Informatii generale

Într-un mod surprinzător, ideile unei persoane pot influența dezvoltarea ulterioară. societatea umanaîn general. O astfel de persoană a fost Michael Faraday, nu prea versat în complexitatea matematicii contemporane, dar perfect înțelegător sens fizic cunoscute până atunci informații despre natura electricității și magnetismului datorită conceptului de interacțiuni de câmp propus de el.

Existența societății moderne, bazată pe utilizarea electricității, magnetismului și electrodinamicii, o datorăm unei galaxii de oameni de știință remarcabili. Printre aceștia trebuie remarcați Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz și, bineînțeles, Maxwell. În cele din urmă, au adus știința electricității și magnetismului într-o singură imagine, care a servit drept bază pentru o întreagă cohortă de inventatori care au creat premisele pentru apariția societății informaționale moderne cu creațiile lor.

Trăim înconjurați de motoare și generatoare electrice: ei sunt primii noștri asistenți în producție, transport și acasă. Orice persoană care se respectă nu își poate imagina existența fără frigider, aspirator și mașină de spălat. O prioritate este și un cuptor cu microunde, un uscător de păr, o râșniță de cafea, un mixer, un blender și - visul suprem - o mașină de tocat carne electrică și o mașină de pâine. Desigur, aerul condiționat este, de asemenea, un lucru teribil de util, dar dacă nu există fonduri pentru a-l achiziționa, atunci un simplu ventilator va face.

Pentru unii bărbați, solicitările sunt oarecum mai modeste: visul suprem al celui mai inept bărbat este o bormașină electrică. Unii dintre noi, încercând fără succes să pornească mașina în patruzeci de grade de îngheț și chinuind fără speranță demarorul (tot un motor electric), visează în secret să achiziționeze o mașină Tesla Motors cu motoare electrice și baterii pentru a uita pentru totdeauna de problemele benzinei. si motoare diesel.

Motoarele electrice sunt peste tot: ne duc în lifturi, ne transportă în metrouri, trenuri, tramvaie, troleibuze și trenuri de mare viteză. Ne aduc apă la podelele zgârie-norilor, funcționează fântâni, pompează apă din mine și fântâni, rulează oțel, ridică greutăți, lucrează în diverse macarale. Și fac o mulțime de alte lucruri utile, punând în mișcare mașini-unelte, unelte și mecanisme.

Chiar și exoscheletele pentru persoanele cu dizabilități și pentru militari sunt realizate folosind motoare electrice, ca să nu mai vorbim de o întreagă armată de roboți industriali și de cercetare.

Astăzi, motoarele electrice funcționează în spațiu - gândiți-vă doar la roverul Curiosity. Ei lucrează pe uscat, sub pământ, pe apă, sub apă și chiar în aer - dacă nu astăzi, atunci mâine (articol scris în noiembrie 2015) aeronava Solar Impulse 2 își va finaliza în sfârșit călătoria în jurul lumii și fără pilot. aeronave pe motoarele electrice, pur și simplu nu există numere. Nu fără motiv, corporații destul de serioase lucrează acum la servicii de livrare a corespondenței folosind vehicule aeriene fără pilot.

Referință istorică

Construită în 1800 de fizicianul italian Alessandro Volta, bateria chimică, numită mai târziu după inventatorul „coloana voltaică”, s-a dovedit cu adevărat a fi un „corn al belșugului” pentru oamenii de știință. A făcut posibilă punerea în mișcare a sarcinilor electrice în conductori, adică crearea electricitate. Noi descoperiri folosind coloana voltaică au urmat continuu una după alta în diverse zone fizica si chimia.

De exemplu, omul de știință englez Sir Humphrey Davy în 1807, studiind electroliza topiturii hidroxizilor de sodiu și potasiu, a obținut sodiu și potasiu metalic. Mai devreme, în 1801, a descoperit și arcul electric, deși rușii îl consideră a fi descoperitorul lui Vasily Vladimirovici Petrov. Petrov în 1802 a descris nu numai arcul în sine, ci și posibilitățile de aplicare practică a acestuia în scopul topirii, sudării metalelor și recuperării lor din minereuri, precum și iluminatului.

Dar cea mai importantă descoperire a fost făcută de fizicianul danez Hans Christian Oersted: la 21 aprilie 1820, în timpul unei demonstrații de experimente la o prelegere, a observat deviația acului busolei magnetice la pornirea și oprirea curentului electric care curge printr-un conductor sub forma unui fir. Astfel, pentru prima dată, a fost confirmată relația dintre electricitate și magnetism.

Următorul pas a fost făcut de fizicianul francez André Marie Ampère la câteva luni după ce s-a familiarizat cu experimentul lui Oersted. Este curios cursul de raționament al acestui om de știință, expus în mesajele trimise de el unul după altul Academiei Franceze de Științe. La început, observând rotirea acului busolei la un conductor cu curent, Ampère a sugerat că magnetismul Pământului este cauzat și de curenții care curg în jurul Pământului în direcția de la vest la est. Din aceasta el a concluzionat că proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin circulația curentului în interiorul acestuia. În plus, Ampère a concluzionat cu îndrăzneală că proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia, iar interacțiunea magnetică se datorează nu unor sarcini magnetice speciale, ci pur și simplu mișcării. sarcini electrice, adică curent.

Amper a preluat imediat controlul studiu pilot a acestei interacțiuni și a constatat că conductorii cu curent care circulă într-o direcție sunt atrași, iar în sens opus sunt respinși. Conductorii reciproc perpendiculari nu interacționează între ei.

