн, были объявлены в 1861 году, став самым фундаментальным законом электромагнетизма. Эти уравнения нелегко понять, но давайте рассмотрим их более подробно, потому что они касаются истинной природы света.

Что такое уравнения Максвелла?

Четыре уравнения Максвелла стали самым фундаментальным законом электромагнетизма. Первое уравнение формулирует закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что изменяющиеся магнитные поля генерируют электрические поля, производящие электрический ток.

Второе уравнение называется законом Ампера-Максвелла. Он дополняет закон Ампера, в котором говорится, что электрический ток, протекающий по проводу, создает вокруг себя магнитное поле, и другой закон, в котором говорится, что изменяющееся магнитное поле также вызывает свойство, подобное электрическому току (ток смещения), и это тоже создает магнитное поле вокруг себя.Термин «ток смещения» на самом деле является ключевым моментом.

Третье уравнение — это закон, утверждающий, что в источнике электрического поля имеется электрический заряд.

Четвертое уравнение – это закон Гаусса о магнитном поле, утверждающий, что у магнитного поля нет источника (магнитного монополя), эквивалентного источнику электрического заряда.

Что такое ток смещения?

Если взять две параллельные металлические пластины (электроды) и соединить одну с положительным полюсом, а другую с отрицательным полюсом батареи, получится конденсатор.Электричество постоянного тока (DC) будет просто собираться между двумя металлическими пластинами, и между ними не будет протекать ток. Однако, если вы подключите переменный ток (AC), который резко изменится, электрический ток начнет течь по двум электродам. Электрический ток — это поток электронов, но между этими двумя электродами нет ничего, кроме пространства, и поэтому электроны не текут.

Макселл задумался, что бы это могло значить. Затем ему пришло в голову, что приложение переменного напряжения к электродам создает в пространстве между ними переменное электрическое поле, и это изменяющееся электрическое поле действует как изменяющийся электрический ток.Этот электрический ток и есть то, что мы имеем в виду, когда используем термин «ток смещения».

Что такое электромагнитные волны и электромагнитные поля?

Из представления о токе смещения можно сделать самый неожиданный вывод. Короче говоря, электромагнитные волны могут существовать. Это также привело к открытию того, что в космосе существуют не только объекты, которые мы можем видеть глазами, но и неосязаемые поля, которые мы не можем видеть. Существование полей обнаружено впервые.Решение уравнений Максвелла раскрывает волновое уравнение, а решение этого уравнения приводит к волновой системе, в которой электрические поля и магнитные поля порождают друг друга, путешествуя в пространстве.

Форма электромагнитных волн была выражена математической формулой. Магнитные поля и электрические поля неразрывно связаны, и существует также сущность, называемая электромагнитным полем, которая несет исключительную ответственность за их появление.

Каков принцип генерации электромагнитных волн?

Теперь давайте посмотрим на конденсатор.Приложение переменного напряжения между двумя металлическими электродами создает изменяющееся электрическое поле в пространстве, а это электрическое поле, в свою очередь, создает ток смещения, вызывая протекание электрического тока между электродами. В то же время ток смещения создает вокруг себя изменяющееся магнитное поле в соответствии со вторым уравнением Максвелла (закон Ампера-Максвелла).

Возникающее магнитное поле создает вокруг себя электрическое поле в соответствии с первым из уравнений Максвелла (закон электромагнитной индукции Фарадея).На основании того факта, что изменяющееся электрическое поле таким образом создает магнитное поле, электромагнитные волны, в которых попеременно появляются электрическое поле и магнитное поле, создаются в пространстве между двумя электродами и распространяются в их окружение. Антенны, излучающие электромагнитные волны, создаются с использованием этого принципа.

Насколько быстры электромагнитные волны?

Максвелл рассчитал скорость движения волн, т.е. электромагнитных волн, выявленных по его математическим формулам.Он сказал, что скорость равна единице, превышающей квадратный корень из электрической диэлектрической проницаемости в вакууме, умноженной на магнитную проницаемость в вакууме. Когда он присвоил «9 x 10 ⁹ /4π для электрической проницаемости в вакууме» и «4π x 10 ^-7 для магнитной проницаемости в вакууме», оба из которых были известными значениями в то время, его вычисление дало 2,998. х 10 ⁸ м/сек. Это точно соответствовало ранее открытой скорости света. Это привело Максвелла к уверенному утверждению, что свет является разновидностью электромагнитной волны.

Свет тоже частица! (Эйнштейн)

Теория о том, что свет является частицей, полностью исчезла до конца 19-го века, когда Альберт Эйнштейн возродил ее. Теперь, когда доказана двойственная природа света как «частицы и волны», его основная теория получила дальнейшее развитие от электромагнетизма к квантовой механике. Эйнштейн считал, что свет — это частица (фотон), а поток фотонов — это волна. Суть квантовой теории света Эйнштейна состоит в том, что энергия света связана с частотой его колебаний.Он утверждал, что фотоны имеют энергию, равную «постоянной Планка, умноженной на частоту колебаний», и эта энергия фотона представляет собой высоту частоты колебаний, а интенсивность света представляет собой количество фотонов. Различные свойства света, который является типом электромагнитной волны, обусловлены поведением очень маленьких частиц, называемых фотонами, которые невидимы невооруженным глазом.

Что такое фотоэлектрический эффект?

Немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879–1955), известный своими теориями относительности, провел исследование фотоэлектрического эффекта, при котором электроны вылетают из металлической поверхности, подвергаемой воздействию света.Самое странное в фотоэффекте то, что энергия электронов (фотоэлектронов), вылетающих из металла, не меняется независимо от того, слаб свет или силен. (Если бы свет был волной, сильный свет должен был бы заставлять фотоэлектроны вылетать с большой силой.) Еще один загадочный вопрос заключается в том, как фотоэлектроны размножаются при воздействии сильного света. Эйнштейн объяснил фотоэффект тем, что «свет сам по себе является частицей», и за это получил Нобелевскую премию по физике.

Что такое фотон?

Легкая частица, задуманная Эйнштейном, называется фотоном.Основным пунктом его квантовой теории света является идея о том, что энергия света связана с частотой его колебаний (известной как частота в случае радиоволн). Частота колебаний равна скорости света, деленной на его длину волны. Фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн предположил, что когда электроны внутри материи сталкиваются с фотонами, первые поглощают энергию последних и улетают, и что чем выше частота колебаний фотонов, которые сталкиваются, тем больше энергии вылетающих электронов.

Короче говоря, он говорил, что свет — это поток фотонов, энергия этих фотонов — высота частоты их колебаний, а интенсивность света — количество его фотонов.

Эйнштейн доказал свою теорию, доказав, что постоянная Планка, полученная им на основе его экспериментов по фотоэлектрическому эффекту, точно соответствует константе 6,6260755 x 10 ^-34 (постоянная Планка), которую немецкий физик Макс Планк (1858–1947) получил в 1900 г. его исследования электромагнитных волн.Это также указывало на тесную связь между свойствами и частотой колебаний света как волны и свойствами и импульсом (энергией) света как частицы, или, другими словами, на двойственную природу света как частицы и волны.

Другие частицы, кроме фотонов, становятся волнами?

Французский физик-теоретик Луи де Бройль (1892–1987) продвинул такое исследование волновой природы частиц, доказав, что помимо фотонов существуют частицы (электроны, протоны и нейтроны), обладающие волновыми свойствами.Согласно де Бройлю, все частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, приобретают свойства и длину волны волны в дополнение к свойствам и импульсу частицы. Он также вывел соотношение «длина волны x импульс = постоянная Планка».

С другой точки зрения, можно было бы сказать, что сущность двойственной природы света как частицы и волны уже содержится в постоянной Планка. Эволюция этой идеи способствует разнообразным научным и техническим достижениям, включая разработку электронных микроскопов.

Природа Света | СпрингерЛинк

В 1831 году эксперименты Майкла Фарадея привели к открытию электромагнитной индукции, согласно которой электричество индуцируется изменениями в магнитном поле.

Используя самые передовые векторные методы своего времени, Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) синтезировал законы электромагнетизма Фарадея в последовательную математическую теорию, подтвердив догадку Фарадея о том, что свет состоит из электромагнитных волн.Книга Максвелла 1873 года Электричество и магнетизм содержала его фундаментальные математические законы электромагнетизма ( Законы Максвелла ) и предсказывала существование таких явлений, как радиоволны. В 1888 году это подтвердил Генрих Герц (1857–1894); его «волны Герца» позже легли в основу работы Маркони по радиотелеграфии.

Хендрик Лоренц (1853–1928) показал, как электромагнитные волны Максвелла взаимодействуют с веществом, состоящим из атомов, внутри которых находятся распределения электрического заряда.Он предсказал, что магнитные поля изменяют спектральные линии атомов, и это подтвердил его ученик Питер Зееман, с которым он разделил Нобелевскую премию по физике 1902 года.

Электромагнитная теория света Максвелла и эксперименты с недавно изобретенной лампочкой заставили ученых задуматься о том, как атомы излучают свет. Сначала казалось, что весь свет должен иметь очень высокую частоту. Примирив теорию с экспериментом, Макс Планк (1858–1947) объявил о первых шагах к «квантовой теории», постулировав, что атомы могут излучать свет только небольшими порциями (называемыми «квантами»), энергия которых E пропорциональна их частоте. ν.Таким образом, E = ч ν, где ч — «постоянная Планка».

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил «фотоэлектрический эффект» тем, что свет ведет себя как частицы и может высвобождать электроны при ударе о металлическую поверхность. Его статья, которая привела его к Нобелевской премии по физике 1921 года, показала, что уравнение Планка E = h ν является фундаментальной характеристикой самого света, а не атомов.

Фотоэффект Эйнштейна

Автор Информация

Аффилиации

1. Открытый университет, Милтон Кейнс, Великобритания

   Robin Wilson

2. Баллиол-колледж, Оксфордский университет, Оксфорд, Великобритания

   DR KCITH Hannabuss

Авторы

1. Робин Уилсон
2. Dr Keith Hannabuss

Автор, ответственный за корреспонденцию

Робин Уилсон.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Об этой статье

Процитировать эту статью

Уилсон Р., Ханнабус Д. Природа света.
Math Intelligencer 41, 98 (2019). https://doi.org/10.1007/s00283-019-09900-z

Скачать цитату

Поделиться этой статьей

Любой, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, сможет прочитать этот контент:

Получить ссылку для общего доступа

Извините, общедоступная ссылка в настоящее время недоступна для этой статьи.

