Opće informacije

Na iznenađujući način, ideje jedne osobe mogu uticati na kasniji razvoj. ljudsko društvo općenito. Takva osoba je bio Michael Faraday, koji nije bio previše upućen u zamršenosti savremene matematike, ali je savršeno razumio fizičko značenje do tada poznate informacije o prirodi elektriciteta i magnetizma zbog koncepta interakcija polja koji je iznio.

Postojanje modernog društva, zasnovanog na upotrebi elektriciteta, magnetizma i elektrodinamike, dugujemo plejadi izuzetnih naučnika. Među njima treba istaći Ampera, Ersteda, Henrija, Gausa, Vebera, Lorenca i, naravno, Maksvela. U konačnici su nauku o elektricitetu i magnetizmu doveli u jedinstvenu sliku, koja je poslužila kao osnova za čitavu kohortu pronalazača koji su svojim kreacijama stvorili preduvjete za nastanak modernog informatičkog društva.

Živimo okruženi elektromotorima i generatorima: oni su naši prvi pomoćnici u proizvodnji, transportu i kod kuće. Svaka osoba koja poštuje sebe ne može zamisliti postojanje bez frižidera, usisivača i mašine za pranje veša. Prioritet je i mikrotalasna rerna, fen, mlin za kafu, mikser, blender i - krajnji san - električna mlin za meso i mašina za hleb. Naravno, klima je također užasno korisna stvar, ali ako nema sredstava za kupovinu, onda će i jednostavan ventilator.

Za neke muškarce zahtjevi su nešto skromniji: krajnji san najnesposobnijeg muškarca je električna bušilica. Neki od nas, bezuspješno pokušavajući upaliti auto na četrdeset stepeni mraza i beznadežno mučeći starter (također elektromotor), potajno sanjaju o kupovini automobila Tesla Motorsa sa elektromotorima i baterijama kako bi zauvijek zaboravili na probleme s benzinom i dizel motore.

Električni motori su posvuda: voze nas u liftovima, prevoze nas podzemnom željeznicom, vozovima, tramvajima, trolejbusima i brzim vozovima. Dovoze nam vodu na podove nebodera, upravljaju fontanama, crpe vodu iz rudnika i bunara, kotrljaju čelik, dižu tegove, rade u raznim dizalicama. A rade i mnoge druge korisne stvari, pokrećući mašine alatke, alate i mehanizme.

Čak se i egzoskeleti za osobe s invaliditetom i za vojsku izrađuju pomoću električnih motora, a da ne spominjemo čitavu armiju industrijskih i istraživačkih robota.

Danas električni motori rade u svemiru - pomislite samo na rover Curiosity. Oni rade na kopnu, pod zemljom, na vodi, pod vodom, pa čak i u zraku - ako ne danas, onda sutra (članak napisan u novembru 2015.) letjelica Solar Impulse 2 konačno će završiti svoj put oko svijeta, i to bez posade aviona na elektromotorima jednostavno nema brojeva. Ne bez razloga, prilično ozbiljne korporacije sada rade na uslugama dostave pošte pomoću bespilotnih letjelica.

Istorijat

Izgrađena 1800. godine od strane italijanskog fizičara Alessandra Volte, hemijska baterija, kasnije nazvana po pronalazaču "Voltaični stub", zaista se pokazala kao "rog izobilja" za naučnike. Omogućio je pokretanje električnih naboja u provodnicima, odnosno stvaranje struja. Nova otkrića koja su koristila voltaični stup kontinuirano su slijedila jedno za drugim raznim oblastima fizike i hemije.

Na primjer, engleski naučnik Sir Humphrey Davy je 1807. godine, proučavajući elektrolizu taline natrijum i kalijum hidroksida, dobio metalni natrijum i kalijum. Ranije, 1801. godine, otkrio je i električni luk, iako ga Rusi smatraju otkrićem Vasilija Vladimiroviča Petrova. Petrov je 1802. opisao ne samo sam luk, već i mogućnosti njegove praktične primjene za potrebe topljenja, zavarivanja metala i izvlačenja iz ruda, kao i za rasvjetu.

No, najvažnije otkriće napravio je danski fizičar Hans Christian Oersted: 21. aprila 1820., tokom demonstracije eksperimenata na predavanju, primijetio je odstupanje igle magnetnog kompasa pri uključivanju i isključivanju električne struje koja teče kroz provodnik u obliku žice. Tako je po prvi put potvrđena veza između elektriciteta i magnetizma.

Sljedeći korak napravio je francuski fizičar André Marie Ampere nekoliko mjeseci nakon što se upoznao sa Oerstedovim eksperimentom. Zanimljiv je tok rezonovanja ovog naučnika, iznetog u porukama koje je on jednu za drugom slao Francuskoj akademiji nauka. U početku, posmatrajući okretanje igle kompasa na provodniku sa strujom, Amper je sugerirao da je magnetizam Zemlje uzrokovan i strujama koje teku oko Zemlje u smjeru od zapada prema istoku. Iz ovoga je zaključio da se magnetna svojstva tijela mogu objasniti kruženjem struje unutar njega. Nadalje, Amper je prilično hrabro zaključio da su magnetska svojstva bilo kojeg tijela određena zatvorenim električnim strujama unutar njega, a magnetska interakcija nije posljedica posebnih magnetskih naboja, već jednostavno kretanja. električnih naboja, odnosno struja.

Amper je odmah preuzeo pilot studija ove interakcije i utvrdili da se provodnici sa strujom koja teče u jednom smjeru privlače, au suprotnom odbijaju. Međusobno okomiti provodnici ne komuniciraju jedan s drugim.

Teško je odoljeti citiranju zakona koji je Amper otkrio u svojoj formulaciji:

„Sila interakcije pokretnih naelektrisanja je proporcionalna proizvodu ovih naelektrisanja, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, kao u Coulombovom zakonu, ali, osim toga, zavisi i od brzina ovih naelektrisanja i smera kretanja. njihovo kretanje."

Tako su u fizici otkrivene fundamentalne sile koje zavise od brzina.

Ali pravi proboj u nauci o elektricitetu i magnetizmu bilo je otkriće tog fenomena od strane Michaela Faradaya. elektromagnetna indukcija- pojava električne struje u zatvorenom kolu kada se mijenja magnetni tok koji prolazi kroz njega. Bez obzira na Faradaya, fenomen elektromagnetne indukcije otkrio je i Joseph Henry 1832. godine, koji je usput otkrio i fenomen samoindukcije.

Faradejeva javna demonstracija 29. avgusta 1831. izvedena je na instalaciji koju je izumio, a koja se sastojala od voltaičnog pola, prekidača, gvozdenog prstena, na koji su na suprotnim stranama bila namotana dva identična namotaja bakarne žice. Jedan od zavojnica je bio spojen na bateriju preko prekidača, a galvanometar je bio spojen na krajeve drugog. Kada je struja uključena i isključena, galvanometar je zabilježio pojavu struje različitih smjerova u drugom namotu.

U Faradayevim eksperimentima, električna struja, nazvana indukciona struja, također se pojavila kada je magnet umetnut u zavojnicu ili izvučen iz zavojnice napunjenog mjernim krugom. Slično, struja se pojavila i kada je manji kalem sa strujom umetnut/izvučen/izvučen iz većeg namotaja iz prethodnog eksperimenta. I pravac indukciona struja obrnuto prilikom umetanja/vađenja magneta ili mala zavojnica sa strujom u skladu sa pravilom koje je formulisao ruski naučnik Emil Kristijanovič Lenc. 1833. godine.

Na osnovu izvedenih eksperimenata, Faraday je izveo zakon za elektromotorna sila kasnije nazvan po njemu.

Ideje i rezultate Faradejevih eksperimenata preispitao je i uopštio drugi veliki sunarodnik - briljantni engleski fizičar i matematičar James Clerk Maxwell - u svoja četiri diferencijalne jednadžbe elektrodinamike, kasnije nazvane Maxwellove jednadžbe.

Treba napomenuti da tri od četiri Maxwellove jednadžbe sadrže magnetnu indukciju u obliku vektora magnetsko polje.

Magnetna indukcija. Definicija

Magnetna indukcija je vektor fizička količina, koji je karakteristika snage magnetno polje (njegovo djelovanje na nabijene čestice) u datoj tački u prostoru. Određuje koliko je jaka F magnetsko polje deluje na naelektrisanje q, krećući se brzinom v. Označava se latiničnim slovom AT(izgovara se vektor B) i sila se izračunava pomoću formule:

F = q [v∙B]

gdje F je Lorentzova sila koja djeluje sa strane magnetskog polja na naboj q; v- brzina kretanja punjenja; B- indukcija magnetnog polja; [ v × B] - vektorski proizvod vektori v i B.

Algebarski, izraz se može napisati kao:

F = q∙v∙B sinα

gdje α - ugao između vektora brzine i magnetne indukcije. vektorski pravac F okomito na oba i usmjereno po pravilu lijeve ruke.

Magnetna indukcija je glavna osnovna karakteristika magnetnog polja, slična vektoru jačine električnog polja.

AT međunarodni sistem SI jedinice, magnetna indukcija polja se mjeri u telasima (T), u CGS sistemu - u gausima (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Ostale veličine mjerenja magnetske indukcije koje se koriste u različitim aplikacijama, i njihova konverzija iz jedne veličine u drugu, mogu se naći u pretvaraču fizičkih veličina.