Este greu de rezistat să cităm legea descoperită de Ampère în propria sa formulare:

„Forța de interacțiune a sarcinilor în mișcare este proporțională cu produsul acestor sarcini, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, ca în legea lui Coulomb, dar, în plus, depinde și de vitezele acestor sarcini și de direcția mișcarea lor”.

Deci în fizică au fost descoperite forțe fundamentale în funcție de viteze.

Dar adevărata descoperire în știința electricității și magnetismului a fost descoperirea de către Michael Faraday a fenomenului inductie electromagnetica- apariţia unui curent electric într-un circuit închis când se modifică fluxul magnetic care trece prin acesta. Indiferent de Faraday, fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit și de Joseph Henry în 1832, care a descoperit pe parcurs fenomenul de autoinducție.

O demonstrație publică a lui Faraday pe 29 august 1831 a fost efectuată pe o instalație inventată de el, constând dintr-un stâlp voltaic, un întrerupător, un inel de fier, pe care erau înfășurate pe părți opuse două bobine identice de sârmă de cupru. Una dintre bobine a fost conectată la o baterie printr-un întrerupător, iar un galvanometru a fost conectat la capetele celeilalte. Când curentul a fost pornit și oprit, galvanometrul a înregistrat apariția unui curent de direcții diferite în a doua bobină.

În experimentele lui Faraday, un curent electric, numit curent de inducție, a apărut și atunci când un magnet a fost introdus în bobină sau scos din bobina încărcată pe circuitul de măsurare. În mod similar, curentul a apărut și atunci când bobina mai mică purtătoare de curent a fost introdusă/trasă înăuntru/din bobina mai mare din experimentul anterior. Și direcția curent de inducție inversat la introducerea/extragerea magnetului sau bobină mică cu curent în conformitate cu regula formulată de savantul rus Emil Khristianovici Lenz. în 1833.

Pe baza experimentelor efectuate, Faraday a derivat o lege pentru forta electromotoare ulterior numit după el.

Ideile și rezultatele experimentelor lui Faraday au fost regândite și generalizate de un alt mare compatriot - genialul fizician și matematician englez James Clerk Maxwell - în cele patru ale sale. ecuatii diferentiale electrodinamică, numită mai târziu ecuațiile lui Maxwell.

Trebuie remarcat faptul că trei dintre cele patru ecuații Maxwell conțin inducție magnetică sub forma unui vector camp magnetic.

Inductie magnetica. Definiție

Inducția magnetică este un vector cantitate fizica, care este caracteristica de putere câmp magnetic (acțiunea sa asupra particulelor încărcate) într-un punct dat din spațiu. Determină cât de puternic F câmpul magnetic acţionează asupra unei sarcini q, deplasându-se cu o viteză v. Notat printr-o literă latină LA(pronunțat vectorul B) și forța se calculează folosind formula:

F = q [v∙B]

Unde F este forța Lorentz care acționează din partea câmpului magnetic asupra sarcinii q; v- viteza de miscare a incarcarii; B- inducţia câmpului magnetic; [ v × B] - produs vectorial vectori vși B.

Din punct de vedere algebric, expresia poate fi scrisă astfel:

F = q∙v∙B sinα

Unde α - unghiul dintre vectorii viteză și inducția magnetică. direcția vectorială F perpendicular pe amândouă și îndreptat după regula mâinii stângi.

Inducția magnetică este principala caracteristică fundamentală a unui câmp magnetic, similar vectorului intensității câmpului electric.

LA sistem international Unități SI, inducerea magnetică a câmpului se măsoară în tesla (T), în sistemul CGS - în gauss (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Alte mărimi de măsurare a inducției magnetice utilizate în diverse aplicații și conversia lor de la o mărime la alta, pot fi găsite în convertorul de mărimi fizice.

Instrumentele de măsurare pentru măsurarea mărimii inducției magnetice se numesc teslametre sau gausmetre.

Inducerea câmpului magnetic. Fizica fenomenelor

În funcție de reacția la un câmp magnetic extern, toate substanțele sunt împărțite în trei grupe:

• Diamagneții
• Paramagneți
• feromagneți

Termenii diamagnetism și paramagnetism au fost introduși de Faraday în 1845. Pentru cuantificare aceste reacții au introdus conceptul de permeabilitate magnetică. În sistemul SI introdus absolut permeabilitatea magnetică, măsurată în H/m, și relativ permeabilitatea magnetică adimensională, egală cu raportul dintre permeabilitatea unui mediu dat și permeabilitatea la vid. Pentru diamagneți, permeabilitatea magnetică relativă este ceva mai mică decât unitatea, pentru paramagneți este ceva mai mare decât unitatea. La feromagneți, permeabilitatea magnetică este mult mai mare decât unitatea și este neliniară.

Fenomen diamagnetism Constă în capacitatea unei substanțe de a contracara influența unui câmp magnetic extern datorită magnetizării împotriva direcției sale. Adică, diamagneții sunt respinși de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii diamagnetului capătă un moment magnetic îndreptat împotriva câmpului extern.

Fenomen paramagnetism este capacitatea unei substanțe de a se magnetiza atunci când este expusă la un câmp magnetic extern. Spre deosebire de diamagneți, paramagneții sunt atrași de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii paramagnetului capătă un moment magnetic în direcția care coincide cu direcția câmpului magnetic extern. Când câmpul este îndepărtat, paramagneții nu rețin magnetizarea.

Fenomen feromagnetism este capacitatea unei substanțe de a magnetiza spontan în absența unui câmp magnetic extern sau de a fi magnetizată sub influența unui câmp magnetic extern și de a reține magnetizarea atunci când câmpul este îndepărtat. În acest caz, majoritatea momentelor magnetice ale atomilor, moleculelor sau ionilor sunt paralele între ele. Această ordine este menținută până la temperaturi sub o anumită temperatură critică, numită punctul Curie. La temperaturi peste punctul Curie pentru o anumită substanță, feromagneții se transformă în paramagneți.