Предоставлено инициативой Springer Nature SharedIt по обмену контентом.

Магнитное поле — Энциклопедия Нового Света

Магнитное поле — это невидимое физическое явление, вызванное («индуцированное») электрическим током.Ток может быть таким же маленьким, как электрон, вращающийся по орбите в атоме, или таким же большим, как ток в домашней проводке или электрические токи, протекающие в ядре Земли. Магнитное поле обнаруживается по силе, которую оно оказывает на движущуюся через него заряженную частицу или на магнитный диполь, такой как постоянный магнит. Магнитные поля, которые измеряются в единицах Тесла (Тл), сильно различаются по силе примерно от 1/30 000 Тл для магнитного поля Земли до 1/100 Тл для магнита холодильника, 1/6 Тл для Солнца и 50 000 Тл. для белых карликов.Магнитное поле Земли защищает планету от солнечного ветра, заряженные частицы которого иногда действительно проникают через щит и следуют за линиями магнитного поля к полюсам, где их спуск производит пляшущие «северные сияния», Северное сияние.

Магнитные и электрические поля сильно взаимодействуют друг с другом: изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле индуцирует магнитное поле. Когда два поля напрямую связаны как перпендикулярные совместно действующие вертикальные волны, колеблющиеся и распространяющиеся вместе, они несут энергию в виде электромагнитного излучения в его различных формах, от видимого света до рентгеновских лучей и радиоволн.

Перелетные птицы и морские черепахи, а также люди-моряки, следующие по компасу, используют магнитное поле Земли в качестве ориентира. Понимание и манипулирование магнитными полями было основополагающим в использовании электричества для использования человеком, поскольку магнитные поля активны в каждом электрическом генераторе и каждом электродвигателе. Эффекты магнитного поля применяются как в микрофонах для записи звука, так и в громкоговорителях для его проецирования, а в классическом магнитофоне эффекты магнитного поля использовались для записи звуковых сигналов на ленту, а затем и для их воспроизведения.

Научные приборы, такие как циклотроны, гальванометры и масс-спектрометры, используют эффекты магнитных полей для изучения физических явлений и анализа материалов. Импульсы сильных магнитных полей используются в ФМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии) для мониторинга активности мозга и в МРТ для визуализации тканей по всему телу.

Железные опилки, разбросанные по листу бумаги, покрывающему стержневой магнит (магнитный диполь), очерчивают как магнит, так и невидимые линии магнитного поля , изгибающиеся дугой между полюсами магнита (обозначены буквами N и S).Каждая железная опилка сама становится маленьким магнитом и выравнивается с магнитным полем.

Основы магнитного поля

В и Н

Обычно физики относятся к магнитному полю в «пустом» пространстве с помощью символа B {\ displaystyle \ mathbf {B}} и используют второй термин H {\ displaystyle \ mathbf {H}} (напряженность магнитного поля ), чтобы охарактеризовать магнитное поле, которое проходит через магниточувствительный материал, такой как железо, которое создает внутреннее магнитное поле.Физики также называют H {\ displaystyle \ mathbf {H}} вспомогательным магнитным полем или намагничивающим полем . Среди инженеров-электриков H {\ displaystyle \ mathbf {H}} известен как напряженности магнитного поля или напряженности магнитного поля, , а B {\ displaystyle \ mathbf {B}} известен как плотности магнитного потока, магнитная индукция, или просто магнитное поле, как используется физиками.

шт.

Магнитное поле выражается в единицах СИ в теслах (Тл), что эквивалентно веберам на квадратный метр (Вб/м²) или вольт-секундам на квадратный метр (В·с/м²).(Вебер — это единица измерения магнитного потока в системе СИ, определяемая как величина потока, необходимая для создания в окружающей проводящей петле электродвижущей силы в 1 вольт, если поток уменьшается до нуля в течение одной секунды.) ^{[1] [2 ] [3]} В единицах сгс B {\ displaystyle \ mathbf {B}} имеет единицы гаусса (G), где 1T = 10 000G. Векторное поле измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ или в эрстеде (Э) в единицах СГС.

Векторные поля

Магнитное поле математически относится к классу векторных полей, которые определяются в каждой точке области их возникновения как по величине, так и по направлению.Магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, величина которого измеряется в Теслах, и напряженность магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}}, величина которой измеряется в амперах на метр, поэтому оба являются более правильными. представлен вектором (выглядящим как стрелка), а полное поле представлено множеством стрелок, направления которых в совокупности показывают кривую магнитного поля, простирающуюся между двумя магнитными полюсами.

Постоянные магниты и магнитные полюса

Направление магнитного поля вблизи полюсов магнита определяется размещением поблизости компаса.Как видно здесь, магнитное поле направлено к южному полюсу магнита и от его северного полюса.

Постоянные магниты — это объекты, создающие собственные постоянные магнитные поля. Все постоянные магниты имеют как северный, так и южный полюс. (Магнитные полюса всегда идут парами север-юг.) Одноименные полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. (См. Сила на магнитном диполе из-за неоднородного B ниже.) Магнетизм в постоянном магните возникает из-за свойств атомов (в частности, электронов), которые его составляют.Каждый атом действует как маленький индивидуальный магнит. Если эти магниты выстраиваются в линию, они объединяются, чтобы создать макроскопический магнитный эффект. Подробнее о том, что происходит как в микроскопическом, так и в макроскопическом плане, см. в статье ферромагнетизм.

Если позволить магниту свободно вращаться, он повернется и укажет направление магнитного поля в месте его расположения. Компас — это небольшой магнит, который использует этот эффект, чтобы указывать направление местного магнитного поля. По определению, направление магнитного поля в точке — это направление, в котором хотел бы указать северный полюс магнита.

Если компас поместить рядом с северным полюсом магнита, он будет указывать в сторону от этого полюса, как полюса отталкиваются. Другими словами, магнитное поле направлено от магнита вблизи его северного полюса. Противоположное произойдет, если мы поместим компас рядом с южным полюсом магнита; магнитное поле направлено на магнит вблизи его южного полюса. Однако не все магнитные поля можно описать с точки зрения полюсов. Прямой провод с током, например, создает магнитное поле, которое не направлено ни к проводу, ни от него, а вместо этого окружает его.

Визуализация магнитного поля

Сила и направление магнитного поля, создаваемого объектом, варьируются от положения к положению. Картографирование этого магнитного поля в принципе просто. Сначала измерьте силу и направление магнитного поля в большом количестве точек. Затем отметьте каждое место стрелкой (называемой вектором), указывающей в направлении магнитного поля, длина которой пропорциональна силе магнитного поля. Это надежный и полезный способ выделения и визуализации магнитного поля объекта.Однако это имеет печальное последствие загромождения графика даже при использовании небольшого количества точек. Альтернативный метод визуализации магнитного поля — использование «линий магнитного поля».

Линии магнитного поля B

Различные физические явления вызывают отображение силовых линий магнитного поля. Например, железные опилки, помещенные в магнитное поле, выстроятся таким образом, чтобы визуально показать ориентацию магнитного поля (см. рисунок вверху). Еще одно место, где визуально отображаются магнитные поля, — это полярные сияния, в которых видимые полосы света совпадают с локальным направлением магнитного поля Земли (из-за дипольных взаимодействий частиц плазмы).В этих явлениях появляются линии или кривые, идущие вдоль направления местного магнитного поля.

Эти силовые линии дают нам способ изобразить или нарисовать магнитное поле (или любое другое векторное поле). Технически силовые линии представляют собой набор линий, проходящих через пространство, направление которых в любой точке совпадает с направлением локального магнитного поля, а плотность пропорциональна величине локального магнитного поля. Обратите внимание, что когда магнитное поле изображается с помощью силовых линий, это , а не означает, что поле не равно нулю только вдоль нарисованных силовых линий.(Использование железных опилок для отображения поля представляет собой своего рода исключение из этой картины: на самом деле магнитное поле намного больше вдоль «линий» железа из-за большой проницаемости железа по отношению к воздуху.) Скорее, Обычно поле везде гладкое и непрерывное, и его можно оценить как в любой точке (независимо от того, находится ли она на силовой линии или нет), если посмотреть на направление и плотность силовых линий поблизости. Выбор силовых линий для такого изображения является произвольным, за исключением требования, чтобы они были разнесены так, чтобы их плотность приближалась к величине локального поля.Уровень детализации изображения магнитного поля можно повысить, увеличив количество линий.

Линии поля — полезный способ представления любого векторного поля, и их часто можно использовать для простого выявления сложных свойств этого поля. Одно важное свойство магнитного поля, которое можно проверить с помощью силовых линий, заключается в том, что оно всегда образует полные петли. Линии магнитного поля не начинаются и не заканчиваются (хотя они могут простираться в бесконечность или из нее).На сегодняшний день исключений из этого правила не найдено.

Даже когда кажется, что магнитное поле имеет конец (например, когда оно уходит около северного полюса или входит около южного полюса магнита), на самом деле это не так. В случае постоянного магнита силовые линии замыкают петлю внутри магнита, идущую от южного к северному полюсу. (Чтобы увидеть, что это должно быть правдой, представьте себе, что вы поместили компас внутрь магнита. Северный полюс компаса будет указывать на северный полюс магнита, поскольку магниты, наложенные друг на друга, указывают в одном направлении.)

Поскольку силовые линии магнитного поля всегда образуют петли, магнитные полюса всегда образуют пары N и S. Если линия магнитного поля где-то входит в магнит, она должна выйти из магнита где-то в другом месте; не допускается наличие конечной точки. По этой же причине, если разрезать магнит пополам, получится два отдельных магнита, каждый с северным и южным полюсами.

Силовые линии также являются хорошим инструментом для визуализации магнитных сил. Имея дело с магнитными полями в ферромагнитных веществах, таких как железо, и в плазме, магнитные силы можно понять, представив, что силовые линии испытывают натяжение (как резиновая лента) по своей длине и давление, перпендикулярное их длине, на соседние. линии поля.«Непохожие» полюса магнитов притягиваются, потому что они связаны многими силовыми линиями, а «одинаковые» полюса отталкиваются, потому что силовые линии между ними не пересекаются, а идут параллельно, толкая друг друга.