Merni instrumenti za merenje veličine magnetne indukcije nazivaju se teslametri ili gausmetri.

Indukcija magnetnog polja. Fizika pojava

Ovisno o reakciji na vanjsko magnetsko polje, sve tvari se dijele u tri grupe:

• Dijamagneti
• Paramagneti
• feromagneti

Termine dijamagnetizam i paramagnetizam uveo je Faraday 1845. godine. Za kvantifikacija ove reakcije uvele su koncept magnetske permeabilnosti. U SI sistem uveden apsolutno magnetna permeabilnost, mjerena u H/m, i relativno bezdimenzionalna magnetna permeabilnost, jednaka omjeru permeabilnosti datog medija i propusnosti vakuuma. Za dijamagnete, relativna magnetna permeabilnost je nešto manja od jedinice, za paramagnete je nešto veća od jedinice. U feromagnetima, magnetska permeabilnost je mnogo veća od jedinice i nelinearna je.

Fenomen dijamagnetizam Sastoji se u sposobnosti tvari da se suprotstavi utjecaju vanjskog magnetskog polja zbog magnetizacije u suprotnom smjeru. To jest, dijamagnete se odbijaju od magnetnog polja. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni dijamagneta dobivaju magnetni moment usmjeren protiv vanjskog polja.

Fenomen paramagnetizam je sposobnost tvari da se magnetizira kada je izložena vanjskom magnetskom polju. Za razliku od dijamagneta, paramagnete se uvlače magnetnim poljem. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni paramagneta dobivaju magnetni moment u smjeru koji se poklapa sa smjerom vanjskog magnetskog polja. Kada se polje ukloni, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju.

Fenomen feromagnetizam je sposobnost tvari da se spontano magnetizira u odsustvu vanjskog magnetskog polja ili da se magnetizira pod utjecajem vanjskog magnetskog polja i zadrži magnetizaciju kada se polje ukloni. U ovom slučaju, većina magnetnih momenata atoma, molekula ili iona paralelna je jedni s drugima. Ovaj redosled se održava do temperatura ispod određene kritične temperature, koja se naziva Curie tačka. Na temperaturama iznad Curie tačke za datu supstancu, feromagneti se pretvaraju u paramagnete.

Magnetska permeabilnost supravodnika je nula.

Apsolutna magnetna permeabilnost vazduha je približno jednaka magnetnoj permeabilnosti vakuuma iu tehničkim proračunima uzima se kao 4π 10 ⁻⁷ H/m

Osobenosti ponašanja magnetnog polja u dijamagnetima

Kao što je gore spomenuto, dijamagnetski materijali stvaraju inducirano magnetno polje usmjereno protiv vanjskog magnetnog polja. Dijamagnetizam je kvantno mehanički efekat svojstven svim supstancama. U paramagnetima i feromagnetima je nivelisan zbog drugih, jačih efekata.

Dijamagneti uključuju, na primjer, tvari kao što su inertni plinovi, dušik, vodik, silicijum, fosfor i pirolitički ugljik; neki metali - bizmut, cink, bakar, zlato, srebro. Mnoga druga neorganska i organska jedinjenja su takođe dijamagnetna, uključujući vodu.

U nehomogenom magnetnom polju, dijamagneti se pomeraju u područje slabijeg polja. Magnetic linije sile kao da su ga dijamagnetni materijali istisnuli iz tela. Fenomen dijamagnetne levitacije zasniva se na ovoj osobini. U dovoljno jakom magnetnom polju koje stvaraju moderni magneti, moguće je levitirati ne samo razne dijamagnete, već i mala živa bića, koja se sastoje uglavnom od vode.

Naučnici sa Univerziteta u Niemingenu u Holandiji uspjeli su objesiti žabu u zrak u polju s magnetskom indukcijom od oko 16 T, a istraživači iz NASA laboratorije pomoću supravodničkog magneta - levitacije miša, koji kao biološki objekat, mnogo je bliži osobi od žabe.

Svi provodnici pokazuju dijamagnetizam kada su izloženi naizmjeničnom magnetskom polju.

Suština fenomena je da se pod djelovanjem naizmjeničnog magnetnog polja u provodnicima induciraju vrtložne struje - Foucaultove struje - usmjerene protiv djelovanja vanjskog magnetskog polja.

Osobine ponašanja magnetnog polja u paramagnetima

Interakcija magnetskog polja sa paramagnetima je potpuno drugačija. Budući da atomi, molekuli ili joni paramagneta imaju svoj magnetni moment, oni se poravnavaju u smjeru vanjskog magnetskog polja. Ovo stvara rezultirajuće magnetsko polje koje je veće od originalnog polja.

Paramagneti uključuju aluminijum, platinu, alkalne i zemnoalkalne metale litijum, cezijum, natrijum, magnezijum, volfram, kao i legure ovih metala. Kiseonik, dušikov oksid, mangan oksid, željezni hlorid i mnoga druga hemijska jedinjenja su takođe paramagnetski.

Paramagneti su slabo magnetne supstance, njihova magnetna permeabilnost je nešto veća od jedinice. U nehomogenom magnetnom polju, paramagneti se uvlače u područje jačeg polja. U odsustvu magnetnog polja, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju, jer su zbog termičkog kretanja unutrašnji magnetni momenti njihovih atoma, molekula ili jona nasumično usmjereni.

Osobine ponašanja magnetnog polja u feromagnetima

Zbog svoje inherentne osobine da se spontano magnetiziraju, feromagneti formiraju prirodne magnete, koji su čovječanstvu poznati od davnina. Magnetima su se pripisivala magična svojstva, korišteni su u raznim vjerskim obredima, pa čak i u izgradnji zgrada. Prvi prototip kompasa, koji su izmislili Kinezi u drugom ili prvom veku pre nove ere, koristili su radoznali preci za izgradnju kuća prema pravilima Feng Shuija. Upotreba kompasa kao sredstva za navigaciju počela je još u 11. veku za putovanje kroz pustinju duž Velikog puta svile. Kasnije je upotreba kompasa u pomorstvu odigrala značajnu ulogu u razvoju plovidbe, otkrivanju novih zemalja i razvoju novih pomorskih trgovačkih puteva.

Feromagnetizam je manifestacija kvantnomehaničkih svojstava elektrona koji imaju spin, tj. vlastiti dipolni magnetni moment. Jednostavno rečeno, elektroni se ponašaju kao sićušni magneti. Za svaku završenu elektronska školjka atom može imati samo par elektrona sa suprotnim spinovima, tj. magnetsko polje takvih elektrona je usmjereno u suprotnim smjerovima. Zbog toga, atomi sa uparenim brojem elektrona imaju ukupni magnetni moment jednak nuli, stoga su samo atomi s neispunjenom vanjskom ljuskom i koji imaju nespareni broj elektrona feromagneti.

Feromagneti uključuju metale prelaznih grupa (gvožđe, bakar, nikl) i metale retkih zemalja (gadolinijum, terbijum, disprozijum, holmijum i erbijum), kao i legure ovih metala. Legure navedenih elemenata sa neferomagnetnim materijalima su također feromagneti; legure i spojevi hroma i mangana sa neferomagnetnim elementima, kao i neki od metala iz grupe aktinida.

Feromagneti imaju vrijednost magnetske permeabilnosti mnogo veću od jedinice; ovisnost njihove magnetizacije pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja je nelinearna i karakterizira ih manifestacija histereze - ako se ukloni djelovanje magnetskog polja, feromagneti ostaju magnetizirani. Da biste uklonili ovu zaostalu magnetizaciju, potrebno je primijeniti obrnuto polje.

Grafikon zavisnosti magnetne permeabilnosti μ od jačine magnetnog polja H u feromagnetu, nazvan Stoletovljeva kriva, pokazuje da pri nultoj jačini magnetnog polja H = 0, magnetna permeabilnost ima malu vrednost μ₀; zatim, kako se intenzitet povećava, magnetna permeabilnost brzo raste do maksimuma μ max , a zatim polako pada na nulu.

Pionir u proučavanju svojstava feromagneta bio je ruski fizičar i hemičar Aleksandar Stoletov. Sada krivulja zavisnosti magnetske permeabilnosti od jačine magnetnog polja nosi njegovo ime.

Savremeni feromagnetni materijali se široko koriste u nauci i tehnologiji: mnoge tehnologije i uređaji temelje se na njihovoj upotrebi i na korištenju fenomena magnetske indukcije. Na primjer, u kompjuterskoj tehnologiji: prve generacije računara imale su memoriju na feritnim jezgrama, informacije su bile pohranjene na magnetnim trakama, disketama i tvrdim diskovima. Međutim, potonji se i dalje koriste u kompjuterima i proizvode se u stotinama miliona komada godišnje.

Upotreba magnetne indukcije u elektrotehnici i elektronici

AT savremeni svet Brojni su primjeri upotrebe indukcije magnetnog polja, prvenstveno u elektroenergetici: u generatorima električne energije, naponskim transformatorima, u raznim elektromagnetnim pogonima raznih uređaja, alata i mehanizama, u mjernoj tehnici i nauci, u raznim fizičkim instalacijama za vođenje eksperimentima, kao i u sredstvima električne zaštite i isključivanja u nuždi.