Permeabilitatea magnetică a supraconductorilor este zero.

Permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproximativ egală cu permeabilitatea magnetică a vidului și în calculele tehnice este luată egală cu 4π 10 ⁻⁷ H/m

Particularități ale comportamentului câmpului magnetic în Diamagneți

După cum sa menționat mai sus, materialele diamagnetice creează un câmp magnetic indus îndreptat împotriva unui câmp magnetic extern. Diamagnetismul este un efect mecanic cuantic inerent tuturor substanțelor. În paramagneți și feromagneți, este nivelat datorită altor efecte mai puternice.

Diamagneţii includ, de exemplu, substanţe cum ar fi gaze inerte, azot, hidrogen, siliciu, fosfor şi carbon pirolitic; unele metale - bismut, zinc, cupru, aur, argint. Mulți alți compuși anorganici și organici sunt, de asemenea, diamagnetici, inclusiv apa.

Într-un câmp magnetic neomogen, diamagneții sunt deplasați într-o regiune a unui câmp mai slab. Magnetic linii de forță parcă ar fi împins afară din corp de materiale diamagnetice. Fenomenul de levitație diamagnetică se bazează pe această proprietate. Într-un câmp magnetic suficient de puternic creat de magneții moderni, este posibil să levitați nu numai diamagneți, ci și mici ființe vii, constând în principal din apă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Niemingen, Țările de Jos, au reușit să atârne o broască în aer într-un câmp cu o inducție magnetică de aproximativ 16 T, iar cercetătorii de la un laborator NASA folosind un magnet supraconductor - levitația unui șoarece, care, ca un obiect biologic, este mult mai aproape de o persoană decât de o broască.

Toți conductorii prezintă diamagnetism atunci când sunt expuși la un câmp magnetic alternativ.

Esența fenomenului este că sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ, în conductori sunt induși curenți turbionari - curenți Foucault - dirijați împotriva acțiunii unui câmp magnetic extern.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în paramagneți

Interacțiunea unui câmp magnetic cu paramagneții este complet diferită. Deoarece atomii, moleculele sau ionii materialelor paramagnetice au propriul lor moment magnetic, ei se aliniază în direcția câmpului magnetic extern. Acest lucru creează un câmp magnetic rezultat care este mai mare decât câmpul original.

Paramagneții includ aluminiu, platină, metale alcaline și alcalino-pământoase, litiu, cesiu, sodiu, magneziu, wolfram, precum și aliaje ale acestor metale. Oxigenul, oxidul nitric, oxidul de mangan, clorura ferică și mulți alți compuși chimici sunt, de asemenea, paramagnetici.

Paramagneții sunt substanțe slab magnetice, permeabilitatea lor magnetică este puțin mai mult decât unitatea. Într-un câmp magnetic neomogen, paramagneții sunt atrași în regiunea unui câmp mai puternic. În absența unui câmp magnetic, paramagneții nu rețin magnetizarea, deoarece din cauza mișcării termice, momentele magnetice intrinseci ale atomilor, moleculelor sau ionilor lor sunt direcționate aleatoriu.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în feromagneți

Datorită proprietății lor inerente de a fi magnetizați în mod spontan, feromagneții formează magneți naturali, care sunt cunoscuți omenirii încă din cele mai vechi timpuri. Proprietățile magice au fost atribuite magneților, au fost folosiți în diferite ritualuri religioase și chiar în construcția clădirilor. Primul prototip al busolei, inventat de chinezi în secolele II sau I î.Hr., a fost folosit de strămoșii iscoditori pentru a construi case după regulile Feng Shui. Utilizarea busolei ca mijloc de navigație a început încă din secolul al XI-lea pentru a traversa deșertul de-a lungul Marelui Drum al Mătăsii. Mai târziu, utilizarea busolei în afacerile maritime a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea navigației, descoperirea de noi terenuri și dezvoltarea de noi rute comerciale maritime.

Ferromagnetismul este o manifestare a proprietăților mecanice cuantice ale electronilor care au spin, adică. propriul moment magnetic dipol. Mai simplu spus, electronii se comportă ca niște magneți minusculi. Pentru fiecare finalizat învelișul de electroni un atom poate avea doar o pereche de electroni cu spini opuși, adică. câmpul magnetic al unor astfel de electroni este îndreptat în direcții opuse. Din această cauză, atomii cu un număr pereche de electroni au un moment magnetic total egal cu zero, prin urmare, numai atomii cu o înveliș exterioară neumplut și care au un număr nepereche de electroni sunt feromagneți.

Feromagneții includ metale din grupele de tranziție (fier, cupru, nichel) și metale din pământuri rare (gadoliniu, terbiu, disproziu, holmiu și erbiu), precum și aliaje ale acestor metale. Aliajele elementelor de mai sus cu materiale neferomagnetice sunt, de asemenea, feromagneți; aliaje și compuși ai cromului și manganului cu elemente neferomagnetice, precum și unele dintre metalele grupării actinidelor.

Feromagneții au o valoare a permeabilității magnetice mult mai mare decât unitatea; dependența magnetizării lor sub acțiunea unui câmp magnetic extern este neliniară și se caracterizează prin manifestarea histerezisului - dacă acțiunea câmpului magnetic este îndepărtată, feromagneții rămân magnetizați. Pentru a elimina această magnetizare reziduală, este necesar să se aplice un câmp invers.