Магнитное поле Земли

Эскиз магнитного поля Земли , изображающий источник магнитного поля Земли в виде магнита. Северный полюс земли находится в верхней части диаграммы, южный полюс — в нижней. Обратите внимание, что южный полюс этого магнита находится глубоко внутри Земли, ниже Северного магнитного полюса Земли.Магнитное поле Земли создается во внешней жидкой части ее ядра благодаря динамо-машине, которая производит там электрические токи.

Из-за магнитного поля Земли компас, размещенный в любом месте на Земле, будет поворачиваться так, что «северный полюс» магнита внутри компаса будет указывать примерно на север, к северному магнитному полюсу Земли в северной части Канады. Это традиционное определение «северного полюса» магнита, хотя возможны и другие эквивалентные определения. Одна путаница, возникающая из этого определения, заключается в том, что если рассматривать саму Землю как магнит, то южный полюс этого магнита будет полюсом ближе к северному магнитному полюсу, и наоборот.(Противоположные полюса притягиваются, а северный полюс магнита компаса притягивается к северному магнитному полюсу.) Северный магнитный полюс назван так не из-за полярности поля, а из-за его географического положения.

Рисунок справа представляет собой набросок магнитного поля Земли, представленный силовыми линиями. Магнитное поле в любой заданной точке не направлено прямо к полюсам (или от них) и имеет значительную составляющую вверх/вниз для большинства местоположений. (Кроме того, существует составляющая Восток/Запад, поскольку магнитные полюса Земли не совпадают точно с геологическим полюсом Земли.) Магнитное поле похоже на магнит глубоко внутри Земли.

Магнитное поле Земли, вероятно, создается динамо-машиной, производящей электрические токи во внешней жидкой части ядра. Магнитное поле Земли непостоянно: его сила и расположение полюсов меняются. Полюса даже периодически меняют направление в процессе, называемом инверсией геомагнитного поля.

Воздействие магнитного поля, В

Магнитное поле оказывает множество воздействий на материалы и отдельные частицы.Все эти эффекты могут быть выражены за счет его воздействия на элементарные заряды и магнитные диполи. Есть четыре элементарных способа воздействия магнитного поля на заряд или магнитный диполь.

1. Боковая сила движущегося заряда или тока
2. Крутящий момент на магнитном диполе
3. Сила на магнитном диполе из-за неоднородности B
4. Сила, действующая на заряд из-за изменения B

Заряженная частица дрейфует в однородном магнитном поле.(A) Без возмущающей силы (B) С электрическим полем, E (C) С независимой силой, F (например, силой тяжести) (D) В неоднородном магнитном поле, град H

Сила магнитного поля на движущийся заряд

Сила, действующая на заряженную частицу

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, будет испытывать боковую силу, пропорциональную напряженности магнитного поля, составляющей скорости, которая перпендикулярна магнитному полю, и заряд частицы.Эта сила известна как сила Лоренца. Сила всегда перпендикулярна как скорости частицы, так и создавшему ее магнитному полю. Ни неподвижная частица, ни частица, движущаяся в направлении силовых линий магнитного поля, не будут испытывать силы. По этой причине заряженные частицы движутся по кругу (или, в более общем смысле, по спирали) вокруг силовых линий магнитного поля; это называется циклотронным движением. Поскольку магнитное поле всегда перпендикулярно движению, магнитные поля не могут совершать работу над заряженной частицей; магнитное поле само по себе не может ускорить или замедлить заряженную частицу.Однако она может изменить и действительно изменяет направление движения частицы, вплоть до того, что сила, приложенная в одном направлении, может заставить частицу дрейфовать в перпендикулярном направлении.

Сила на токоведущем проводе

Сила, действующая на провод с током, аналогична силе движущегося заряда, как и ожидалось, поскольку провод с зарядом представляет собой совокупность движущихся зарядов. Проводник с током будет ощущать боковую силу в присутствии магнитного поля. Силу Лоренца, действующую на макроскопический ток, часто называют силой Лапласа .

Правило правой руки: Для обычного тока или движущегося положительного заряда в направлении большого пальца правой руки и магнитного поля в направлении пальцев (указывающих от ладони) сила тока будет в направление от ладони. Направление силы меняется на противоположное для отрицательного заряда.

Направление силы

Направление силы на положительный заряд или ток определяется по правилу правой руки. См. рисунок справа.Используя правую руку и указывая большим пальцем в направлении движущегося положительного заряда или положительного тока, а пальцами в направлении магнитного поля, результирующая сила на заряде будет указывать наружу от ладони. Сила, действующая на отрицательно заряженную частицу, действует в противоположном направлении. Если и скорость, и заряд поменять местами, то направление силы останется прежним. По этой причине измерение магнитного поля (само по себе) не может различить, движется ли положительный заряд вправо или отрицательный заряд, движущийся влево.(Оба они будут производить один и тот же ток.) ​​С другой стороны, магнитное поле в сочетании с электрическим полем может различать их, см. Эффект Холла ниже.

Альтернативой правилу правой руки является правило левой руки Флеминга.

Крутящий момент на магнитном диполе

Магнит, помещенный в магнитное поле, будет испытывать крутящий момент, который попытается выровнять магнит с магнитным полем. Крутящий момент на магните из-за внешнего магнитного поля легко наблюдать, поместив два магнита рядом друг с другом, позволяя одному вращаться.Этот магнитный момент лежит в основе работы компаса. Он используется для определения направления магнитного поля (см. выше).

Магнитный крутящий момент также обеспечивает крутящий момент для простых электродвигателей. Магнит (называемый ротором), помещенный на вращающийся вал, будет ощущать сильный крутящий момент, если одинаковые полюса будут расположены рядом с его собственными полюсами. Если магнит, вызывающий вращение, называемый статором, постоянно переворачивается так, что его полюса всегда близки к ротору, тогда ротор будет генерировать крутящий момент, который передается на вал.Полярность ротора можно легко изменить, если это электромагнит, изменив направление тока через его катушки.

См. Вращающиеся магнитные поля ниже для примера использования этого эффекта с электромагнитами.

Сила на магнитном диполе из-за неоднородности B

Наиболее часто встречающееся воздействие магнитного поля — это сила между двумя магнитами: одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. На самом деле эту силу можно выразить в терминах расположения и силы полюсов (или, в более общем смысле, распределения полюсов) в двух магнитах, притягивающих и отталкивающих друг друга.Эта модель называется «моделью Гилберта» и создает как правильную силу между двумя магнитами, так и правильное поле вне магнитов, но неправильное магнитное поле внутри магнитов. (Хотя модель Гилберта полезна в определенных контекстах как математическая модель, идея «полюсов» не совсем точно отражает то, что физически происходит внутри магнита; см. ферромагнетизм.)

Более физически точная картина была бы основана на фундаментальном факте, что магнитный диполь испытывает силу, когда помещен в неоднородное внешнее магнитное поле.(В однородном поле он будет испытывать крутящий момент, но не силу.) Южный полюс одного магнита притягивается к северному полюсу другого магнита из-за специфического способа, которым каждый из микроскопических диполей в любом магните реагирует на неравномерное воздействие. -однородное поле другого магнита.

Сила, действующая на магнитный диполь, не зависит напрямую от силы или направления магнитного поля, а только от того, как они меняются в зависимости от местоположения. Магнит будет двигаться, чтобы максимизировать магнитное поле в направлении его магнитного момента.

Следует соблюдать осторожность, чтобы отличать магнитную силу, действующую на магнитный диполь, от магнитной силы, действующей на движущийся заряд. Магнитная сила на заряд возникает только тогда, когда заряд движется и находится в боковом направлении. Оно ощущается как для однородных, так и для неоднородных магнитных полей. Магнитная сила на диполе, с другой стороны, присутствует только в неоднородных (в пространстве) полях и имеет направление, увеличивающее компонент магнитного поля в направлении, параллельном магнитному моменту диполя.Сила, действующая на магнитный диполь, также не зависит от его скорости (за исключением скоростей, приближающихся к скорости света).

Электрическая сила из-за изменения B

Если магнитное поле в области меняется со временем, оно создает электрическое поле, которое образует замкнутые петли вокруг этой области. Проводящий провод, который образует замкнутый контур вокруг области, будет иметь индуцированное напряжение, создаваемое этим изменяющимся магнитным полем. Этот эффект представлен математически как закон Фарадея и лежит в основе многих генераторов.Необходимо соблюдать осторожность, чтобы понять, что изменяющееся магнитное поле является источником расширенного электрического поля. Изменяющееся магнитное поле не только создает электрическое поле в этом месте; скорее он генерирует электрическое поле, которое образует замкнутые петли вокруг места, где меняется магнитное поле.

Математически закон Фарадея чаще всего представляется в терминах изменения магнитного потока во времени. Магнитный поток является свойством замкнутого контура (скажем, катушки с проволокой) и представляет собой произведение площади, умноженной на магнитное поле, нормальное к этой области.Инженеры и физики часто используют магнитный поток как удобное физическое свойство контура (контуров). Затем они выражают магнитное поле как магнитный поток на единицу площади. Именно по этой причине поле часто называют «плотностью магнитного потока». Преимущество этого подхода заключается в упрощении некоторых расчетов, например, в магнитных цепях. Однако обычно оно не используется вне электрических цепей, потому что магнитное поле действительно является более «фундаментальной» величиной, поскольку оно самым простым образом напрямую связывает всю электродинамику.

Источники магнитных полей

Магнитные поля можно создавать разными способами. Все эти способы основаны на трех элементарных способах создания магнитного поля.

1. Электрические токи (движущиеся заряды)
2. Магнитные диполи
3. Изменение электрического поля

Считается, что эти источники воздействуют на виртуальные частицы, составляющие поле.

Электрические токи (движущиеся заряды)

Все движущиеся заряды создают магнитное поле. ^[4] Магнитное поле движущегося заряда очень сложно, но хорошо известно. (См. уравнения Ефименко.) Он образует замкнутые петли вокруг линии, указывающей в направлении движения заряда. С другой стороны, магнитное поле тока гораздо проще рассчитать.

Магнитное поле постоянного тока

Ток (I) через провод создает магнитное поле (B {\ displaystyle \ mathbf {B}}) вокруг провода. Поле ориентировано по правилу правого хвата.