Elektromotori, generatori i transformatori

Godine 1824. engleski fizičar i matematičar Peter Barlow opisao je unipolarni motor koji je izumio, a koji je postao prototip modernih električnih motora. jednosmerna struja. Izum je također vrijedan jer je napravljen mnogo prije otkrića fenomena elektromagnetne indukcije.

Danas gotovo svi elektromotori koriste Amperovu silu, koja djeluje na strujni krug u magnetskom polju, uzrokujući njegovo kretanje.

Da bi demonstrirao fenomen magnetne indukcije, Faraday je 1831. godine stvorio eksperimentalnu postavku, čiji je važan dio bio uređaj danas poznat kao toroidni transformator. Princip rada Faradejevog transformatora i dalje se koristi u svim modernim naponskim i strujnim transformatorima, bez obzira na snagu, dizajn i opseg.

Uz to, Faraday je znanstveno potkrijepio i eksperimentalno dokazao mogućnost pretvaranja mehaničkog kretanja u električnu energiju pomoću unipolarnog DC generatora koji je izumio, a koji je postao prototip svih DC generatora.

Prvi generator naizmjenična struja Kreirao ga je francuski pronalazač Hipolit Piksi 1832. Kasnije, na prijedlog Amperea, dopunjen je sklopnim uređajem, koji je omogućio dobivanje pulsirajuće istosmjerne struje.

Gotovo svi generatori električne energije koji koriste princip magnetske indukcije temelje se na pojavi elektromotorne sile u zatvorenom kolu, koje se nalazi u promjenljivom magnetskom polju. U ovom slučaju, ili se magnetni rotor rotira u odnosu na fiksne zavojnice statora u generatorima naizmjenične struje, ili se namotaji rotora okreću u odnosu na fiksne magnete statora (jaram) u DC generatorima.

Najmoćniji generator na svijetu, izgrađen 2013. za nuklearnu elektranu Taishan od strane kineske kompanije DongFang Electric, može proizvesti snagu od 1.750 MW.

Pored generatora konvencionalnog tipa i elektromotora povezani su sa konverzijom mehanička energija in električna energija i obrnuto, postoje takozvani magnetohidrodinamički generatori i motori koji rade na drugom principu.

Releji i elektromagneti

Elektromagnet, koji je izumio američki naučnik J. Henry, postao je prvi električni aktuator i preteča poznatog električnog zvona. Kasnije je na njegovoj osnovi Henry stvorio elektromagnetski relej, koji je postao prvi uređaj za automatsko preklapanje s binarnim stanjem.

Shure dinamički mikrofon koji se koristi u video studiju

Prilikom odašiljanja telegrafskog signala na velike udaljenosti, releji su korišteni kao DC pojačala, koji su prebacivali vezu vanjskih baterija međustanica za daljnji prijenos signala.

Dinamične glave i mikrofoni

U savremenoj audio tehnologiji široko se koriste elektromagnetski zvučnici, zvuk u kojem se javlja zbog interakcije pokretnog zavojnice pričvršćenog na konus, kroz koji teče struja audio frekvencije, s magnetnim poljem u procjepu fiksne permanentni magnet. Kao rezultat toga, zavojnica se zajedno s difuzorom pomiče i stvara zvučne valove.

Dinamički mikrofoni koriste isti dizajn kao i dinamička glava, ali u mikrofonu, naprotiv, pokretna zavojnica s mini difuzorom u procjepu fiksnog trajnog magneta oscilira pod utjecajem akustičnog signala i stvara električnu zvučnu frekvenciju. signal.

Merni instrumenti i senzori

Uprkos obilju modernog digitalnog merni instrumenti, u mjernoj tehnici i dalje se koriste uređaji magnetoelektričnog, elektromagnetnog, elektrodinamičkog, ferodinamičkog i indukcionog tipa.

Svi sistemi navedenih tipova koriste princip interakcije magnetnih polja ili stalnog magneta sa poljem zavojnice sa strujom, ili feromagnetnog jezgra sa poljima zavojnica sa strujom, ili magnetnih polja zavojnica sa strujom.

Zbog relativne inercije ovakvih mjernih sistema, oni su primjenjivi za mjerenje prosječnih vrijednosti varijabli.

Opće informacije

Iznenađujuće, ideje jedne osobe mogu uticati na kasniji razvoj ljudskog društva u cjelini. Takva osoba je bio Michael Faraday, koji nije bio previše upućen u zamršenosti savremene matematike, ali koji je savršeno razumio fizičko značenje informacija o prirodi elektriciteta i magnetizma koje su do tada poznate zahvaljujući konceptu interakcija polja koji je iznio. .

Postojanje modernog društva, zasnovanog na upotrebi elektriciteta, magnetizma i elektrodinamike, dugujemo plejadi izuzetnih naučnika. Među njima treba istaći Ampera, Ersteda, Henrija, Gausa, Vebera, Lorenca i, naravno, Maksvela. U konačnici su nauku o elektricitetu i magnetizmu doveli u jedinstvenu sliku, koja je poslužila kao osnova za čitavu kohortu pronalazača koji su svojim kreacijama stvorili preduvjete za nastanak modernog informatičkog društva.

Živimo okruženi elektromotorima i generatorima: oni su naši prvi pomoćnici u proizvodnji, transportu i kod kuće. Svaka osoba koja poštuje sebe ne može zamisliti postojanje bez frižidera, usisivača i mašine za pranje veša. Prioritet je i mikrotalasna rerna, fen, mlin za kafu, mikser, blender i - krajnji san - električna mlin za meso i mašina za hleb. Naravno, klima je također užasno korisna stvar, ali ako nema sredstava za kupovinu, onda će i jednostavan ventilator.

Za neke muškarce zahtjevi su nešto skromniji: krajnji san najnesposobnijeg muškarca je električna bušilica. Neki od nas, bezuspješno pokušavajući upaliti auto na četrdeset stepeni mraza i beznadežno mučeći starter (također elektromotor), potajno sanjaju o kupovini automobila Tesla Motorsa sa elektromotorima i baterijama kako bi zauvijek zaboravili na probleme s benzinom i dizel motore.

Električni motori su posvuda: voze nas u liftovima, prevoze nas podzemnom željeznicom, vozovima, tramvajima, trolejbusima i brzim vozovima. Dovoze nam vodu na podove nebodera, upravljaju fontanama, crpe vodu iz rudnika i bunara, kotrljaju čelik, dižu tegove, rade u raznim dizalicama. A rade i mnoge druge korisne stvari, pokrećući mašine alatke, alate i mehanizme.

Čak se i egzoskeleti za osobe s invaliditetom i za vojsku izrađuju pomoću električnih motora, a da ne spominjemo čitavu armiju industrijskih i istraživačkih robota.

Danas električni motori rade u svemiru - pomislite samo na rover Curiosity. Oni rade na kopnu, pod zemljom, na vodi, pod vodom, pa čak i u zraku - ako ne danas, onda sutra (članak napisan u novembru 2015.) letjelica Solar Impulse 2 konačno će završiti svoj put oko svijeta, a bespilotna letjelica vozila na elektromotore jednostavno nema brojeva. Ne bez razloga, prilično ozbiljne korporacije sada rade na uslugama dostave pošte pomoću bespilotnih letjelica.

Istorijat

Izgrađena 1800. godine od strane italijanskog fizičara Alessandra Volte, hemijska baterija, kasnije nazvana po pronalazaču "Voltaični stub", zaista se pokazala kao "rog izobilja" za naučnike. Omogućio je pokretanje električnih naboja u provodnicima, odnosno stvaranje električne struje. Nova otkrića u korištenju voltaičnog stupa nizala su se jedno za drugim u raznim oblastima fizike i hemije.

Na primjer, engleski naučnik Sir Humphrey Davy je 1807. godine, proučavajući elektrolizu taline natrijum i kalijum hidroksida, dobio metalni natrijum i kalijum. Ranije, 1801. godine, otkrio je i električni luk, iako ga Rusi smatraju otkrićem Vasilija Vladimiroviča Petrova. Petrov je 1802. opisao ne samo sam luk, već i mogućnosti njegove praktične primjene za potrebe topljenja, zavarivanja metala i izvlačenja iz ruda, kao i za rasvjetu.

No, najvažnije otkriće napravio je danski fizičar Hans Christian Oersted: 21. aprila 1820., tokom demonstracije eksperimenata na predavanju, primijetio je odstupanje igle magnetnog kompasa pri uključivanju i isključivanju električne struje koja teče kroz provodnik u obliku žice. Tako je po prvi put potvrđena veza između elektriciteta i magnetizma.

Sljedeći korak napravio je francuski fizičar André Marie Ampere nekoliko mjeseci nakon što se upoznao sa Oerstedovim eksperimentom. Zanimljiv je tok rezonovanja ovog naučnika, iznetog u porukama koje je on jednu za drugom slao Francuskoj akademiji nauka. U početku, posmatrajući okretanje igle kompasa na provodniku sa strujom, Amper je sugerirao da je magnetizam Zemlje uzrokovan i strujama koje teku oko Zemlje u smjeru od zapada prema istoku. Iz ovoga je zaključio da se magnetna svojstva tijela mogu objasniti kruženjem struje unutar njega. Nadalje, Amper je prilično hrabro zaključio da su magnetska svojstva bilo kojeg tijela određena zatvorenim električnim strujama unutar njega, a magnetska interakcija nije posljedica posebnih magnetskih naboja, već jednostavno kretanja električnih naboja, tj. struje.