Un grafic al dependenței permeabilității magnetice μ de intensitatea câmpului magnetic H într-un feromagnet, numit curbă Stoletov, arată că la intensitatea câmpului magnetic zero H = 0, permeabilitatea magnetică are o valoare mică μ₀; apoi, pe măsură ce intensitatea crește, permeabilitatea magnetică crește rapid până la un maxim μ max , apoi scade încet la zero.

Pionierul în studiul proprietăților feromagneților a fost fizicianul și chimistul rus Alexander Stoletov. Acum, curba de dependență a permeabilității magnetice de puterea câmpului magnetic îi poartă numele.

Materialele feromagnetice moderne sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie: multe tehnologii și dispozitive se bazează pe utilizarea lor și pe utilizarea fenomenului de inducție magnetică. De exemplu, în tehnologia calculatoarelor: primele generații de calculatoare aveau memorie pe miezuri de ferită, informațiile erau stocate pe benzi magnetice, dischete și hard disk-uri. Cu toate acestea, acestea din urmă sunt încă folosite în calculatoare și sunt produse în sute de milioane de bucăți pe an.

Utilizarea inducției magnetice în inginerie electrică și electronică

LA lumea modernă Există multe exemple de utilizare a inducției câmpului magnetic, în primul rând în inginerie electrică de putere: în generatoare de electricitate, transformatoare de tensiune, în diverse acționări electromagnetice ale diferitelor dispozitive, instrumente și mecanisme, în tehnologia de măsurare și în știință, în diferite instalații fizice pentru conducere. experimente, precum și în mijloacele de protecție electrică și oprire de urgență.

Motoare electrice, generatoare si transformatoare

În 1824, fizicianul și matematicianul englez Peter Barlow a descris motorul unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul motoarelor electrice moderne. curent continuu. Invenția este, de asemenea, valoroasă deoarece a fost realizată cu mult înainte de descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică.

În zilele noastre, aproape toate motoarele electrice folosesc forța Amperi, care acționează asupra unui circuit purtător de curent într-un câmp magnetic, determinându-l să se miște.

Pentru a demonstra fenomenul inducției magnetice, Faraday a creat o configurație experimentală în 1831, o parte importantă din care era un dispozitiv cunoscut acum sub numele de transformator toroidal. Principiul de funcționare al transformatorului Faraday este încă utilizat în toate transformatoarele moderne de tensiune și curent, indiferent de putere, design și domeniu.

În plus, Faraday a fundamentat științific și a demonstrat experimental posibilitatea de a converti mișcarea mecanică în electricitate folosind generatorul de curent continuu unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul tuturor generatoarelor de curent continuu.

Primul generator curent alternativ a fost creat de inventatorul francez Hippolyte Pixie în 1832. Mai târziu, la sugestia lui Ampere, a fost completat de un dispozitiv de comutare, care a făcut posibilă obținerea unui curent continuu pulsatoriu.

Aproape toate generatoarele de energie electrică care utilizează principiul inducției magnetice se bazează pe apariția unei forțe electromotoare într-un circuit închis, care se află într-un câmp magnetic în schimbare. În acest caz, fie rotorul magnetic se rotește în raport cu bobinele statorului fixe în generatoarele de curent alternativ, fie înfășurările rotorului se rotesc în raport cu magneții statori fix (jug) în generatoarele de curent continuu.

Cel mai puternic generator din lume, construit în 2013 pentru centrala nucleară Taishan de către compania chineză DongFang Electric, poate genera o putere de 1.750 MW.

În plus față de generatoarele de tip convențional și motoarele electrice asociate conversiei energie mecanicăîn energie electricași invers, există așa-numitele generatoare și motoare magnetohidrodinamice care funcționează pe un principiu diferit.

Relee și electromagneți

Electromagnetul, inventat de omul de știință american J. Henry, a devenit primul actuator electric și precursorul familiarului clopoțel electric. Mai târziu, pe baza sa, Henry a creat un releu electromagnetic, care a devenit primul dispozitiv de comutare automată cu o stare binară.

Microfon dinamic Shure utilizat într-un site de studio video

La transmiterea unui semnal telegrafic pe distanțe lungi, releele au fost folosite ca amplificatoare de curent continuu, schimbând conexiunea bateriilor externe ale stațiilor intermediare pentru transmiterea ulterioară a semnalului.

Capete și microfoane dinamice

În tehnologia audio modernă, sunt utilizate pe scară largă difuzoarele electromagnetice, sunetul în care apare datorită interacțiunii unei bobine mobile atașate unui con, prin care circulă un curent de frecvență audio, cu un câmp magnetic în golul unui fix. magnet permanent. Ca rezultat, bobina împreună cu difuzorul se mișcă și creează unde sonore.

Microfoanele dinamice folosesc același design ca și capul dinamic, dar într-un microfon, dimpotrivă, o bobină mobilă cu un mini-difuzor în golul unui magnet permanent fix oscilează sub influența unui semnal acustic și generează o frecvență electrică a sunetului. semnal.

Instrumente de măsură și senzori

În ciuda abundenței digitale moderne instrumente de masura, în tehnologia de măsurare se mai folosesc dispozitive de tip magnetoelectric, electromagnetic, electrodinamic, ferodinamic și de inducție.

Toate sistemele din tipurile de mai sus folosesc principiul interacțiunii câmpurilor magnetice sau a unui magnet permanent cu câmpul unei bobine cu curent, sau un miez feromagnetic cu câmpuri de bobine cu curent sau câmpuri magnetice ale bobinelor cu curent.

Datorită inerției relative a unor astfel de sisteme de măsurare, acestea sunt aplicabile pentru măsurarea valorilor medii ale variabilelor.