Магнитное поле, создаваемое постоянным током (непрерывный поток зарядов, например, через провод, который является постоянным во времени и в котором заряд не накапливается и не истощается ни в одной точке), описывается формулой Био- Закон Савара. ^[5] Это следствие закона Ампера, одного из четырех уравнений Максвелла, описывающих электричество и магнетизм. Линии магнитного поля, создаваемые проводом с током, образуют концентрические окружности вокруг провода. Направление магнитного поля петель определяется правилом правой руки.(См. рисунок справа.) Сила магнитного поля уменьшается по мере удаления от провода.

Токонесущий провод можно согнуть в петлю так, чтобы поле было сконцентрировано (и в том же направлении) внутри петли. Поле будет слабее вне контура. Складывание множества таких петель для формирования соленоида (или длинной катушки) может значительно увеличить магнитное поле в центре и уменьшить магнитное поле снаружи соленоида. Такие устройства называются электромагнитами и чрезвычайно важны для создания сильных и хорошо контролируемых магнитных полей.Бесконечно длинный соленоид будет иметь однородное магнитное поле внутри петель и не иметь магнитного поля снаружи. Электромагнит конечной длины будет создавать практически то же магнитное поле, что и однородный постоянный магнит той же формы и размера. Однако у электромагнита есть то преимущество, что вы можете легко изменять силу (даже создавая поле в противоположном направлении), просто контролируя входной ток. Одним из важных применений является постоянное переключение полярности стационарного электромагнита, чтобы заставить вращающийся постоянный магнит постоянно вращаться, используя тот факт, что противоположные полюса притягиваются, а одинаковые полюса отталкиваются.Это может быть использовано для создания важного типа электродвигателя.

Магнитные диполи

Линии магнитного поля вокруг «магнитостатического диполя», сам магнитный диполь находится в центре и виден сбоку.

Магнитное поле постоянного магнита хорошо известно. (См. первый рисунок статьи.) Но что вызывает магнитное поле постоянного магнита? Ответ снова заключается в том, что магнитное поле в основном создается за счет токов. Но на этот раз это связано с кумулятивным эффектом множества малых «токов» электронов, «вращающихся» вокруг ядер магнитного материала.С другой стороны, это связано со структурой самого электрона, который в некотором смысле можно рассматривать как образующий крошечную петлю тока. (Истинная природа магнитного поля электрона носит релятивистский характер, но эта модель часто работает.) Обе эти крошечные петли моделируются в терминах того, что называется магнитным диполем. Дипольный момент этого диполя можно определить как произведение тока на площадь контура, после чего можно вывести уравнение для магнитного поля, создаваемого этим магнитным диполем.(На изображении выше показано, как выглядит это магнитное поле.) Магнитное поле большего магнита можно рассчитать, сложив магнитные поля многих магнитных диполей.

Изменение электрического поля

Последним известным источником магнитных полей является изменяющееся электрическое поле. Как изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, так и изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. (Эти два эффекта накладываются друг на друга, образуя электромагнитные волны, такие как свет.) Подобно тому, как силовые линии магнитного поля образуют замкнутые петли вокруг тока, электрическое поле, изменяющееся во времени, генерирует магнитное поле, которое образует замкнутые петли вокруг области, где меняется электрическое поле. Сила этого магнитного поля пропорциональна скорости изменения электрического поля во времени (которое называется током смещения). ^[6] Тот факт, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, известен как поправка Максвелла к закону Ампера.

Магнитный монополь (гипотетический)

Магнитный монополь — гипотетическая частица (может существовать, а может и не существовать).Магнитный монополь будет иметь, как следует из его названия, только один полюс. Другими словами, он будет обладать «магнитным зарядом», аналогичным электрическому заряду. Положительный магнитный заряд будет соответствовать изолированному северному полюсу, а отрицательный магнитный заряд будет соответствовать изолированному южному полюсу.

Современный интерес к этой концепции проистекает из теорий частиц, особенно теорий Великого объединения и теорий суперструн, которые предсказывают либо существование, либо возможность существования магнитных монополей.Эти и другие теории вдохновили на обширные усилия по поиску монополий. Несмотря на эти усилия, до настоящего времени не наблюдалось ни одного магнитного монополя. (В двух экспериментах были получены события-кандидаты, которые первоначально интерпретировались как монополии, но теперь они считаются неубедительными. Подробности и ссылки см. В разделе «Магнитный монополь».)

Определение и математические свойства B

Существует несколько различных, но физически эквивалентных способов определения магнитного поля.В принципе любой из вышеперечисленных эффектов, обусловленных магнитным полем или любым из источников магнитного поля, можно использовать для определения его величины и направления. Его направление в данной точке можно рассматривать как направление, в котором гипотетический свободно вращающийся небольшой тестовый диполь повернулся бы к точке, если бы он был помещен в эту точку. Его величина определяется (в единицах СИ) как напряжение, индуцированное на единицу площади контура с током в однородном магнитном поле, нормальном к контуру, когда магнитное поле уменьшается до нуля за единицу времени.Единицей магнитного поля в системе СИ является Тесла.

Вектор магнитного поля представляет собой псевдовектор (также называемый аксиальным вектором). (Это техническое утверждение о том, как ведет себя магнитное поле, когда вы отражаете мир в зеркале.) Этот факт очевиден из многих определений и свойств поля; например, величина поля пропорциональна крутящему моменту на диполе, а крутящий момент — это известный псевдовектор.

Уравнения Максвелла

Как обсуждалось выше, магнитное поле является векторным полем.(Магнитное поле в каждой точке пространства и времени представлено собственным вектором.) Будучи векторным полем, магнитное поле обладает двумя важными математическими свойствами. Эти свойства вместе с соответствующими свойствами электрического поля составляют уравнения Максвелла.

Во-первых, магнитное поле никогда не начинается и не заканчивается в точке. Какие бы линии магнитного поля ни входили в область, в конечном итоге она должна покинуть эту область. Это математически эквивалентно утверждению, что дивергенция магнитного поля равна нулю.(Такие векторные поля называются соленоидальными векторными полями.) Это свойство называется законом Гаусса для магнетизма и является одним из уравнений Максвелла. Это также эквивалентно утверждению об отсутствии магнитных монополей (см. выше).

Второе математическое свойство магнитного поля заключается в том, что оно всегда зацикливается вокруг источника, который его создает. Этим источником может быть ток, магнит или изменяющееся электрическое поле, но он всегда находится внутри петель создаваемого ими магнитного поля. Математически этот факт описывается уравнением Ампера-Максвелла.

Измерение магнитного поля B

Существует множество способов измерения магнитного поля, многие из которых используют эффекты, описанные выше. Приборы, используемые для измерения местного магнитного поля, называются магнитометрами. Важные магнитометры включают использование вращающейся катушки, магнитометры на эффекте Холла, магнитометр ЯМР, магнитометр SQUID и феррозондовый магнитометр. Магнитные поля удаленных астрономических объектов можно определить, отметив их влияние на локальные заряженные частицы.Например, электроны, движущиеся по спирали вокруг силовой линии, будут производить синхотронное излучение, которое можно обнаружить в радиоволнах.

Эффект Холла

Поскольку сила Лоренца зависит от знака заряда (см. выше), она приводит к разделению зарядов, когда проводник с током помещается в поперечное магнитное поле с накоплением противоположных зарядов на двух противоположных сторонах проводника в направлении нормали. к магнитному полю, и можно измерить разность потенциалов между этими сторонами.

Эффект Холла часто используется для измерения величины магнитного поля, а также для определения знака преобладающих носителей заряда в полупроводниках (отрицательные электроны или положительные дырки).

СКВИД-магнитометр

См. также: сверхпроводимость

Сверхпроводники — это материалы, обладающие как особыми электрическими свойствами (идеальная проводимость), так и магнитными свойствами (например, эффект Мейснера, при котором многие сверхпроводники могут идеально вытеснять магнитные поля).Оказывается, благодаря этим свойствам петли, включающие сверхпроводящий материал, и их джозефсоновские контакты могут функционировать как очень чувствительные магнитометры, называемые СКВИДами.

Поле H

Термин «магнитное поле» также может использоваться для описания магнитного поля. Магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} похоже на B {\ displaystyle \ mathbf {B}} тем, что это векторное поле, но его единицы измерения часто различаются. В единицах СИ B {\ displaystyle \ mathbf {B}} и H {\ displaystyle \ mathbf {H}} измеряются в теслах (Тл) и амперах на метр (А / м) соответственно; или, в единицах СГС, в гауссах (Г) и эрстедах (Э) соответственно.За пределами намагничиваемых материалов два поля идентичны (за исключением, возможно, постоянного коэффициента преобразования), но внутри магнитного материала они могут существенно различаться. Количественно поля связаны следующими уравнениями:

B = г. до н. э. ; 0 (H + M) {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu _ {0} (\ mathbf {H} + \ mathbf {M})} (единицы СИ)

B = H + 4πM {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mathbf {H} +4 \ pi \ mathbf {M}} (единицы сгс),

, где M {\ displaystyle \ mathbf {M}} — плотность намагниченности любого магнитного материала. .

Физическая интерпретация поля H

Когда присутствуют магнитные материалы, общее магнитное поле создается двумя разными типами токов, которые необходимо различать: свободным током и связанным током. Свободные токи — это обычные токи в проводах и других проводниках, которые можно контролировать и измерять. Связанные токи — это крошечные круговые токи внутри атомов, которые ответственны за намагниченность магнитных материалов.Хотя фактический источник магнитного поля в электронных орбиталях атомов сложен, магнитные свойства материала можно объяснить, если предположить, что он разделен на крошечные блоки, каждый из которых имеет ток, протекающий по его внешней поверхности, перпендикулярной к поверхности. ось магнитного поля. В качестве примера связанного тока рассмотрим однородный постоянный стержневой магнит. Кусок железа состоит из множества крошечных областей, называемых магнитными доменами, каждая из которых представляет собой магнитный диполь, по сути, крошечную петлю с током.В стержневом магните полюса большинства этих диполей выровнены, что создает большое магнитное поле. Если мы сложим токи всех этих крошечных петель, мы обнаружим, что токи сокращаются внутри материала, но складываются по сторонам стержня. (Этот ток зацикливается вокруг сторон, а не у полюсов.) Ни один заряд не совершает полный обход вокруг магнита (каждый заряд связан со своей крошечной петлей), но суммарный эффект в точности эквивалентен реальному току, который течет снаружи. поверхность магнита, перпендикулярная оси магнитного поля.(Если намагниченность неоднородна, то связанный ток будет протекать и через объем магнитного материала.)