Amper je odmah pristupio eksperimentalnom istraživanju ove interakcije i otkrio da se provodnici sa strujom koja teče u jednom smjeru privlače, a odbijaju u suprotnom smjeru. Međusobno okomiti provodnici ne komuniciraju jedan s drugim.

Teško je odoljeti citiranju zakona koji je Amper otkrio u svojoj formulaciji:

„Sila interakcije pokretnih naelektrisanja je proporcionalna proizvodu ovih naelektrisanja, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, kao u Coulombovom zakonu, ali, osim toga, zavisi i od brzina ovih naelektrisanja i smera kretanja. njihovo kretanje."

Tako su u fizici otkrivene fundamentalne sile koje zavise od brzina.

Ali pravi proboj u nauci o elektricitetu i magnetizmu bilo je otkriće Michaela Faradayja fenomena elektromagnetne indukcije - pojave električne struje u zatvorenom kolu kada se mijenja magnetni tok koji prolazi kroz njega. Bez obzira na Faradaya, fenomen elektromagnetne indukcije otkrio je i Joseph Henry 1832. godine, koji je usput otkrio i fenomen samoindukcije.

Faradejeva javna demonstracija 29. avgusta 1831. izvedena je na instalaciji koju je izumio, a koja se sastojala od voltaičnog pola, prekidača, gvozdenog prstena, na koji su na suprotnim stranama bila namotana dva identična namotaja bakarne žice. Jedan od zavojnica je bio spojen na bateriju preko prekidača, a galvanometar je bio spojen na krajeve drugog. Kada je struja uključena i isključena, galvanometar je zabilježio pojavu struje različitih smjerova u drugom namotu.

U Faradayevim eksperimentima, električna struja, nazvana indukciona struja, također se pojavila kada je magnet umetnut u zavojnicu ili izvučen iz zavojnice napunjenog mjernim krugom. Slično, struja se pojavila i kada je manji kalem sa strujom umetnut/izvučen/izvučen iz većeg namotaja iz prethodnog eksperimenta. Štaviše, smer indukcione struje se menjao u suprotan kada je magnet ili mali kalem sa strujom umetnut/izvučen u skladu sa pravilom koje je formulisao ruski naučnik Emil Kristijanovič Lenc. 1833. godine.

Na osnovu izvedenih eksperimenata, Faraday je izveo zakon za elektromotornu silu, kasnije nazvan po njemu.

Ideje i rezultate Faradayevih eksperimenata preispitao je i uopštio drugi veliki sunarodnik - briljantni engleski fizičar i matematičar James Clerk Maxwell - u svoje četiri diferencijalne jednadžbe elektrodinamike, kasnije nazvane Maxwellove jednačine.

Treba napomenuti da se u tri od četiri Maxwellove jednadžbe magnetska indukcija pojavljuje u obliku vektora magnetskog polja.

Magnetna indukcija. Definicija

Magnetna indukcija je vektorska fizička veličina, koja je sila karakteristična za magnetsko polje (njegovo djelovanje na nabijene čestice) u datoj tački u prostoru. Određuje koliko je jaka F magnetsko polje deluje na naelektrisanje q, krećući se brzinom v. Označava se latiničnim slovom AT(izgovara se vektor B) i sila se izračunava pomoću formule:

F = q [v∙B]

gdje F je Lorentzova sila koja djeluje sa strane magnetskog polja na naboj q; v- brzina kretanja punjenja; B- indukcija magnetnog polja; [ v × B] - unakrsni proizvod vektora v i B.

Algebarski, izraz se može napisati kao:

F = q∙v∙B sinα

gdje α - ugao između vektora brzine i magnetne indukcije. vektorski pravac F okomito na oba i usmjereno po pravilu lijeve ruke.

Magnetna indukcija je glavna osnovna karakteristika magnetnog polja, slična vektoru jačine električnog polja.

U međunarodnom sistemu jedinica SI, magnetna indukcija polja se mjeri u teslima (T), u CGS sistemu - u gausima (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Ostale veličine mjerenja magnetske indukcije koje se koriste u različitim aplikacijama, i njihova konverzija iz jedne veličine u drugu, mogu se naći u pretvaraču fizičkih veličina.

Merni instrumenti za merenje veličine magnetne indukcije nazivaju se teslametri ili gausmetri.

Indukcija magnetnog polja. Fizika pojava

Ovisno o reakciji na vanjsko magnetsko polje, sve tvari se dijele u tri grupe:

• Dijamagneti
• Paramagneti
• feromagneti

Termine dijamagnetizam i paramagnetizam uveo je Faraday 1845. godine. Da bi se kvantificirale ove reakcije, uveden je koncept magnetske permeabilnosti. U SI sistem uveden apsolutno magnetna permeabilnost, mjerena u H/m, i relativno bezdimenzionalna magnetna permeabilnost, jednaka omjeru permeabilnosti datog medija i propusnosti vakuuma. Za dijamagnete, relativna magnetna permeabilnost je nešto manja od jedinice, za paramagnete je nešto veća od jedinice. U feromagnetima, magnetska permeabilnost je mnogo veća od jedinice i nelinearna je.

Fenomen dijamagnetizam Sastoji se u sposobnosti tvari da se suprotstavi utjecaju vanjskog magnetskog polja zbog magnetizacije u suprotnom smjeru. To jest, dijamagnete se odbijaju od magnetnog polja. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni dijamagneta dobivaju magnetni moment usmjeren protiv vanjskog polja.

Fenomen paramagnetizam je sposobnost tvari da se magnetizira kada je izložena vanjskom magnetskom polju. Za razliku od dijamagneta, paramagnete se uvlače magnetnim poljem. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni paramagneta dobivaju magnetni moment u smjeru koji se poklapa sa smjerom vanjskog magnetskog polja. Kada se polje ukloni, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju.

Fenomen feromagnetizam je sposobnost tvari da se spontano magnetizira u odsustvu vanjskog magnetskog polja ili da se magnetizira pod utjecajem vanjskog magnetskog polja i zadrži magnetizaciju kada se polje ukloni. U ovom slučaju, većina magnetnih momenata atoma, molekula ili iona paralelna je jedni s drugima. Ovaj redosled se održava do temperatura ispod određene kritične temperature, koja se naziva Curie tačka. Na temperaturama iznad Curie tačke za datu supstancu, feromagneti se pretvaraju u paramagnete.

Magnetska permeabilnost supravodnika je nula.

Apsolutna magnetna permeabilnost vazduha je približno jednaka magnetnoj permeabilnosti vakuuma iu tehničkim proračunima uzima se kao 4π 10 ⁻⁷ H/m

Osobenosti ponašanja magnetnog polja u dijamagnetima

Kao što je gore spomenuto, dijamagnetski materijali stvaraju inducirano magnetno polje usmjereno protiv vanjskog magnetnog polja. Dijamagnetizam je kvantno mehanički efekat svojstven svim supstancama. U paramagnetima i feromagnetima je nivelisan zbog drugih, jačih efekata.

Dijamagneti uključuju, na primjer, tvari kao što su inertni plinovi, dušik, vodik, silicijum, fosfor i pirolitički ugljik; neki metali - bizmut, cink, bakar, zlato, srebro. Mnoga druga neorganska i organska jedinjenja su takođe dijamagnetna, uključujući vodu.

U nehomogenom magnetnom polju, dijamagneti se pomeraju u područje slabijeg polja. Magnetne linije sile su, takoreći, potisnute iz tijela dijamagnetnim materijalima. Fenomen dijamagnetne levitacije zasniva se na ovoj osobini. U dovoljno jakom magnetnom polju koje stvaraju moderni magneti, moguće je levitirati ne samo razne dijamagnete, već i mala živa bića, koja se sastoje uglavnom od vode.

Naučnici sa Univerziteta u Niemingenu u Holandiji uspjeli su objesiti žabu u zrak u polju s magnetskom indukcijom od oko 16 T, a istraživači iz NASA laboratorije pomoću supravodničkog magneta - levitacije miša, koji kao biološki objekat, mnogo je bliži osobi od žabe.

Svi provodnici pokazuju dijamagnetizam kada su izloženi naizmjeničnom magnetskom polju.

Suština fenomena je da se pod djelovanjem naizmjeničnog magnetnog polja u provodnicima induciraju vrtložne struje - Foucaultove struje - usmjerene protiv djelovanja vanjskog magnetskog polja.

Osobine ponašanja magnetnog polja u paramagnetima

Interakcija magnetskog polja sa paramagnetima je potpuno drugačija. Budući da atomi, molekuli ili joni paramagneta imaju svoj magnetni moment, oni se poravnavaju u smjeru vanjskog magnetskog polja. Ovo stvara rezultirajuće magnetsko polje koje je veće od originalnog polja.

Paramagneti uključuju aluminijum, platinu, alkalne i zemnoalkalne metale litijum, cezijum, natrijum, magnezijum, volfram, kao i legure ovih metala. Kiseonik, dušikov oksid, mangan oksid, željezni hlorid i mnoga druga hemijska jedinjenja su takođe paramagnetski.