Informatii generale

În mod surprinzător, ideile unei persoane pot influența dezvoltarea ulterioară a societății umane în ansamblu. O astfel de persoană a fost Michael Faraday, care nu era prea versat în complexitatea matematicii contemporane, dar care a înțeles perfect semnificația fizică a informațiilor despre natura electricității și magnetismului cunoscute până atunci datorită conceptului de interacțiuni de câmp pe care l-a propus. .

Existența societății moderne, bazată pe utilizarea electricității, magnetismului și electrodinamicii, o datorăm unei galaxii de oameni de știință remarcabili. Printre aceștia trebuie remarcați Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz și, bineînțeles, Maxwell. În cele din urmă, au adus știința electricității și magnetismului într-o singură imagine, care a servit drept bază pentru o întreagă cohortă de inventatori care au creat premisele pentru apariția societății informaționale moderne cu creațiile lor.

Trăim înconjurați de motoare și generatoare electrice: ei sunt primii noștri asistenți în producție, transport și acasă. Orice persoană care se respectă nu își poate imagina existența fără frigider, aspirator și mașină de spălat. O prioritate este și un cuptor cu microunde, un uscător de păr, o râșniță de cafea, un mixer, un blender și - visul suprem - o mașină de tocat carne electrică și o mașină de pâine. Desigur, aerul condiționat este, de asemenea, un lucru teribil de util, dar dacă nu există fonduri pentru a-l achiziționa, atunci un simplu ventilator va face.

Pentru unii bărbați, solicitările sunt oarecum mai modeste: visul suprem al celui mai inept bărbat este o bormașină electrică. Unii dintre noi, încercând fără succes să pornească mașina în patruzeci de grade de îngheț și chinuind fără speranță demarorul (tot un motor electric), visează în secret să achiziționeze o mașină Tesla Motors cu motoare electrice și baterii pentru a uita pentru totdeauna de problemele benzinei. si motoare diesel.

Motoarele electrice sunt peste tot: ne duc în lifturi, ne transportă în metrouri, trenuri, tramvaie, troleibuze și trenuri de mare viteză. Ne aduc apă la podelele zgârie-norilor, funcționează fântâni, pompează apă din mine și fântâni, rulează oțel, ridică greutăți, lucrează în diverse macarale. Și fac o mulțime de alte lucruri utile, punând în mișcare mașini-unelte, unelte și mecanisme.

Chiar și exoscheletele pentru persoanele cu dizabilități și pentru militari sunt realizate folosind motoare electrice, ca să nu mai vorbim de o întreagă armată de roboți industriali și de cercetare.

Astăzi, motoarele electrice funcționează în spațiu - gândiți-vă doar la roverul Curiosity. Ei lucrează pe uscat, sub pământ, pe apă, sub apă și chiar în aer - dacă nu astăzi, atunci mâine (articol scris în noiembrie 2015) aeronava Solar Impulse 2 își va finaliza în sfârșit călătoria în jurul lumii și aeriană fără pilot. vehicule cu motoare electrice pur și simplu nu există numere. Nu fără motiv, corporații destul de serioase lucrează acum la servicii de livrare a corespondenței folosind vehicule aeriene fără pilot.

Referință istorică

Construită în 1800 de fizicianul italian Alessandro Volta, bateria chimică, numită mai târziu după inventatorul „coloana voltaică”, s-a dovedit cu adevărat a fi un „corn al belșugului” pentru oamenii de știință. A permis să pună în mișcare sarcini electrice în conductori, adică să creeze un curent electric. Noi descoperiri folosind coloana voltaică au urmat una după alta în diferite domenii ale fizicii și chimiei.

De exemplu, omul de știință englez Sir Humphrey Davy în 1807, studiind electroliza topiturii hidroxizilor de sodiu și potasiu, a obținut sodiu și potasiu metalic. Mai devreme, în 1801, a descoperit și arcul electric, deși rușii îl consideră a fi descoperitorul lui Vasily Vladimirovici Petrov. Petrov în 1802 a descris nu numai arcul în sine, ci și posibilitățile de aplicare practică a acestuia în scopul topirii, sudării metalelor și recuperării lor din minereuri, precum și iluminatului.

Dar cea mai importantă descoperire a fost făcută de fizicianul danez Hans Christian Oersted: la 21 aprilie 1820, în timpul unei demonstrații de experimente la o prelegere, a observat deviația acului busolei magnetice la pornirea și oprirea curentului electric care curge printr-un conductor sub forma unui fir. Astfel, pentru prima dată, a fost confirmată relația dintre electricitate și magnetism.

Următorul pas a fost făcut de fizicianul francez André Marie Ampère la câteva luni după ce s-a familiarizat cu experimentul lui Oersted. Este curios cursul de raționament al acestui om de știință, expus în mesajele trimise de el unul după altul Academiei Franceze de Științe. La început, observând rotirea acului busolei la un conductor cu curent, Ampère a sugerat că magnetismul Pământului este cauzat și de curenții care curg în jurul Pământului în direcția de la vest la est. Din aceasta el a concluzionat că proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin circulația curentului în interiorul acestuia. În plus, Ampère a concluzionat cu destulă îndrăzneală că proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia, iar interacțiunea magnetică se datorează nu unor sarcini magnetice speciale, ci pur și simplu mișcării sarcinilor electrice, adică curentului.

Ampère a început imediat un studiu experimental al acestei interacțiuni și a descoperit că conductorii cu curent care curge într-o direcție se atrag și se resping în direcția opusă. Conductorii reciproc perpendiculari nu interacționează între ei.

Este greu de rezistat să cităm legea descoperită de Ampère în propria sa formulare:

„Forța de interacțiune a sarcinilor în mișcare este proporțională cu produsul acestor sarcini, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, ca în legea lui Coulomb, dar, în plus, depinde și de vitezele acestor sarcini și de direcția mișcarea lor”.