Магнитный H {\ displaystyle \ mathbf {H}} полезен, потому что он по-разному обрабатывает эти два типа токов. Свободные токи он обрабатывает обычным образом и, следовательно, имеет ту же форму, что и магнитное поле, которое оно будет генерировать. Магнитные поля рассматривают поле внутри магнитного материала (из-за этого магнитного материала) аналогично модели Гилберта.(Вычитая намагниченность из поля B, мы, по сути, преобразуем связанные источники тока в гильбертовские магнитные заряды на полюсах.) В отличие от магнитного поля, которое всегда образует замкнутые контуры, поле из-за магнитных зарядов текут наружу (или внутрь в зависимости от знака магнитного заряда) в обоих направлениях от полюсов. И хотя магнитное поле снаружи магнитного материала одинаково для обеих моделей, магнитные поля внутри совершенно разные.

Объединяя оба источника, мы видим, что магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} совпадает с магнитным полем B {\ displaystyle \ mathbf {B}} с мультипликативной константой вне магнитных материалов, но полностью отличается от магнитного поля внутри магнитного материала. Преимущество этого гибридного поля заключается в том, что эти источники обрабатываются настолько по-разному, что мы часто можем выделить один источник из другого.Например, линейный интеграл магнитного поля в замкнутом контуре даст полный свободный ток в контуре (а не связанный ток). Это не похоже на магнитное поле, где аналогичный интеграл дает сумму как свободного, так и связанного тока. Если кто-то хочет выделить вклад из-за связанных токов, то поверхностный интеграл от любой замкнутой поверхности выделит «магнитные заряды» на полюсах.

Источники поля H

В отличие от магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, которое имеет только источник тока, так что магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} зацикливается вокруг токов, магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H } } поле имеет два типа источников. Первым источником магнитного поля являются свободных токов, для которых H {\ displaystyle \ mathbf {H}} зацикливается подобно тому, как B {\ displaystyle \ mathbf {B}} петли поля вокруг полного тока.Вторым источником магнитного поля являются «магнитные заряды» вблизи полюсов магнитного материала. Точнее, эти «магнитные заряды» рассчитываются как −∇⋅M {\ displaystyle — \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {M}}.

Использование поля H

Энергия, запасенная в магнитных полях

Чтобы создать магнитное поле, нам нужно совершить работу по созданию свободного тока. Если бы кто-то спросил, сколько энергии требуется для создания определенного магнитного поля с использованием определенного свободного тока, то нужно различать свободный и связанный токи.Это свободный поток, на который человек «толкается». Связанные течения — нахлебники. Они создают магнитное поле, против которого должен работать свободный ток, не совершая при этом никакой работы. Если бы нужно было рассчитать энергию создания магнитного поля, нам нужно было бы найти способ отделить свободный ток. Магнитный B {\ displaystyle \ mathbf {B}} нельзя использовать для определения этого свободного тока, поскольку B {\ displaystyle \ mathbf {B}} не различает связанный и свободный ток.

Магнитное поле по-разному обрабатывает два источника. Поэтому это полезно при расчете энергии, необходимой для создания магнитного поля со свободным током в присутствии магнитных материалов. В этом случае необходимая плотность энергии, при условии линейной зависимости между H {\ displaystyle \ mathbf {H}} и B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, имеет вид:

u = H⋅B2. {\ displaystyle u = {\ frac {\ mathbf {H} \ cdot \ mathbf {B} {2}}.}

Если вокруг нет магнитных материалов, мы можем заменить ЧАС {\ displaystyle \ mathbf {H}} с B B.CE ; о {\ displaystyle {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {o}}}},

u=B⋅B2 до н.э. ; о. {\ displaystyle u = {\ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {B} }{2 \ mu _ {o}}}.}

Магнитные цепи

Второе использование H {\ displaystyle \ mathbf {H}} — в магнитных цепях, где внутри линейного материала B = г. до н.э. ; ЧАС {\ Displaystyle \ mathbf {В} = \ му \ mathbf {Н}}. Здесь, г. до н. э. {\ displaystyle \ mu} — проницаемость материала. По форме это похоже на закон Ома J = σE {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}}, где J {\ displaystyle \ mathbf {J}} — плотность тока, σ {\ displaystyle \ сигма} — это проводимость, а E {\ displaystyle \ mathbf {E}} — электрическое поле.Расширяя эту аналогию, мы получаем контрапункт макроскопического закона Ома (VR = I {\ displaystyle {\ frac {V} {R}} = I}) как:

Φ = FRm, {\ displaystyle \ Phi = {\ frac {F} {R}} _ {m},}

, где Φ = ∫B⋅dA {\ displaystyle \ Phi = \ int \ mathbf {B } \cdot d\mathbf {A}} — магнитный поток в цепи, F = ∫H⋅dl{\displaystyle F=\int \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l}} -приложенная магнитодвижущая сила к цепи, а Rm {\ displaystyle R_ {m}} — сопротивление цепи. Здесь сопротивление Rm {\ displaystyle R_ {m}} — величина, аналогичная по своей природе сопротивлению потоку.

Используя эту аналогию, можно легко рассчитать магнитный поток сложной геометрии магнитного поля, используя все доступные методы теории цепей.

История B и H

Разницу между векторами B{\displaystyle \mathbf {B}} и H{\displaystyle \mathbf {H}} можно проследить до статьи Максвелла 1855 года, озаглавленной О силовых линиях Фарадея . Позже это проясняется в его концепции моря молекулярных вихрей, которая появляется в его статье 1861 года «О физических силовых линиях — 1861».В этом контексте H {\ displaystyle \ mathbf {H}} представляет собой чистую завихренность (спин), тогда как B {\ displaystyle \ mathbf {B}} представляет собой взвешенную завихренность, взвешенную для плотности вихревого моря. Максвелл считал магнитную проницаемость µ мерой плотности вихревого моря. Отсюда отношения,

(1) Ток магнитной индукции вызывает плотность магнитного тока

B = г. до н. э. ; Н {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu \ mathbf {H}}

было по существу вращательной аналогией зависимости линейного электрического тока,

(2) Электрический конвекционный ток

J = ρv {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ rho \ mathbf {v}}

, где ρ {\ displaystyle \ rho} — плотность электрического заряда.B {\ displaystyle \ mathbf {B}} рассматривался как своего рода магнитный ток вихрей, выровненных в их осевых плоскостях, где H {\ displaystyle \ mathbf {H}} — окружная скорость вихрей. Теперь, когда µ представляет плотность вихрей, мы можем видеть, как произведение µ на ​​завихренность приводит к термину плотности магнитного потока, который мы обозначаем как B {\displaystyle \mathbf {B}}.

Уравнение электрического тока можно рассматривать как конвективный ток электрического заряда, который включает линейное движение.По аналогии, магнитное уравнение представляет собой индуктивный ток, включающий спин. В индукционном токе нет линейного движения вдоль направления вектора B {\ displaystyle \ mathbf {B}}. Магнитно-индуктивный ток представляет собой силовые линии. В частности, он представляет собой линии силы закона обратных квадратов.

Расширение приведенных выше соображений подтверждает, что где B {\ displaystyle \ mathbf {B}} равно H {\ displaystyle \ mathbf {H}}, а где J {\ displaystyle \ mathbf {J}} равно ρ, тогда из закона Гаусса и уравнения непрерывности заряда обязательно следует, что E {\ displaystyle \ mathbf {E}} равно D {\ displaystyle \ mathbf {D}}.т.е. B {\ displaystyle \ mathbf {B}} параллелен с E {\ displaystyle \ mathbf {E}}, тогда как H {\ displaystyle \ mathbf {H}} параллелен с D {\ displaystyle \ mathbf {D}}.

Вращающиеся магнитные поля

Вращающееся магнитное поле является ключевым принципом работы двигателей переменного тока. Постоянный магнит в таком поле будет вращаться так, чтобы поддерживать его выравнивание с внешним полем. Этот эффект был концептуализирован Николой Теслой и позже использован в его и других ранних электродвигателях переменного тока (переменного тока).Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью двух ортогональных катушек с разницей фаз переменного тока в 90 градусов. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство может вызвать серьезные проблемы при стандартизации размера проводника, поэтому для его преодоления используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз 120 градусов. В этом случае вращающееся магнитное поле будут создавать три одинаковые катушки, имеющие взаимные геометрические углы 120 градусов.Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемая в электродвигателях, является одной из основных причин, по которой трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.

Поскольку магниты со временем изнашиваются, в синхронных и асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы (вместо магнита), следующие за вращающимся магнитным полем многовиткового статора. Короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающемся поле статора, и эти токи, в свою очередь, под действием силы Лоренца двигают ротор.

В 1882 году Никола Тесла сформулировал концепцию вращающегося магнитного поля. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Тесла получил патент США 381968 (PDF) на свою работу. Также в 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине.

Специальная теория относительности и электромагнетизм

Магнитные поля сыграли важную роль в развитии специальной теории относительности.

Проблема с движущимся магнитом и проводником

Представьте себе движущуюся проводящую петлю, проходящую мимо неподвижного магнита.В такой проводящей петле будет генерироваться ток, когда он проходит через магнитное поле. Но почему? Именно ответ на этот, казалось бы, невинный вопрос привел Альберта Эйнштейна к разработке его специальной теории относительности.

Неподвижный наблюдатель увидит неизменное магнитное поле и движущуюся проводящую петлю. Поскольку петля движется, все заряды, составляющие петлю, также движутся. Каждый из этих зарядов будет иметь боковую силу Лоренца, действующую на него, которая генерирует ток.Тем временем наблюдатель в движущейся системе отсчета увидит изменяющихся магнитных полей и стационарных зарядов. (Петля не движется в этой системе отсчета наблюдателя. Магнит движется.) Это изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле .

Неподвижный наблюдатель утверждает, что существует только магнитное поле, которое создает магнитную силу на движущемся заряде. Движущийся наблюдатель утверждает, что существует и магнитное, и электрическое поле, но вся сила возникает из-за электрического поля .Что является правдой? Существует электрическое поле или нет? Ответ, согласно специальной теории относительности, заключается в том, что оба наблюдателя находятся справа от своей системы отсчета. Чисто магнитное поле в одной системе отсчета может быть смесью магнитного и электрического полей в другой системе отсчета.