Paramagneti su slabo magnetne supstance, njihova magnetna permeabilnost je nešto veća od jedinice. U nehomogenom magnetnom polju, paramagneti se uvlače u područje jačeg polja. U odsustvu magnetnog polja, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju, jer su zbog termičkog kretanja unutrašnji magnetni momenti njihovih atoma, molekula ili jona nasumično usmjereni.

Osobine ponašanja magnetnog polja u feromagnetima

Zbog svoje inherentne osobine da se spontano magnetiziraju, feromagneti formiraju prirodne magnete, koji su čovječanstvu poznati od davnina. Magnetima su se pripisivala magična svojstva, korišteni su u raznim vjerskim obredima, pa čak i u izgradnji zgrada. Prvi prototip kompasa, koji su izmislili Kinezi u drugom ili prvom veku pre nove ere, koristili su radoznali preci za izgradnju kuća prema pravilima Feng Shuija. Upotreba kompasa kao sredstva za navigaciju počela je još u 11. veku za putovanje kroz pustinju duž Velikog puta svile. Kasnije je upotreba kompasa u pomorstvu odigrala značajnu ulogu u razvoju plovidbe, otkrivanju novih zemalja i razvoju novih pomorskih trgovačkih puteva.

Feromagnetizam je manifestacija kvantnomehaničkih svojstava elektrona koji imaju spin, tj. vlastiti dipolni magnetni moment. Jednostavno rečeno, elektroni se ponašaju kao sićušni magneti. Svaka popunjena elektronska ljuska atoma može sadržavati samo par elektrona sa suprotnim spinovima, tj. magnetsko polje takvih elektrona je usmjereno u suprotnim smjerovima. Zbog toga, atomi sa uparenim brojem elektrona imaju ukupni magnetni moment jednak nuli, stoga su samo atomi s neispunjenom vanjskom ljuskom i koji imaju nespareni broj elektrona feromagneti.

Feromagneti uključuju metale prelaznih grupa (gvožđe, bakar, nikl) i metale retkih zemalja (gadolinijum, terbijum, disprozijum, holmijum i erbijum), kao i legure ovih metala. Legure navedenih elemenata sa neferomagnetnim materijalima su također feromagneti; legure i spojevi hroma i mangana sa neferomagnetnim elementima, kao i neki od metala iz grupe aktinida.

Feromagneti imaju vrijednost magnetske permeabilnosti mnogo veću od jedinice; ovisnost njihove magnetizacije pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja je nelinearna i karakterizira ih manifestacija histereze - ako se ukloni djelovanje magnetskog polja, feromagneti ostaju magnetizirani. Da biste uklonili ovu zaostalu magnetizaciju, potrebno je primijeniti obrnuto polje.

Grafikon zavisnosti magnetne permeabilnosti μ od jačine magnetnog polja H u feromagnetu, nazvan Stoletovljeva kriva, pokazuje da pri nultoj jačini magnetnog polja H = 0, magnetna permeabilnost ima malu vrednost μ₀; zatim, kako se intenzitet povećava, magnetna permeabilnost brzo raste do maksimuma μ max , a zatim polako pada na nulu.

Pionir u proučavanju svojstava feromagneta bio je ruski fizičar i hemičar Aleksandar Stoletov. Sada krivulja zavisnosti magnetske permeabilnosti od jačine magnetnog polja nosi njegovo ime.

Savremeni feromagnetni materijali se široko koriste u nauci i tehnologiji: mnoge tehnologije i uređaji temelje se na njihovoj upotrebi i na korištenju fenomena magnetske indukcije. Na primjer, u kompjuterskoj tehnologiji: prve generacije računara imale su memoriju na feritnim jezgrama, informacije su bile pohranjene na magnetnim trakama, disketama i tvrdim diskovima. Međutim, potonji se i dalje koriste u kompjuterima i proizvode se u stotinama miliona komada godišnje.

Upotreba magnetne indukcije u elektrotehnici i elektronici

U savremenom svijetu postoje brojni primjeri upotrebe indukcije magnetnog polja, prvenstveno u elektroenergetici: u generatorima električne energije, naponskim transformatorima, u raznim elektromagnetnim pogonima raznih uređaja, alata i mehanizama, u mjernoj tehnici i nauci, u razne fizičke instalacije za eksperimente., kao i u sredstvima električne zaštite i isključivanja u nuždi.

Elektromotori, generatori i transformatori

Godine 1824. engleski fizičar i matematičar Peter Barlow opisao je unipolarni motor koji je izumio, a koji je postao prototip modernih DC elektromotora. Izum je također vrijedan jer je napravljen mnogo prije otkrića fenomena elektromagnetne indukcije.

Danas gotovo svi elektromotori koriste Amperovu silu, koja djeluje na strujni krug u magnetskom polju, uzrokujući njegovo kretanje.

Da bi demonstrirao fenomen magnetne indukcije, Faraday je 1831. godine stvorio eksperimentalnu postavku, čiji je važan dio bio uređaj danas poznat kao toroidni transformator. Princip rada Faradejevog transformatora i dalje se koristi u svim modernim naponskim i strujnim transformatorima, bez obzira na snagu, dizajn i opseg.

Uz to, Faraday je znanstveno potkrijepio i eksperimentalno dokazao mogućnost pretvaranja mehaničkog kretanja u električnu energiju pomoću unipolarnog DC generatora koji je izumio, a koji je postao prototip svih DC generatora.

Prvi generator naizmjenične struje napravio je francuski izumitelj Hippolyte Pixie 1832. godine. Kasnije, na prijedlog Amperea, dopunjen je sklopnim uređajem, koji je omogućio dobivanje pulsirajuće istosmjerne struje.

Gotovo svi generatori električne energije koji koriste princip magnetske indukcije temelje se na pojavi elektromotorne sile u zatvorenom kolu, koje se nalazi u promjenljivom magnetskom polju. U ovom slučaju, ili se magnetni rotor rotira u odnosu na fiksne zavojnice statora u generatorima naizmjenične struje, ili se namotaji rotora okreću u odnosu na fiksne magnete statora (jaram) u DC generatorima.

Najmoćniji generator na svijetu, izgrađen 2013. za nuklearnu elektranu Taishan od strane kineske kompanije DongFang Electric, može proizvesti snagu od 1.750 MW.

Pored generatora i elektromotora tradicionalnog tipa, povezanih sa pretvaranjem mehaničke energije u električnu i obrnuto, postoje takozvani magnetohidrodinamički generatori i motori koji rade na drugom principu.

Releji i elektromagneti

Elektromagnet, koji je izumio američki naučnik J. Henry, postao je prvi električni aktuator i preteča poznatog električnog zvona. Kasnije je na njegovoj osnovi Henry stvorio elektromagnetski relej, koji je postao prvi uređaj za automatsko preklapanje s binarnim stanjem.

Shure dinamički mikrofon koji se koristi u video studiju

Prilikom odašiljanja telegrafskog signala na velike udaljenosti, releji su korišteni kao DC pojačala, koji su prebacivali vezu vanjskih baterija međustanica za daljnji prijenos signala.

Dinamične glave i mikrofoni

U modernoj audio tehnologiji široko se koriste elektromagnetski zvučnici u kojima se zvuk pojavljuje zbog interakcije pokretnog zavojnice pričvršćenog na konus, kroz koji teče struja audio frekvencije, s magnetskim poljem u procjepu fiksnog trajnog magneta. Kao rezultat toga, zavojnica se zajedno s difuzorom pomiče i stvara zvučne valove.

Dinamički mikrofoni koriste isti dizajn kao i dinamička glava, ali u mikrofonu, naprotiv, pokretna zavojnica s mini difuzorom u procjepu fiksnog trajnog magneta oscilira pod utjecajem akustičnog signala i stvara električnu zvučnu frekvenciju. signal.

Merni instrumenti i senzori

Unatoč obilju modernih digitalnih mjernih instrumenata, uređaji magnetoelektričnog, elektromagnetnog, elektrodinamičkog, ferodinamičkog i indukcijskog tipa i dalje se koriste u mjernoj tehnici.

Svi sistemi navedenih tipova koriste princip interakcije magnetnih polja ili stalnog magneta sa poljem zavojnice sa strujom, ili feromagnetnog jezgra sa poljima zavojnica sa strujom, ili magnetnih polja zavojnica sa strujom.

Zbog relativne inercije ovakvih mjernih sistema, oni su primjenjivi za mjerenje prosječnih vrijednosti varijabli.

Opće informacije

Iznenađujuće, ideje jedne osobe mogu uticati na kasniji razvoj ljudskog društva u cjelini. Takva osoba je bio Michael Faraday, koji nije bio previše upućen u zamršenosti savremene matematike, ali koji je savršeno razumio fizičko značenje informacija o prirodi elektriciteta i magnetizma koje su do tada poznate zahvaljujući konceptu interakcija polja koji je iznio. .

Postojanje modernog društva, zasnovanog na upotrebi elektriciteta, magnetizma i elektrodinamike, dugujemo plejadi izuzetnih naučnika. Među njima treba istaći Ampera, Ersteda, Henrija, Gausa, Vebera, Lorenca i, naravno, Maksvela. U konačnici su nauku o elektricitetu i magnetizmu doveli u jedinstvenu sliku, koja je poslužila kao osnova za čitavu kohortu pronalazača koji su svojim kreacijama stvorili preduvjete za nastanak modernog informatičkog društva.