Deci în fizică au fost descoperite forțe fundamentale în funcție de viteze.

Dar o adevărată descoperire în știința electricității și magnetismului a fost descoperirea de către Michael Faraday a fenomenului de inducție electromagnetică - apariția unui curent electric într-un circuit închis atunci când fluxul magnetic care trece prin acesta se modifică. Indiferent de Faraday, fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit și de Joseph Henry în 1832, care a descoperit pe parcurs fenomenul de autoinducție.

O demonstrație publică a lui Faraday pe 29 august 1831 a fost efectuată pe o instalație inventată de el, constând dintr-un stâlp voltaic, un întrerupător, un inel de fier, pe care erau înfășurate pe părți opuse două bobine identice de sârmă de cupru. Una dintre bobine a fost conectată la o baterie printr-un întrerupător, iar un galvanometru a fost conectat la capetele celeilalte. Când curentul a fost pornit și oprit, galvanometrul a înregistrat apariția unui curent de direcții diferite în a doua bobină.

În experimentele lui Faraday, un curent electric, numit curent de inducție, a apărut și atunci când un magnet a fost introdus în bobină sau scos din bobina încărcată pe circuitul de măsurare. În mod similar, curentul a apărut și atunci când bobina mai mică purtătoare de curent a fost introdusă/trasă înăuntru/din bobina mai mare din experimentul anterior. Mai mult, direcția curentului de inducție s-a schimbat în sens opus atunci când a fost introdus/extras un magnet sau o bobină mică cu curent în conformitate cu regula formulată de omul de știință rus Emil Khristianovici Lenz. în 1833.

Pe baza experimentelor efectuate, Faraday a derivat legea forței electromotoare, numită ulterior după el.

Ideile și rezultatele experimentelor lui Faraday au fost regândite și generalizate de un alt mare compatriot - genialul fizician și matematician englez James Clerk Maxwell - în cele patru ecuații diferențiale ale electrodinamicii, numite mai târziu ecuațiile lui Maxwell.

Trebuie remarcat faptul că în trei din cele patru ecuații Maxwell, inducția magnetică apare sub forma unui vector de câmp magnetic.

Inductie magnetica. Definiție

Inducția magnetică este o mărime fizică vectorială, care este o forță caracteristică unui câmp magnetic (acțiunea acestuia asupra particulelor încărcate) într-un punct dat din spațiu. Determină cât de puternic F câmpul magnetic acţionează asupra unei sarcini q, deplasându-se cu o viteză v. Notat printr-o literă latină LA(pronunțat vectorul B) și forța se calculează folosind formula:

F = q [v∙B]

Unde F este forța Lorentz care acționează din partea câmpului magnetic asupra sarcinii q; v- viteza de miscare a incarcarii; B- inducţia câmpului magnetic; [ v × B] - produsul încrucișat al vectorilor vși B.

Din punct de vedere algebric, expresia poate fi scrisă astfel:

F = q∙v∙B sinα

Unde α - unghiul dintre vectorii viteză și inducția magnetică. direcția vectorială F perpendicular pe amândouă și îndreptat după regula mâinii stângi.

Inducția magnetică este principala caracteristică fundamentală a unui câmp magnetic, similar vectorului intensității câmpului electric.

În Sistemul Internațional de Unități SI, inducția magnetică a câmpului este măsurată în tesla (T), în sistemul CGS - în gauss (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Alte mărimi de măsurare a inducției magnetice utilizate în diverse aplicații și conversia lor de la o mărime la alta, pot fi găsite în convertorul de mărimi fizice.

Instrumentele de măsurare pentru măsurarea mărimii inducției magnetice se numesc teslametre sau gausmetre.

Inducerea câmpului magnetic. Fizica fenomenelor

În funcție de reacția la un câmp magnetic extern, toate substanțele sunt împărțite în trei grupe:

• Diamagneții
• Paramagneți
• feromagneți

Termenii diamagnetism și paramagnetism au fost introduși de Faraday în 1845. Pentru cuantificarea acestor reacții a fost introdus conceptul de permeabilitate magnetică. În sistemul SI introdus absolut permeabilitatea magnetică, măsurată în H/m, și relativ permeabilitatea magnetică adimensională, egală cu raportul dintre permeabilitatea unui mediu dat și permeabilitatea la vid. Pentru diamagneți, permeabilitatea magnetică relativă este ceva mai mică decât unitatea, pentru paramagneți este ceva mai mare decât unitatea. La feromagneți, permeabilitatea magnetică este mult mai mare decât unitatea și este neliniară.

Fenomen diamagnetism Constă în capacitatea unei substanțe de a contracara influența unui câmp magnetic extern datorită magnetizării împotriva direcției sale. Adică, diamagneții sunt respinși de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii diamagnetului capătă un moment magnetic îndreptat împotriva câmpului extern.

Fenomen paramagnetism este capacitatea unei substanțe de a se magnetiza atunci când este expusă la un câmp magnetic extern. Spre deosebire de diamagneți, paramagneții sunt atrași de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii paramagnetului capătă un moment magnetic în direcția care coincide cu direcția câmpului magnetic extern. Când câmpul este îndepărtat, paramagneții nu rețin magnetizarea.

Fenomen feromagnetism este capacitatea unei substanțe de a magnetiza spontan în absența unui câmp magnetic extern sau de a fi magnetizată sub influența unui câmp magnetic extern și de a reține magnetizarea atunci când câmpul este îndepărtat. În acest caz, majoritatea momentelor magnetice ale atomilor, moleculelor sau ionilor sunt paralele între ele. Această ordine este menținută până la temperaturi sub o anumită temperatură critică, numită punctul Curie. La temperaturi peste punctul Curie pentru o anumită substanță, feromagneții se transformă în paramagneți.