Электрические и магнитные поля — разные аспекты одного и того же явления

Согласно специальной теории относительности электрические и магнитные силы являются частью единого физического явления — электромагнетизма; электрическая сила, воспринимаемая одним наблюдателем, будет восприниматься другим наблюдателем в другой системе отсчета как смесь электрических и магнитных сил.Магнитную силу можно рассматривать просто как релятивистскую часть электрической силы, когда последняя видна движущимся наблюдателем.

В частности, специальная теория относительности показывает, что вместо того, чтобы рассматривать электрическое и магнитное поля как отдельные поля, они естественным образом смешиваются в тензор ранга 2, называемый электромагнитным тензором. Это аналогично тому, как специальная теория относительности «смешивает» пространство и время в пространство-время, а массу, импульс и энергию — в четырехимпульс.

Описание формы магнитного поля

Схема квадрупольного магнита (« четырехполюсный «) магнитного поля.Есть четыре стальных наконечника полюса, два противоположных магнитных северных полюса и два противоположных магнитных южных полюса.

• Азимутальное магнитное поле — это поле, направленное с востока на запад.

• меридиональное магнитное поле направлено с севера на юг. В модели солнечного динамо Солнца дифференциальное вращение солнечной плазмы заставляет меридиональное магнитное поле растягиваться в азимутальное магнитное поле, процесс, называемый омега-эффектом . Обратный процесс называется альфа-эффектом .

• Квадрупольное магнитное поле можно увидеть, например, между полюсами четырех стержневых магнитов. Напряженность поля линейно растет с радиальным расстоянием от его продольной оси.

• Соленоидальное магнитное поле похоже на дипольное магнитное поле, за исключением того, что сплошной стержневой магнит заменен полой электромагнитной катушкой.

• Тороидальное магнитное поле возникает в катушке в форме бублика, электрический ток закручивается по спирали вокруг трубчатой ​​поверхности, и встречается, например, в токамаке.

• полоидальное магнитное поле создается током, протекающим в кольце, и встречается, например, в токамаке.

• Радиальное магнитное поле — это поле, силовые линии которого направлены от центра наружу, подобно спицам в велосипедном колесе. Пример можно найти в преобразователях громкоговорителя (драйвере). ^[7]

• Спиральное магнитное поле имеет форму штопора и иногда наблюдается в космической плазме, такой как молекулярное облако Ориона. ^[8]

См. также

Примечания

1. ↑ GSU, Напряженность магнитного поля H, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Проверено 15 ноября 2008 г.
2. ↑ TechTarget, Что такое напряженность магнитного поля? Проверено 15 ноября 2008 г.
3. ↑ Перевод единиц измерения, Конвертер напряженности магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 г.
4. ↑ В специальной теории относительности это означает, что электрическое поле и магнитное поле должны быть двумя частями одного и того же явления.Для движущегося одиночного заряда или зарядов, движущихся вместе, мы всегда можем перейти к системе отсчета, в которой они не движутся. В этой системе отсчета нет магнитного поля. Тем не менее, физика должна быть одинаковой во всех системах отсчета. Оказывается, меняется и электрическое поле, которое создает ту же силу в исходной системе отсчета. Однако, вероятно, будет ошибкой сказать, что электрическое поле вызывает магнитное поле, когда принимается во внимание теория относительности, поскольку теория относительности не отдает предпочтение какой-либо конкретной системе отсчета.(С тем же успехом можно было бы сказать, что магнитное поле вызывает электрическое поле). Что еще более важно, не всегда возможно перейти в систему координат, в которой все заряды неподвижны. См. классический электромагнетизм и специальную теорию относительности для получения дополнительной информации.
5. ↑ На практике часто можно использовать закон Био-Савара и другие законы магнитостатики, даже когда заряд меняется во времени, если он не меняется слишком быстро. Эта ситуация известна как квазистатическая.
6. ↑ В модели эфира ток смещения — это реальный ток, возникающий из-за того, что электрическое поле «смещает» в эфире положительный заряд в одном направлении, а отрицательный — в противоположном. Затем изменение электрического поля сместит эти заряды, вызывая ток в эфире. Эта модель все еще может быть полезной, хотя она неверна в том смысле, что помогает лучше понять поле смещения.
7. ↑ И.С. Фальконер, М.И. Большой, и я.М. Сефтон (ред.), Магнетизм: поля и силы, лекция E6, Сиднейский университет. Проверено 15 ноября 2008 г.
8. ↑ Роберт Сандерс, Астрономы нашли магнитный Слинки в Орионе, Калифорнийский университет в Беркли. Проверено 15 ноября 2008 г.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Дарни, Карл Х. и Кертис С. Джонсон. 1969. Введение в современную электромагнетику . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill.
• Фурлани, Эдвард П.2001. Постоянные магниты и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение . Сан-Диего, Калифорния: академический. ISBN 0122699513.
• Гриффитс, Дэвид Дж. 1999. Введение в электродинамику, 3-е изд. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-холл. ISBN 013805326X.
• Джексон, Джон Д. 1999. Классическая электродинамика, 3-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уайли. ISBN 047130932X.
• Джайлс, Дэвид. 1994. Введение в электронные свойства материалов. Лондон, Великобритания: Chapman & Hall. ISBN 0412495805.
• Неф, Р. Сила магнитного поля H. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Проверено 15 ноября 2008 г.

.

• Оппельт, Арнульф. 2 ноября 2006 г. Сила магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 г.

.

• Рао, Наннапанени Н. 1994. Элементы инженерной электромагнетики, 4-е изд. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. ISBN 0139487468.
• Типлер, Пол и Джин Моска. 2004. Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика, , 5-е изд.Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Фриман. ISBN 0716708108.
• Преобразование единиц измерения. Преобразователь напряженности магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 г.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 7 августа 2018 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Вводное руководство по электромагнетизму поля и теории

 Электромагнетизм

Что такое электромагнетизм?

Как инженерная область, к электромагнетизму традиционно относятся с помощью жаргона и устройств, принадлежащих к одному из многих подполей, таких как электростатика или оптика. Устройство, используемое в электростатике, такое как конденсатор, может иметь очень мало общего с устройством из оптики, таким как оптическое волокно.Несмотря на их сильно различающиеся характеристики, все эти области приложений в основном описываются уравнениями Максвелла. В инженерных приложениях эти уравнения почти всегда необходимо дополнять дополнительными законами, связанными с взаимодействием электромагнитных полей со средами. Уравнения Максвелла перечислены в таблице ниже в их дифференциальной форме:

Значение этих уравнений описано в разделах и подразделах ниже.

В реальных приложениях редко возникает необходимость учитывать все возможные электромагнитные явления, которые могут возникнуть. Вместо этого более практическое понимание электромагнетизма приходит от рассмотрения ряда частных случаев, включая электростатику, постоянные токи, магнитостатику, квазистатические переменные токи, индуктивные явления, микроволновую технику и оптику.

Электростатика

Электростатика — это подраздел электромагнетизма, описывающий электрическое поле, возникающее из-за статических (неподвижных) зарядов.В качестве приближения к уравнениям Максвелла электростатика может использоваться только для описания изолирующих или диэлектрических материалов, полностью характеризующихся электрической проницаемостью, иногда называемой диэлектрической проницаемостью. При выполнении электростатического анализа любые проводящие материалы, обычно металлы, сначала удаляются из анализа, а металлические поверхности рассматриваются как внешние границы с точки зрения диэлектрических материалов. Типичные входы и выходы для электростатического анализа приведены ниже:

Обратите внимание, что для электростатического анализа нет ввода или вывода тока из-за того, что все заряды считаются стационарными.В некоторых случаях объемная плотность заряда также может быть результатом анализа.

Поперечное сечение электрического потенциала и поля в объеме, окружающем плоскопараллельный конденсатор. Электрический потенциал визуализируется в виде закрашенных контуров с метками, указывающими уровень потенциала. Электрическое поле визуализируется в виде логарифмически масштабированных стрелок. На электрический потенциал также влияет окружающая среда, которая находится дальше и не показана на рисунке.

Поперечное сечение электрического потенциала и поля в объеме, окружающем плоскопараллельный конденсатор. Электрический потенциал визуализируется в виде закрашенных контуров с метками, указывающими уровень потенциала. Электрическое поле визуализируется в виде логарифмически масштабированных стрелок. На электрический потенциал также влияет окружающая среда, которая находится дальше и не показана на рисунке.

Типичными применениями электростатического анализа являются расчеты емкости для емкостных устройств и датчиков, таких как сенсорные экраны, а также оценка диэлектрической прочности изоляторов, МЭМС-акселерометров и МЭМС-гироскопов.

Постоянные токи

Анализ установившихся токов используется для расчета установившихся токов в материалах с высокой проводимостью, таких как металлы. Электронный ток движется по проводнику за счет разности электрических потенциалов. По соглашению и по историческим причинам ток течет от высокого потенциала к низкому значению потенциала, хотя на самом деле электроны движутся в направлении, противоположном направлению тока. Условность восходит к временам, предшествовавшим открытию электрона.

Материал при анализе постоянного тока полностью характеризуется своей электропроводностью. При выполнении анализа установившихся токов все изоляционные материалы сначала удаляются из анализа, а изолирующие поверхности рассматриваются как внешние границы с точки зрения проводящих материалов.

Типовые входы и выходы для анализа установившихся токов приведены ниже:

Плотность тока в спиральном индукторе, где между левой и правой границами приложена разность потенциалов.На рисунке показаны значения величины плотности тока внутри индуктора. Синий и красный представляют низкие и высокие значения магнитуды соответственно. Стрелки показывают направление плотности тока. Тенденция течения идти по кратчайшему пути видна в виде красных областей во внутренних углах конструкции.

Плотность тока в спиральном индукторе, где между левой и правой границами приложена разность потенциалов.На рисунке показаны значения величины плотности тока внутри индуктора. Синий и красный представляют низкие и высокие значения магнитуды соответственно. Стрелки показывают направление плотности тока. Тенденция течения идти по кратчайшему пути видна в виде красных областей во внутренних углах конструкции.