Živimo okruženi elektromotorima i generatorima: oni su naši prvi pomoćnici u proizvodnji, transportu i kod kuće. Svaka osoba koja poštuje sebe ne može zamisliti postojanje bez frižidera, usisivača i mašine za pranje veša. Prioritet je i mikrotalasna rerna, fen, mlin za kafu, mikser, blender i - krajnji san - električna mlin za meso i mašina za hleb. Naravno, klima je također užasno korisna stvar, ali ako nema sredstava za kupovinu, onda će i jednostavan ventilator.

Za neke muškarce zahtjevi su nešto skromniji: krajnji san najnesposobnijeg muškarca je električna bušilica. Neki od nas, bezuspješno pokušavajući upaliti auto na četrdeset stepeni mraza i beznadežno mučeći starter (također elektromotor), potajno sanjaju o kupovini automobila Tesla Motorsa sa elektromotorima i baterijama kako bi zauvijek zaboravili na probleme s benzinom i dizel motore.

Električni motori su posvuda: voze nas u liftovima, prevoze nas podzemnom željeznicom, vozovima, tramvajima, trolejbusima i brzim vozovima. Dovoze nam vodu na podove nebodera, upravljaju fontanama, crpe vodu iz rudnika i bunara, kotrljaju čelik, dižu tegove, rade u raznim dizalicama. A rade i mnoge druge korisne stvari, pokrećući mašine alatke, alate i mehanizme.

Čak se i egzoskeleti za osobe s invaliditetom i za vojsku izrađuju pomoću električnih motora, a da ne spominjemo čitavu armiju industrijskih i istraživačkih robota.

Danas električni motori rade u svemiru - pomislite samo na rover Curiosity. Oni rade na kopnu, pod zemljom, na vodi, pod vodom, pa čak i u zraku - ako ne danas, onda sutra (članak napisan u novembru 2015.) letjelica Solar Impulse 2 konačno će završiti svoj put oko svijeta, a bespilotna letjelica vozila na elektromotore jednostavno nema brojeva. Ne bez razloga, prilično ozbiljne korporacije sada rade na uslugama dostave pošte pomoću bespilotnih letjelica.

Istorijat

Izgrađena 1800. godine od strane italijanskog fizičara Alessandra Volte, hemijska baterija, kasnije nazvana po pronalazaču "Voltaični stub", zaista se pokazala kao "rog izobilja" za naučnike. Omogućio je pokretanje električnih naboja u provodnicima, odnosno stvaranje električne struje. Nova otkrića u korištenju voltaičnog stupa nizala su se jedno za drugim u raznim oblastima fizike i hemije.

Na primjer, engleski naučnik Sir Humphrey Davy je 1807. godine, proučavajući elektrolizu taline natrijum i kalijum hidroksida, dobio metalni natrijum i kalijum. Ranije, 1801. godine, otkrio je i električni luk, iako ga Rusi smatraju otkrićem Vasilija Vladimiroviča Petrova. Petrov je 1802. opisao ne samo sam luk, već i mogućnosti njegove praktične primjene za potrebe topljenja, zavarivanja metala i izvlačenja iz ruda, kao i za rasvjetu.

No, najvažnije otkriće napravio je danski fizičar Hans Christian Oersted: 21. aprila 1820., tokom demonstracije eksperimenata na predavanju, primijetio je odstupanje igle magnetnog kompasa pri uključivanju i isključivanju električne struje koja teče kroz provodnik u obliku žice. Tako je po prvi put potvrđena veza između elektriciteta i magnetizma.

Sljedeći korak napravio je francuski fizičar André Marie Ampere nekoliko mjeseci nakon što se upoznao sa Oerstedovim eksperimentom. Zanimljiv je tok rezonovanja ovog naučnika, iznetog u porukama koje je on jednu za drugom slao Francuskoj akademiji nauka. U početku, posmatrajući okretanje igle kompasa na provodniku sa strujom, Amper je sugerirao da je magnetizam Zemlje uzrokovan i strujama koje teku oko Zemlje u smjeru od zapada prema istoku. Iz ovoga je zaključio da se magnetna svojstva tijela mogu objasniti kruženjem struje unutar njega. Nadalje, Amper je prilično hrabro zaključio da su magnetska svojstva bilo kojeg tijela određena zatvorenim električnim strujama unutar njega, a magnetska interakcija nije posljedica posebnih magnetskih naboja, već jednostavno kretanja električnih naboja, tj. struje.

Amper je odmah pristupio eksperimentalnom istraživanju ove interakcije i otkrio da se provodnici sa strujom koja teče u jednom smjeru privlače, a odbijaju u suprotnom smjeru. Međusobno okomiti provodnici ne komuniciraju jedan s drugim.

Teško je odoljeti citiranju zakona koji je Amper otkrio u svojoj formulaciji:

„Sila interakcije pokretnih naelektrisanja je proporcionalna proizvodu ovih naelektrisanja, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, kao u Coulombovom zakonu, ali, osim toga, zavisi i od brzina ovih naelektrisanja i smera kretanja. njihovo kretanje."

Tako su u fizici otkrivene fundamentalne sile koje zavise od brzina.

Ali pravi proboj u nauci o elektricitetu i magnetizmu bilo je otkriće Michaela Faradayja fenomena elektromagnetne indukcije - pojave električne struje u zatvorenom kolu kada se mijenja magnetni tok koji prolazi kroz njega. Bez obzira na Faradaya, fenomen elektromagnetne indukcije otkrio je i Joseph Henry 1832. godine, koji je usput otkrio i fenomen samoindukcije.

Faradejeva javna demonstracija 29. avgusta 1831. izvedena je na instalaciji koju je izumio, a koja se sastojala od voltaičnog pola, prekidača, gvozdenog prstena, na koji su na suprotnim stranama bila namotana dva identična namotaja bakarne žice. Jedan od zavojnica je bio spojen na bateriju preko prekidača, a galvanometar je bio spojen na krajeve drugog. Kada je struja uključena i isključena, galvanometar je zabilježio pojavu struje različitih smjerova u drugom namotu.

U Faradayevim eksperimentima, električna struja, nazvana indukciona struja, također se pojavila kada je magnet umetnut u zavojnicu ili izvučen iz zavojnice napunjenog mjernim krugom. Slično, struja se pojavila i kada je manji kalem sa strujom umetnut/izvučen/izvučen iz većeg namotaja iz prethodnog eksperimenta. Štaviše, smer indukcione struje se menjao u suprotan kada je magnet ili mali kalem sa strujom umetnut/izvučen u skladu sa pravilom koje je formulisao ruski naučnik Emil Kristijanovič Lenc. 1833. godine.

Na osnovu izvedenih eksperimenata, Faraday je izveo zakon za elektromotornu silu, kasnije nazvan po njemu.

Ideje i rezultate Faradayevih eksperimenata preispitao je i uopštio drugi veliki sunarodnik - briljantni engleski fizičar i matematičar James Clerk Maxwell - u svoje četiri diferencijalne jednadžbe elektrodinamike, kasnije nazvane Maxwellove jednačine.

Treba napomenuti da se u tri od četiri Maxwellove jednadžbe magnetska indukcija pojavljuje u obliku vektora magnetskog polja.

Magnetna indukcija. Definicija

Magnetna indukcija je vektorska fizička veličina, koja je sila karakteristična za magnetsko polje (njegovo djelovanje na nabijene čestice) u datoj tački u prostoru. Određuje koliko je jaka F magnetsko polje deluje na naelektrisanje q, krećući se brzinom v. Označava se latiničnim slovom AT(izgovara se vektor B) i sila se izračunava pomoću formule:

F = q [v∙B]

gdje F je Lorentzova sila koja djeluje sa strane magnetskog polja na naboj q; v- brzina kretanja punjenja; B- indukcija magnetnog polja; [ v × B] - unakrsni proizvod vektora v i B.

Algebarski, izraz se može napisati kao:

F = q∙v∙B sinα

gdje α - ugao između vektora brzine i magnetne indukcije. vektorski pravac F okomito na oba i usmjereno po pravilu lijeve ruke.

Magnetna indukcija je glavna osnovna karakteristika magnetnog polja, slična vektoru jačine električnog polja.

U međunarodnom sistemu jedinica SI, magnetna indukcija polja se mjeri u teslima (T), u CGS sistemu - u gausima (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Ostale veličine mjerenja magnetske indukcije koje se koriste u različitim aplikacijama, i njihova konverzija iz jedne veličine u drugu, mogu se naći u pretvaraču fizičkih veličina.

Merni instrumenti za merenje veličine magnetne indukcije nazivaju se teslametri ili gausmetri.

Indukcija magnetnog polja. Fizika pojava

Ovisno o reakciji na vanjsko magnetsko polje, sve tvari se dijele u tri grupe:

• Dijamagneti
• Paramagneti
• feromagneti

Termine dijamagnetizam i paramagnetizam uveo je Faraday 1845. godine. Da bi se kvantificirale ove reakcije, uveden je koncept magnetske permeabilnosti. U SI sistem uveden apsolutno magnetna permeabilnost, mjerena u H/m, i relativno bezdimenzionalna magnetna permeabilnost, jednaka omjeru permeabilnosti datog medija i propusnosti vakuuma. Za dijamagnete, relativna magnetna permeabilnost je nešto manja od jedinice, za paramagnete je nešto veća od jedinice. U feromagnetima, magnetska permeabilnost je mnogo veća od jedinice i nelinearna je.