Permeabilitatea magnetică a supraconductorilor este zero.

Permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproximativ egală cu permeabilitatea magnetică a vidului și în calculele tehnice este luată egală cu 4π 10 ⁻⁷ H/m

Particularități ale comportamentului câmpului magnetic în Diamagneți

După cum sa menționat mai sus, materialele diamagnetice creează un câmp magnetic indus îndreptat împotriva unui câmp magnetic extern. Diamagnetismul este un efect mecanic cuantic inerent tuturor substanțelor. În paramagneți și feromagneți, este nivelat datorită altor efecte mai puternice.

Diamagneţii includ, de exemplu, substanţe cum ar fi gaze inerte, azot, hidrogen, siliciu, fosfor şi carbon pirolitic; unele metale - bismut, zinc, cupru, aur, argint. Mulți alți compuși anorganici și organici sunt, de asemenea, diamagnetici, inclusiv apa.

Într-un câmp magnetic neomogen, diamagneții sunt deplasați într-o regiune a unui câmp mai slab. Liniile de forță magnetice sunt, parcă, împinse în afara corpului de materiale diamagnetice. Fenomenul de levitație diamagnetică se bazează pe această proprietate. Într-un câmp magnetic suficient de puternic creat de magneții moderni, este posibil să levitați nu numai diamagneți, ci și mici ființe vii, constând în principal din apă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Niemingen, Țările de Jos, au reușit să atârne o broască în aer într-un câmp cu o inducție magnetică de aproximativ 16 T, iar cercetătorii de la un laborator NASA folosind un magnet supraconductor - levitația unui șoarece, care, ca un obiect biologic, este mult mai aproape de o persoană decât de o broască.

Toți conductorii prezintă diamagnetism atunci când sunt expuși la un câmp magnetic alternativ.

Esența fenomenului este că sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ, în conductori sunt induși curenți turbionari - curenți Foucault - dirijați împotriva acțiunii unui câmp magnetic extern.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în paramagneți

Interacțiunea unui câmp magnetic cu paramagneții este complet diferită. Deoarece atomii, moleculele sau ionii materialelor paramagnetice au propriul lor moment magnetic, ei se aliniază în direcția câmpului magnetic extern. Acest lucru creează un câmp magnetic rezultat care este mai mare decât câmpul original.

Paramagneții includ aluminiu, platină, metale alcaline și alcalino-pământoase, litiu, cesiu, sodiu, magneziu, wolfram, precum și aliaje ale acestor metale. Oxigenul, oxidul nitric, oxidul de mangan, clorura ferică și mulți alți compuși chimici sunt, de asemenea, paramagnetici.

Paramagneții sunt substanțe slab magnetice, permeabilitatea lor magnetică este puțin mai mult decât unitatea. Într-un câmp magnetic neomogen, paramagneții sunt atrași în regiunea unui câmp mai puternic. În absența unui câmp magnetic, paramagneții nu rețin magnetizarea, deoarece din cauza mișcării termice, momentele magnetice intrinseci ale atomilor, moleculelor sau ionilor lor sunt direcționate aleatoriu.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în feromagneți

Datorită proprietății lor inerente de a fi magnetizați în mod spontan, feromagneții formează magneți naturali, care sunt cunoscuți omenirii încă din cele mai vechi timpuri. Proprietățile magice au fost atribuite magneților, au fost folosiți în diferite ritualuri religioase și chiar în construcția clădirilor. Primul prototip al busolei, inventat de chinezi în secolele II sau I î.Hr., a fost folosit de strămoșii iscoditori pentru a construi case după regulile Feng Shui. Utilizarea busolei ca mijloc de navigație a început încă din secolul al XI-lea pentru a traversa deșertul de-a lungul Marelui Drum al Mătăsii. Mai târziu, utilizarea busolei în afacerile maritime a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea navigației, descoperirea de noi terenuri și dezvoltarea de noi rute comerciale maritime.

Ferromagnetismul este o manifestare a proprietăților mecanice cuantice ale electronilor care au spin, adică. propriul moment magnetic dipol. Mai simplu spus, electronii se comportă ca niște magneți minusculi. Fiecare înveliș de electroni umplut al unui atom poate conține doar o pereche de electroni cu spini opuși, adică. câmpul magnetic al unor astfel de electroni este îndreptat în direcții opuse. Din această cauză, atomii cu un număr pereche de electroni au un moment magnetic total egal cu zero, prin urmare, numai atomii cu o înveliș exterioară neumplut și care au un număr nepereche de electroni sunt feromagneți.

Feromagneții includ metale din grupele de tranziție (fier, cupru, nichel) și metale din pământuri rare (gadoliniu, terbiu, disproziu, holmiu și erbiu), precum și aliaje ale acestor metale. Aliajele elementelor de mai sus cu materiale neferomagnetice sunt, de asemenea, feromagneți; aliaje și compuși ai cromului și manganului cu elemente neferomagnetice, precum și unele dintre metalele grupării actinidelor.

Feromagneții au o valoare a permeabilității magnetice mult mai mare decât unitatea; dependența magnetizării lor sub acțiunea unui câmp magnetic extern este neliniară și se caracterizează prin manifestarea histerezisului - dacă acțiunea câmpului magnetic este îndepărtată, feromagneții rămân magnetizați. Pentru a elimina această magnetizare reziduală, este necesar să se aplice un câmp invers.

Un grafic al dependenței permeabilității magnetice μ de intensitatea câmpului magnetic H într-un feromagnet, numit curbă Stoletov, arată că la intensitatea câmpului magnetic zero H = 0, permeabilitatea magnetică are o valoare mică μ₀; apoi, pe măsură ce intensitatea crește, permeabilitatea magnetică crește rapid până la un maxim μ max , apoi scade încet la zero.