Типичными приложениями анализа установившихся токов являются электронные компоненты, электрические кабели, компоненты высоковольтных систем, медицинские устройства, датчики, геотехнический анализ и коррозия.

Электроквазистатика

Электроквазистатический анализ представляет собой обобщение электростатики и установившихся токов в случаях, когда магнитными эффектами можно пренебречь. Комбинировать емкостные эффекты электростатики с кондуктивными эффектами анализа установившихся токов можно только в том случае, если поля изменяются во времени. Можно сказать, что для статического случая уравнения Максвелла распадаются на случаи электростатики и установившихся токов, и приходится выбирать одно из них, так как они представляют взаимоисключающие явления.Однако, если есть какие-либо изменения во времени, скажем, напряжения на границах, полный ток представляет собой сумму тока проводимости и тока смещения. Плотность тока проводимости связана с электропроводностью, а плотность тока смещения связана с диэлектрической проницаемостью. Электроквазистатику можно рассматривать как динамическую версию уравнений установившихся токов с дополнительным вкладом тока смещения. Для временного гармонического анализа, когда управляющий ток или напряжение синусоидальны, поля становятся комплексными, где фазовый угол представляет собой отношение между токами проводимости и токами смещения.

Электроквазистатика — это обобщение электростатики и установившихся токов для переменных во времени полей, где магнитными эффектами можно пренебречь.

Электроквазистатика — это обобщение электростатики и установившихся токов для переменных во времени полей, где магнитными эффектами можно пренебречь.

Типичные входы и выходы для электроквазистатического анализа приведены ниже:

Траектории ионов в квадрупольном масс-спектрометре.Этот тип спектрометра сортирует частицы, используя умную комбинацию статического и гармонического во времени электрического потенциала. Путем настройки частоты гармоники (здесь 4 МГц) и напряженности статического и гармонического полей через устройство проходят только частицы определенной массы.

Траектории ионов в квадрупольном масс-спектрометре. Этот тип спектрометра сортирует частицы, используя умную комбинацию статического и гармонического во времени электрического потенциала.Путем настройки частоты гармоники (здесь 4 МГц) и напряженности статического и гармонического полей через устройство проходят только частицы определенной массы.

Типичные области применения, в которых полезен электроквазистатический анализ, включают медицинские устройства, датчики, геотехнический анализ и масс-спектрометры.

Чтобы узнать больше о теории электроквазистатики, см. Электроквазистатика, Теория.

Магнитостатика

Магнитостатика может рассматриваться как магнитное обобщение постоянных токов и используется, когда необходима информация о магнитном поле, окружающем проводник.В этом контексте анализ установившихся токов иногда используется в качестве этапа предварительной обработки, а полученные токи используются в качестве входных данных для последующего магнитостатического анализа. Так было бы, например, при анализе электромагнита. Фундаментальным свойством материала для проведения магнитостатического анализа является относительная магнитная проницаемость. Для анализа нелинейной магнитостатики может потребоваться более общая материальная зависимость, такая как функциональная зависимость между магнитным полем и плотностью магнитного потока: так называемая кривая B-H.Конечной целью магнитостатического анализа во многих случаях является вычисление взаимной индуктивности и собственной индуктивности системы катушек или сил и крутящих моментов в системе магнитных компонентов.

Анализ постоянных магнитов представляет собой важный частный случай магнитостатического анализа. В этом случае источником магнитного поля вместо электрического тока является постоянная намагниченность. В таких случаях важными результатами анализа являются сила и направление магнитного потока, а также силы.

Магнитостатика может рассматриваться как обобщение установившихся токов и используется, когда необходима информация о магнитных полях.

Магнитостатика может рассматриваться как обобщение постоянных токов и используется, когда необходима информация о магнитных полях.

Типичные входные и выходные данные для магнитостатического анализа приведены ниже:

Линии магнитного потока, окружающие катушку индуктивности, по которой течет постоянный ток.

Линии магнитного потока, окружающие индуктор, по которому течет постоянный ток.

Визуализация магнитного потока в системе, состоящей из подковообразного магнита и железного стержня.

Визуализация магнитного потока в системе, состоящей из подковообразного магнита и железного стержня.

Типичные области применения, в которых полезен магнитостатический анализ, включают электромагниты, постоянные магниты, катушки, катушки индуктивности и соленоиды.

Чтобы узнать больше о теории магнитостатики, см. Магнитостатика, Теория.

Магнитоквазистатика

Следствием уравнений Максвелла является то, что изменения во времени токов и зарядов не синхронизированы с изменениями электромагнитных полей. Изменения полей всегда запаздывают по отношению к изменениям источников, что отражает конечную скорость распространения электромагнитных волн. Если предположить, что этим эффектом можно пренебречь, можно получить электромагнитные поля, рассматривая «стационарные токи в каждый момент времени».Это низкочастотное приближение справедливо при условии, что вариации во времени достаточно малы и что изучаемые геометрические формы значительно меньше длины волны. Как правило, квазистатическое приближение можно использовать, когда характерный размер устройства, электрический размер, меньше 10% длины волны.

Приближение магнитоквазистатики очень важно для понимания электромагнитных составляющих в сетях электросетей с частотой 50 или 60 Гц.Этот класс анализа также важен для более высоких частот и иногда сочетается с полным анализом электромагнитных волн для оценки явлений электромагнитных помех.

Для линейных свойств материалов и синусоидальных токов и полей используются исследования временных гармоник. Такие исследования очень эффективны, так как компоненты могут быть проанализированы для одной частоты за раз, и полное поведение для всех временных периодов фиксируется за один раз. Для компонентов с нелинейными материалами или искаженными формами волны необходим полный анализ, зависящий от времени, что может привести к длительному времени вычислений.

Возбуждение магнитоквазистатических компонентов осуществляется с помощью изменяющихся во времени напряжений или токов на границах интересующей области или в виде объемных токов катушки. Такие способы возбуждения действительны только в низкочастотном режиме. На более высоких частотах становятся важными потери излучения и эффекты, связанные с конечной скоростью света, и может потребоваться высокочастотный анализ.

Типичные входные и выходные данные для магнитоквазистатического анализа приведены ниже:

Катушка переменного тока частотой 50 Гц, намотанная на ферромагнитный сердечник.

Катушка переменного тока частотой 50 Гц, намотанная на ферромагнитный сердечник.

Типичные области применения магнитоквазистатики включают кабели, линии электропередач, трансформаторы, генераторы, двигатели, реактивные балласты, катушки индуктивности и конденсаторы.

Электромагнитные волны

Джеймс Кларк Максвелл обобщил закон Ампера, добавив член для тока смещения, открыв уравнение, теперь известное как закон Максвелла-Ампера.Объединив его с законом Фарадея, он открыл волновую природу электромагнитных явлений, представленных уравнением электромагнитной волны. Существует несколько формулировок уравнения электромагнитных волн, например формулировка в терминах электрического поля:

и аналогично для магнитного поля:

Это привело Максвелла к выводу, среди прочего, что скорость света универсальна для всех электромагнитных явлений. Скорость света связана с диэлектрической и магнитной проницаемостью согласно:

Континуальный подход к анализу электромагнитных явлений оказался очень успешным для многих приложений, но имеет определенные ограничения.Для микроскопических структур, где становится важной дискретная природа материи, требуется квантово-механический подход. Для очень высоких частот электромагнитные волны можно более эффективно анализировать как лучи, а для еще более высоких частот необходимо моделировать отдельные фотоны вместе с их ионизирующим взаимодействием с веществом.

Чтобы определить подходящий метод электромагнитного анализа, необходимо рассмотреть относительную связь между характерным размером объекта и длиной волны.Следующая диаграмма дает обзор этой взаимосвязи.

Размер объекта относительно длины волны проиллюстрирован вместе с предпочтительным методом анализа.

Размер объекта относительно длины волны проиллюстрирован вместе с предпочтительным методом анализа.

Волновую природу электромагнитных полей важно анализировать для устройств, которые направляют или излучают электромагнитные волны.Сюда входят, например, коаксиальные кабели, микроволновые цепи, волноводы и антенны.

На высоких частотах становятся важными эффекты конечной скорости света, и такие величины, как напряжения, больше не являются постоянными на граничных сегментах и ​​не могут использоваться непосредственно для возбуждения устройств. Вместо этого на так называемых портах или границах портов используются шаблоны поля, собственные моды, совместимые с уравнениями Максвелла. При правильном использовании эти типы граничных условий могут возбуждать структуры с очень малыми потерями и, таким образом, отражать их внутренние характеристики в идеальных условиях.

Иногда бывает удобно использовать инженерный подход с возбуждением напряжением и током, представляющим питание от смежных электрических цепей. Их можно использовать вместе со сложными схемами преобразования в совместимые возбуждения порта. В таких случаях потери энергии неизбежны и могут представлять собой реальные потери питания устройства, искусственные потери моделирования или и то, и другое. Аналогичным образом, так называемые прослушивающие порты используются для передачи исходящей энергии в соответствии с уравнениями Максвелла.Переданная и отраженная энергия вычисляется как так называемые параметры рассеяния, или S-параметры, которые представляют входную и выходную энергию через различные порты.

Типовые входы и выходы для анализа электромагнитных волн приведены ниже:

Стоячая электромагнитная волна в бытовой микроволновой печи.

Стоячая электромагнитная волна в бытовой микроволновой печи.

Чтобы узнать больше о теории электромагнитных волн, см. Электромагнитные волны, теория.

Электромагнитный нагрев

Джоуль Нагрев

Нагрев

Джоуля (также называемый резистивным или омическим нагревом) описывает процесс, в котором энергия электрического тока преобразуется в тепло при протекании через сопротивление.

В частности, когда электрический ток протекает через твердое тело или жидкость с конечной проводимостью, электрическая энергия преобразуется в тепло за счет резистивных потерь в материале.Тепло генерируется на микроуровне, когда электроны проводимости передают энергию атомам проводника посредством столкновений.

Отопительный контур, показывающий распределение температуры в результате джоулева нагрева.

Отопительный контур, показывающий распределение температуры в результате джоулева нагрева.

В некоторых случаях Джоулев нагрев связан с конструкцией электрического устройства, а в других случаях это нежелательный эффект.Несколько приложений, которые действительно полагаются на джоулев нагрев, включают нагревательные плиты (напрямую) и микроклапаны для регулирования жидкости (косвенно, за счет теплового расширения).