Fenomen dijamagnetizam Sastoji se u sposobnosti tvari da se suprotstavi utjecaju vanjskog magnetskog polja zbog magnetizacije u suprotnom smjeru. To jest, dijamagnete se odbijaju od magnetnog polja. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni dijamagneta dobivaju magnetni moment usmjeren protiv vanjskog polja.

Fenomen paramagnetizam je sposobnost tvari da se magnetizira kada je izložena vanjskom magnetskom polju. Za razliku od dijamagneta, paramagnete se uvlače magnetnim poljem. U tom slučaju, atomi, molekuli ili ioni paramagneta dobivaju magnetni moment u smjeru koji se poklapa sa smjerom vanjskog magnetskog polja. Kada se polje ukloni, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju.

Fenomen feromagnetizam je sposobnost tvari da se spontano magnetizira u odsustvu vanjskog magnetskog polja ili da se magnetizira pod utjecajem vanjskog magnetskog polja i zadrži magnetizaciju kada se polje ukloni. U ovom slučaju, većina magnetnih momenata atoma, molekula ili iona paralelna je jedni s drugima. Ovaj redosled se održava do temperatura ispod određene kritične temperature, koja se naziva Curie tačka. Na temperaturama iznad Curie tačke za datu supstancu, feromagneti se pretvaraju u paramagnete.

Magnetska permeabilnost supravodnika je nula.

Apsolutna magnetna permeabilnost vazduha je približno jednaka magnetnoj permeabilnosti vakuuma iu tehničkim proračunima uzima se kao 4π 10 ⁻⁷ H/m

Osobenosti ponašanja magnetnog polja u dijamagnetima

Kao što je gore spomenuto, dijamagnetski materijali stvaraju inducirano magnetno polje usmjereno protiv vanjskog magnetnog polja. Dijamagnetizam je kvantno mehanički efekat svojstven svim supstancama. U paramagnetima i feromagnetima je nivelisan zbog drugih, jačih efekata.

Dijamagneti uključuju, na primjer, tvari kao što su inertni plinovi, dušik, vodik, silicijum, fosfor i pirolitički ugljik; neki metali - bizmut, cink, bakar, zlato, srebro. Mnoga druga neorganska i organska jedinjenja su takođe dijamagnetna, uključujući vodu.

U nehomogenom magnetnom polju, dijamagneti se pomeraju u područje slabijeg polja. Magnetne linije sile su, takoreći, potisnute iz tijela dijamagnetnim materijalima. Fenomen dijamagnetne levitacije zasniva se na ovoj osobini. U dovoljno jakom magnetnom polju koje stvaraju moderni magneti, moguće je levitirati ne samo razne dijamagnete, već i mala živa bića, koja se sastoje uglavnom od vode.

Naučnici sa Univerziteta u Niemingenu u Holandiji uspjeli su objesiti žabu u zrak u polju s magnetskom indukcijom od oko 16 T, a istraživači iz NASA laboratorije pomoću supravodničkog magneta - levitacije miša, koji kao biološki objekat, mnogo je bliži osobi od žabe.

Svi provodnici pokazuju dijamagnetizam kada su izloženi naizmjeničnom magnetskom polju.

Suština fenomena je da se pod djelovanjem naizmjeničnog magnetnog polja u provodnicima induciraju vrtložne struje - Foucaultove struje - usmjerene protiv djelovanja vanjskog magnetskog polja.

Osobine ponašanja magnetnog polja u paramagnetima

Interakcija magnetskog polja sa paramagnetima je potpuno drugačija. Budući da atomi, molekuli ili joni paramagneta imaju svoj magnetni moment, oni se poravnavaju u smjeru vanjskog magnetskog polja. Ovo stvara rezultirajuće magnetsko polje koje je veće od originalnog polja.

Paramagneti uključuju aluminijum, platinu, alkalne i zemnoalkalne metale litijum, cezijum, natrijum, magnezijum, volfram, kao i legure ovih metala. Kiseonik, dušikov oksid, mangan oksid, željezni hlorid i mnoga druga hemijska jedinjenja su takođe paramagnetski.

Paramagneti su slabo magnetne supstance, njihova magnetna permeabilnost je nešto veća od jedinice. U nehomogenom magnetnom polju, paramagneti se uvlače u područje jačeg polja. U odsustvu magnetnog polja, paramagneti ne zadržavaju magnetizaciju, jer su zbog termičkog kretanja unutrašnji magnetni momenti njihovih atoma, molekula ili jona nasumično usmjereni.

Osobine ponašanja magnetnog polja u feromagnetima

Zbog svoje inherentne osobine da se spontano magnetiziraju, feromagneti formiraju prirodne magnete, koji su čovječanstvu poznati od davnina. Magnetima su se pripisivala magična svojstva, korišteni su u raznim vjerskim obredima, pa čak i u izgradnji zgrada. Prvi prototip kompasa, koji su izmislili Kinezi u drugom ili prvom veku pre nove ere, koristili su radoznali preci za izgradnju kuća prema pravilima Feng Shuija. Upotreba kompasa kao sredstva za navigaciju počela je još u 11. veku za putovanje kroz pustinju duž Velikog puta svile. Kasnije je upotreba kompasa u pomorstvu odigrala značajnu ulogu u razvoju plovidbe, otkrivanju novih zemalja i razvoju novih pomorskih trgovačkih puteva.

Feromagnetizam je manifestacija kvantnomehaničkih svojstava elektrona koji imaju spin, tj. vlastiti dipolni magnetni moment. Jednostavno rečeno, elektroni se ponašaju kao sićušni magneti. Svaka popunjena elektronska ljuska atoma može sadržavati samo par elektrona sa suprotnim spinovima, tj. magnetsko polje takvih elektrona je usmjereno u suprotnim smjerovima. Zbog toga, atomi sa uparenim brojem elektrona imaju ukupni magnetni moment jednak nuli, stoga su samo atomi s neispunjenom vanjskom ljuskom i koji imaju nespareni broj elektrona feromagneti.

Feromagneti uključuju metale prelaznih grupa (gvožđe, bakar, nikl) i metale retkih zemalja (gadolinijum, terbijum, disprozijum, holmijum i erbijum), kao i legure ovih metala. Legure navedenih elemenata sa neferomagnetnim materijalima su također feromagneti; legure i spojevi hroma i mangana sa neferomagnetnim elementima, kao i neki od metala iz grupe aktinida.

Feromagneti imaju vrijednost magnetske permeabilnosti mnogo veću od jedinice; ovisnost njihove magnetizacije pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja je nelinearna i karakterizira ih manifestacija histereze - ako se ukloni djelovanje magnetskog polja, feromagneti ostaju magnetizirani. Da biste uklonili ovu zaostalu magnetizaciju, potrebno je primijeniti obrnuto polje.

Grafikon zavisnosti magnetne permeabilnosti μ od jačine magnetnog polja H u feromagnetu, nazvan Stoletovljeva kriva, pokazuje da pri nultoj jačini magnetnog polja H = 0, magnetna permeabilnost ima malu vrednost μ₀; zatim, kako se intenzitet povećava, magnetna permeabilnost brzo raste do maksimuma μ max , a zatim polako pada na nulu.

Pionir u proučavanju svojstava feromagneta bio je ruski fizičar i hemičar Aleksandar Stoletov. Sada krivulja zavisnosti magnetske permeabilnosti od jačine magnetnog polja nosi njegovo ime.

Savremeni feromagnetni materijali se široko koriste u nauci i tehnologiji: mnoge tehnologije i uređaji temelje se na njihovoj upotrebi i na korištenju fenomena magnetske indukcije. Na primjer, u kompjuterskoj tehnologiji: prve generacije računara imale su memoriju na feritnim jezgrama, informacije su bile pohranjene na magnetnim trakama, disketama i tvrdim diskovima. Međutim, potonji se i dalje koriste u kompjuterima i proizvode se u stotinama miliona komada godišnje.

Upotreba magnetne indukcije u elektrotehnici i elektronici

U savremenom svijetu postoje brojni primjeri upotrebe indukcije magnetnog polja, prvenstveno u elektroenergetici: u generatorima električne energije, naponskim transformatorima, u raznim elektromagnetnim pogonima raznih uređaja, alata i mehanizama, u mjernoj tehnici i nauci, u razne fizičke instalacije za eksperimente., kao i u sredstvima električne zaštite i isključivanja u nuždi.

Elektromotori, generatori i transformatori

Godine 1824. engleski fizičar i matematičar Peter Barlow opisao je unipolarni motor koji je izumio, a koji je postao prototip modernih DC elektromotora. Izum je također vrijedan jer je napravljen mnogo prije otkrića fenomena elektromagnetne indukcije.

Danas gotovo svi elektromotori koriste Amperovu silu, koja djeluje na strujni krug u magnetskom polju, uzrokujući njegovo kretanje.

Da bi demonstrirao fenomen magnetne indukcije, Faraday je 1831. godine stvorio eksperimentalnu postavku, čiji je važan dio bio uređaj danas poznat kao toroidni transformator. Princip rada Faradejevog transformatora i dalje se koristi u svim modernim naponskim i strujnim transformatorima, bez obzira na snagu, dizajn i opseg.

Uz to, Faraday je znanstveno potkrijepio i eksperimentalno dokazao mogućnost pretvaranja mehaničkog kretanja u električnu energiju pomoću unipolarnog DC generatora koji je izumio, a koji je postao prototip svih DC generatora.

Prvi generator naizmjenične struje napravio je francuski izumitelj Hippolyte Pixie 1832. godine. Kasnije, na prijedlog Amperea, dopunjen je sklopnim uređajem, koji je omogućio dobivanje pulsirajuće istosmjerne struje.

Gotovo svi generatori električne energije koji koriste princip magnetske indukcije temelje se na pojavi elektromotorne sile u zatvorenom kolu, koje se nalazi u promjenljivom magnetskom polju. U ovom slučaju, ili se magnetni rotor rotira u odnosu na fiksne zavojnice statora u generatorima naizmjenične struje, ili se namotaji rotora okreću u odnosu na fiksne magnete statora (jaram) u DC generatorima.

Najmoćniji generator na svijetu, izgrađen 2013. za nuklearnu elektranu Taishan od strane kineske kompanije DongFang Electric, može proizvesti snagu od 1.750 MW.

Pored generatora i elektromotora tradicionalnog tipa, povezanih sa pretvaranjem mehaničke energije u električnu i obrnuto, postoje takozvani magnetohidrodinamički generatori i motori koji rade na drugom principu.

Releji i elektromagneti

Elektromagnet, koji je izumio američki naučnik J. Henry, postao je prvi električni aktuator i preteča poznatog električnog zvona. Kasnije je na njegovoj osnovi Henry stvorio elektromagnetski relej, koji je postao prvi uređaj za automatsko preklapanje s binarnim stanjem.

Shure dinamički mikrofon koji se koristi u video studiju

Prilikom odašiljanja telegrafskog signala na velike udaljenosti, releji su korišteni kao DC pojačala, koji su prebacivali vezu vanjskih baterija međustanica za daljnji prijenos signala.

Dinamične glave i mikrofoni

U modernoj audio tehnologiji široko se koriste elektromagnetski zvučnici u kojima se zvuk pojavljuje zbog interakcije pokretnog zavojnice pričvršćenog na konus, kroz koji teče struja audio frekvencije, s magnetskim poljem u procjepu fiksnog trajnog magneta. Kao rezultat toga, zavojnica se zajedno s difuzorom pomiče i stvara zvučne valove.

Dinamički mikrofoni koriste isti dizajn kao i dinamička glava, ali u mikrofonu, naprotiv, pokretna zavojnica s mini difuzorom u procjepu fiksnog trajnog magneta oscilira pod utjecajem akustičnog signala i stvara električnu zvučnu frekvenciju. signal.

Merni instrumenti i senzori

Unatoč obilju modernih digitalnih mjernih instrumenata, uređaji magnetoelektričnog, elektromagnetnog, elektrodinamičkog, ferodinamičkog i indukcijskog tipa i dalje se koriste u mjernoj tehnici.

Svi sistemi navedenih tipova koriste princip interakcije magnetnih polja ili stalnog magneta sa poljem zavojnice sa strujom, ili feromagnetnog jezgra sa poljima zavojnica sa strujom, ili magnetnih polja zavojnica sa strujom.

Zbog relativne inercije ovakvih mjernih sistema, oni su primjenjivi za mjerenje prosječnih vrijednosti varijabli.

Jačina magnetnog polja nije glavna veličina koja karakteriše magnetsko polje, iako je definicija jačine validna za proračun zavojnica bez magnetnog kola.

Za kalem sa magnetnim krugom, glavna veličina koja karakteriše magnetsko polje je magnetna indukcija B. Ovo je vektorska veličina, tj. ona je (kao i napetost) data numeričkom vrijednošću i smjerom u prostoru. Magnetna indukcija je određena silom koja djeluje na pokretnu nabijenu česticu. Prilikom prikazivanja slike magnetnog polja pomoću magnetnih linija, one se crtaju deblje u onom dijelu polja gdje ima više indukcije.

Mjerna jedinica za magnetnu indukciju je tesla (T). Ranije je korištena još jedna jedinica mjerenja magnetske indukcije - gaus (Gs).

Ove jedinice su povezane omjerom: 1Tl = 10000Gs.

Proizvod magnetne indukcije B i površine S okomito na vektor magnetske indukcije ( magnetne linije), naziva se magnetni tok F. Dakle, magnetni tok:

Jedinica magnetnog fluksa je weber(Wb). Uz istu jačinu magnetnog polja H, u različitim materijalima se dobijaju različite magnetne indukcije B. Odnos B / H naziva se apsolutna magnetna permeabilnost materijala μ a, tj.

Apsolutna magnetna permeabilnost materijala μ a jednaka je umnošku magnetne konstante (magnetske permeabilnosti vakuuma) μ 0 i relativne magnetne permeabilnosti μ r:

raoorropor

M magnetna konstanta

H/m (henry po metru, henry je jedinica mjere za induktivnost).

Vrijednost μ r pokazuje koliko je puta μ a materijala veće od magnetne konstante μ 0 .

U materijalu čija je magnetna permeabilnost jednaka μ r,

i u vakuumu (praktično u vazduhu)

gdje je V izraženo u teslama, a H u A/m.

Prilikom mjerenja magnetske indukcije u gausima, i jačine magnetnog polja u A/cm, za magnetnu indukciju u zraku dobijamo:

Za feromagnetne materijale, relativna magnetna permeabilnost μ r je mnogo puta veća od 1, mijenja se s promjenom indukcije B. Odnos između B i H za feromagnetne materijale se često prikazuje kao krive magnetizacije.

U praktičnim zadacima (magnetna kola električnih mašina i uređaja) za proračun vučne sile, EMF, sile privlačenja itd. potrebno je odrediti magnetni tok F ili indukciju B. Vrijednost ovih veličina se određuje iz krivulja magnetizacije ako je poznata jačina magnetskog polja H, koja je zauzvrat određena magnetskim naponom ili MMF.

H jačina magnetnog polja zavojnice

H = 500 A/m. Kolika će biti magnetska indukcija ako se magnetni krug od transformatorskog čelika umetne u zavojnicu (na slici), čija je relativna magnetska permeabilnost μ r \u003d 2400.

B \u003d μ a * H \u003d μ o * μ r * H \u003d 4 * π * 10 -7 * 2400 * 500 \u003d 1,5 T

Za transformatorski čelik koji sadrži 4% Si, magnetna indukcija B pri jačini magnetnog polja zavojnice od 500 A/m iznosi 1,19 T (pogledajte krivulje magnetizacije na slici). Odrediti apsolutnu magnetnu permeabilnost transformatorskog čelika u radnoj tački μ a i relativnu magnetnu permeabilnost μ r . Podsjetimo da vrijednost μ r pokazuje koliko je puta μ a materijala veće od magnetske permeabilnosti

μ o \u003d 4 * π * 10 -7.

Apsolutna magnetna permeabilnost

μ a = V/N = 1,19/500

μ a \u003d μ r * μ o \u003d 4 * π * 10 -7 * μ r.

μ r \u003d μ a / μ o \u003d B / H \u003d 1,19 / (500 * 4 * π * 10 -7) \u003d 1893,9

Prema datim eksperimentalnim ovisnostima B i H za razni materijali odrediti koeficijente polinoma drugog reda, na najbolji način (minimalnim zbirom kvadrata grešaka) dajući njihov analitički opis (matematički model).

Čelični lim

Transformatorski čelik (4% Si)

livenog čelika

Za procjenu polinomskih koeficijenata

B \u003d a * H 2 + b * H + C

Zapišimo vektor

H = '. veličina A = 10,1

Zatim kreiramo matricu A:

A = [H^2 H one(V(1),1)]

I formiramo vektor B:

B = '.

Procijenimo koeficijente

Koristeći datoteku sah575.m. Procjenjuje koeficijente kvadratnog polinoma za čelični lim

a1 = [-0,0206 0,2952 0,3429],

za transformatorski čelik

a2 = [-0,0246 0,3239 0,2000]

i za čelični lim

a3 = [-0,0277 0,2566 0,0150].

Potrebno je izvršiti proračune za svaku vrstu materijala u načinu direktnog proračuna.

/ovdje je fajl sah 375.m/

Koliki će biti magnetni tok F u magnetnom kolu (vidi zadatak 1.), ako je poprečni presjek magnetskog kola S = 4 cm²?

Magnetski fluks, mjeren u webers (Wb), je

F \u003d B * S \u003d 1,5 * 4 * 10 -4 \u003d 0,0006 Wb

(Tl = Wb/m²)

Broj zavoja zavojnice w=500 . U magnetnom jezgru od transformatorskog čelika dužine l=25 cm potrebno je obezbijediti magnetnu indukciju B=1,19 TŠta m.f.s. a struja je potrebna za ovo?

Prema krivulji magnetizacije transformatorskog čelika (vidi sliku) nalazimo da je za stvaranje B = 1,19 T potrebno stvoriti jačinu magnetnog polja H = 500 A/m. Sa dužinom magnetnog kola (sa zavojnicom) l = 25 cm = 0,25 m, potrebni m.f.s. izračunato po formuli