В случае, если эффект является нежелательным для конструкции, можно предпринять усилия для его уменьшения. Джоулев нагрев особенно актуален с точки зрения компонентов электрических систем, таких как проводники в электронике, электрические нагреватели, линии электропередач и предохранители. Нагрев этих структур может привести к их разрушению или даже расплавлению. Чтобы предотвратить перегрев компонентов и устройств, инженеры могут включить в конструкцию конвекционное охлаждение.

Ниже приведен пример механического напряжения, вызванного джоулевым нагревом в контуре отопления. При подаче напряжения на цепь электропроводящий слой над стеклянной пластиной вызывает джоулев нагрев. Это, в свою очередь, влияет на структурную целостность схемы и вызывает изгиб стеклянной пластины.

Отопительный контур. Нагрузка наиболее высока в красных областях. Стеклянная пластина в контуре изгибается из-за нагрева пластины и расширения контура.

Отопительный контур. Нагрузка наиболее высока в красных областях. Стеклянная пластина в контуре изгибается из-за нагрева пластины и расширения контура.

Типичные входы и выходы для анализа джоулевого нагрева приведены ниже:

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев аналогичен эффекту нагрева Джоуля, но с одной важной модификацией: токи, нагревающие материал, индуцируются посредством электромагнитной индукции; это бесконтактный или нелокальный процесс нагрева.

При подаче высокочастотного переменного тока на индукционную катушку создается изменяющееся во времени магнитное поле. Нагреваемый материал, известный как заготовка , помещается внутрь магнитного поля, не касаясь катушки. Обратите внимание, что не все материалы можно нагревать индукцией; только те, которые обладают высокой электропроводностью (такие как медь, золото и алюминий, и это лишь некоторые из них). Переменное электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в изделии, что приводит к резистивным потерям, которые затем нагревают материал.

Плотность наведенного тока в медной пластине при 10 Гц.

Плотность наведенного тока в медной пластине при 10 Гц.

Кроме того, высокая частота приводит к скин-эффекту . Переменный ток вынужден течь тонким слоем к поверхности заготовки. Это, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления проводника, что в конечном итоге приводит к значительному увеличению нагревательного эффекта.

Черные металлы нагреваются индукцией легче, чем другие материалы. Это связано с тем, что их высокая проницаемость усиливает индуцированные вихревые токи и скин-эффект. Кроме того, возникает еще один механизм нагрева. Кристаллы железа материала намагничиваются и размагничиваются снова и снова переменным магнитным полем. Это заставляет магнитные домены быстро переворачиваться вперед и назад, что приводит к гистерезисным потерям , что приводит к дополнительному теплу.

Итак, индукционный нагрев происходит без физического контакта между заготовкой и индукционной катушкой.Это позволяет использовать его в процессах, где первостепенное значение имеет высокая степень чистоты, например, в производстве полупроводников.

Плотность магнитного потока.

Плотность магнитного потока.

Кроме того, этот метод нагрева очень эффективен, так как тепло генерируется внутри заготовки , а не где-то еще, а затем передается на заготовку.Другими словами, при индукционном нагреве мы можем избежать потерь тепла с поверхностей, обеспечивающих электрическое соединение, тем самым повышая общую эффективность нагрева.

Индукционный нагрев включает в себя два разных типа физики: электромагнетизм и теплообмен. Некоторые свойства материалов зависят от температуры, то есть они изменяются при воздействии тепла. В этом случае вы можете рассматривать два физических явления вместе.

Скин-эффект: Плотность тока высока вблизи поверхности проводника.

Скин-эффект: Высокая плотность тока вблизи поверхности проводника.

Одной из инноваций, использующих преимущества индукционного нагрева, является индукционная плита. В этой конструкции катушка размещается под плитой, а ее электромагнитные поля воздействуют на металлическую кастрюлю. Поскольку таким образом можно нагревать только материалы с высокой проводимостью, кастрюля нагревается, а если положить руку на плиту, она не будет горячей.

Полупроводниковая промышленность также использует этот процесс для нагревания кремния. Другие области применения включают герметизацию, термообработку и сварку.

Несмотря на то, что существует множество продуктов и процессов, функционирующих благодаря индукционному нагреву, есть одно приложение, в котором нагрев приводит к потере энергии. Когда речь идет о трансформаторах, важно, чтобы , а не позволяли вихревым токам протекать внутри сердечников. Если вихревые токи нагревают магнитопровод трансформатора, мощность теряется и могут возникнуть дополнительные проблемы, например, повреждение конструкции.

Типовые входные и выходные данные для анализа индукционного нагрева приведены ниже:

Микроволновый нагрев

Микроволновый нагрев — это мультифизическое явление, включающее электромагнитные волны и теплопередачу. Любой материал, подвергающийся воздействию электромагнитного излучения, нагревается. Быстро меняющиеся электрические и магнитные поля приводят к четырем источникам нагрева. Любое электрическое поле, приложенное к проводящему материалу, вызовет протекание тока. Кроме того, изменяющееся во времени электрическое поле заставит биполярные молекулы, такие как вода, колебаться вперед и назад.Изменяющееся во времени магнитное поле, приложенное к проводящему материалу, также будет вызывать протекание тока. В некоторых типах магнитных материалов также могут быть гистерезисные потери.

Одним из очевидных примеров микроволнового нагрева является микроволновая печь. Когда вы помещаете пищу в микроволновую печь и нажимаете кнопку «Пуск», электромагнитные волны колеблются внутри печи с частотой 2,45 ГГц. Эти поля взаимодействуют с пищей, что приводит к выделению тепла и повышению температуры.

Эффективность микроволнового нагрева зависит от свойств материала.Например, если вы поместите продукты с разным содержанием воды в микроволновую печь, они будут нагреваться с разной скоростью. На обеденной тарелке может оказаться часть еды, которая очень горячая, а остальная часть еще холодная. Кроме того, положение продуктов питания относительно друг друга также влияет на электромагнитное поле внутри печи. Вот почему большинство микроволновых печей имеют поворотные столы для вращения продуктов и обеспечения равномерного нагрева.

Другим применением, использующим эффекты микроволнового нагрева, является лечение рака, в частности, гипертермическая онкология.Этот тип терапии рака включает в себя локальное нагревание опухолевой ткани без повреждения здоровых тканей вокруг нее. Врачи, проводящие микроволновую коагуляцию, вводят тонкую микроволновую антенну прямо в опухоль и нагревают ее. Микроволновое нагревание создает коагулированную область, убивающую раковые клетки. Этот метод обработки требует контроля пространственного распределения и мощности нагрева. Температурные датчики должны быть хорошо сконструированы и стратегически размещены, чтобы не повредить здоровые ткани.

Микроволновый нагрев ткани печени для лечения рака.

Микроволновый нагрев ткани печени для лечения рака.

Типичные входные и выходные данные для анализа микроволнового нагрева приведены ниже:

Электромагнитные силы

Электромагнитные силы можно разделить на категории в зависимости от их подполя электромагнетизма.Хотя основная электромагнитная сила у всех одинакова, их характерные черты и методы расчета весьма различны. Наиболее важные типы электромагнитных сил приведены в таблице ниже:

Электромагнитные силы используются во многих промышленных устройствах, включая электромагнитные двигатели и генераторы, электромагниты, реле, электромагнитные клапаны, автоматические выключатели, плунжеры и контакторы.

Электромагнитные силы важны не только в твердых материалах. Например, при обработке металлов с использованием индукционных печей важно понимать электромагнитные силы, поскольку расплавленные металлы обычно обладают высокой проводимостью. Область, объединяющая магнетизм и течение жидкости, известна как магнитогидродинамика.

Линейные электромагнитные приводы используются во многих промышленных приложениях, требующих линейного движения, например, для открытия или закрытия и толкания или вытягивания груза.

Линейные электромагнитные приводы используются во многих промышленных приложениях, требующих линейного движения, например, для открытия или закрытия и толкания или вытягивания груза.

Магнитостатическая сила

Магнитостатические силы, пожалуй, самые известные электромагнитные силы в повседневной жизни, с вездесущими постоянными магнитами. Их можно найти в магнитах на холодильник, защелках для сумок и кошельков, магнитных разъемах для адаптеров питания и клавиатур ноутбуков и так далее.Классическим примером постоянного магнита является подковообразный магнит, как показано на рисунке ниже. Магнитные силы в этом случае проявляются как поверхностная плотность силы, возникающая из-за прерывистого скачка магнитной проницаемости при выходе из внутренней части постоянного магнита в немагнитный окружающий воздух.

Плотность магнитостатической силы на поверхности железного стержня, примыкающей к подковообразному постоянному магниту. Плотность поверхностной силы визуализируется черными стрелками.

Плотность магнитостатической силы на поверхности железного стержня, примыкающей к подковообразному постоянному магниту. Плотность поверхностной силы визуализируется черными стрелками.

Электростатическая сила

Подобно магнитостатическим силам, электростатические силы часто проявляются как поверхностные силы. Электростатические силы важны в устройствах MEMS, как желаемые, так и нежелательные силы.

Электростатические силы важны при разработке устройств MEMS, таких как акселерометры.

Электростатические силы важны при разработке устройств MEMS, таких как акселерометры.

Сила Лоренца

Силы Лоренца действуют всегда, когда есть ток согласно известной формуле

где – плотность тока, – магнитный поток, – плотность силы.

Магнитный поток может создаваться прямо или косвенно током , но также может быть магнитным потоком, генерируемым извне.

Плотность силы Лоренца внутри двух токонесущих проводов с постоянными токами, текущими в противоположных направлениях.Плотность силы визуализируется на поперечном сечении проводов и окружающего воздуха черными стрелками, а магнитный поток визуализируется цветом (величиной) и контурами. В плотность силы Лоренца в одном из проводов вносят вклад как самоиндуцируемое магнитное поле, так и магнитное поле соседнего провода. Чистая сила здесь отталкивающая.

Параметры цепи с сосредоточенными параметрами

В области электрических цепей основными величинами являются не электрические или магнитные поля, а скорее сосредоточенные параметры цепи, такие как сопротивление и импеданс.Эти параметры схемы обычно описывают отношения между напряжениями и токами и кодируют информацию системного уровня об электромагнитных устройствах.

Опубликовано: 3 апреля 2019 г.
Последнее изменение: 3 апреля 2019 г.

.