Pionierul în studiul proprietăților feromagneților a fost fizicianul și chimistul rus Alexander Stoletov. Acum, curba de dependență a permeabilității magnetice de puterea câmpului magnetic îi poartă numele.

Materialele feromagnetice moderne sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie: multe tehnologii și dispozitive se bazează pe utilizarea lor și pe utilizarea fenomenului de inducție magnetică. De exemplu, în tehnologia calculatoarelor: primele generații de calculatoare aveau memorie pe miezuri de ferită, informațiile erau stocate pe benzi magnetice, dischete și hard disk-uri. Cu toate acestea, acestea din urmă sunt încă folosite în calculatoare și sunt produse în sute de milioane de bucăți pe an.

Utilizarea inducției magnetice în inginerie electrică și electronică

În lumea modernă, există multe exemple de utilizare a inducției câmpului magnetic, în primul rând în inginerie electrică de putere: în generatoare de energie electrică, transformatoare de tensiune, în diverse acționări electromagnetice ale diferitelor dispozitive, instrumente și mecanisme, în tehnologia de măsurare și în știință, în diverse instalații fizice pentru experimente. , precum și în mijloacele de protecție electrică și oprire de urgență.

Motoare electrice, generatoare si transformatoare

În 1824, fizicianul și matematicianul englez Peter Barlow a descris motorul unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul motoarelor electrice cu curent continuu moderne. Invenția este, de asemenea, valoroasă deoarece a fost realizată cu mult înainte de descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică.

În zilele noastre, aproape toate motoarele electrice folosesc forța Amperi, care acționează asupra unui circuit purtător de curent într-un câmp magnetic, determinându-l să se miște.

Pentru a demonstra fenomenul inducției magnetice, Faraday a creat o configurație experimentală în 1831, o parte importantă din care era un dispozitiv cunoscut acum sub numele de transformator toroidal. Principiul de funcționare al transformatorului Faraday este încă utilizat în toate transformatoarele moderne de tensiune și curent, indiferent de putere, design și domeniu.

În plus, Faraday a fundamentat științific și a demonstrat experimental posibilitatea de a converti mișcarea mecanică în electricitate folosind generatorul de curent continuu unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul tuturor generatoarelor de curent continuu.

Primul generator de curent alternativ a fost creat de inventatorul francez Hippolyte Pixie în 1832. Mai târziu, la sugestia lui Ampere, a fost completat de un dispozitiv de comutare, care a făcut posibilă obținerea unui curent continuu pulsatoriu.

Aproape toate generatoarele de energie electrică care utilizează principiul inducției magnetice se bazează pe apariția unei forțe electromotoare într-un circuit închis, care se află într-un câmp magnetic în schimbare. În acest caz, fie rotorul magnetic se rotește în raport cu bobinele statorului fixe în generatoarele de curent alternativ, fie înfășurările rotorului se rotesc în raport cu magneții statori fix (jug) în generatoarele de curent continuu.

Cel mai puternic generator din lume, construit în 2013 pentru centrala nucleară Taishan de către compania chineză DongFang Electric, poate genera o putere de 1.750 MW.

Pe lângă generatoarele și motoarele electrice de tip tradițional, asociate cu conversia energiei mecanice în energie electrică și invers, există așa-numitele generatoare și motoare magnetohidrodinamice care funcționează pe un principiu diferit.

Relee și electromagneți

Electromagnetul, inventat de omul de știință american J. Henry, a devenit primul actuator electric și precursorul familiarului clopoțel electric. Mai târziu, pe baza sa, Henry a creat un releu electromagnetic, care a devenit primul dispozitiv de comutare automată cu o stare binară.

Microfon dinamic Shure utilizat într-un site de studio video

La transmiterea unui semnal telegrafic pe distanțe lungi, releele au fost folosite ca amplificatoare de curent continuu, schimbând conexiunea bateriilor externe ale stațiilor intermediare pentru transmiterea ulterioară a semnalului.

Capete și microfoane dinamice

În tehnologia audio modernă sunt utilizate pe scară largă difuzoarele electromagnetice, sunetul în care apare datorită interacțiunii unei bobine mobile atașate unui con, prin care circulă un curent de frecvență audio, cu un câmp magnetic în golul unui magnet permanent fix. Ca rezultat, bobina împreună cu difuzorul se mișcă și creează unde sonore.

Microfoanele dinamice folosesc același design ca și capul dinamic, dar într-un microfon, dimpotrivă, o bobină mobilă cu un mini-difuzor în golul unui magnet permanent fix oscilează sub influența unui semnal acustic și generează o frecvență electrică a sunetului. semnal.

Instrumente de măsură și senzori

În ciuda abundenței instrumentelor de măsurare digitale moderne, dispozitivele de tip magnetoelectric, electromagnetic, electrodinamic, ferodinamic și de inducție sunt încă utilizate în tehnologia de măsurare.

Toate sistemele din tipurile de mai sus folosesc principiul interacțiunii câmpurilor magnetice sau a unui magnet permanent cu câmpul unei bobine cu curent, sau un miez feromagnetic cu câmpuri de bobine cu curent sau câmpuri magnetice ale bobinelor cu curent.

Datorită inerției relative a unor astfel de sisteme de măsurare, acestea sunt aplicabile pentru măsurarea valorilor medii ale variabilelor.

Informatii generale

În mod surprinzător, ideile unei persoane pot influența dezvoltarea ulterioară a societății umane în ansamblu. O astfel de persoană a fost Michael Faraday, care nu era prea versat în complexitatea matematicii contemporane, dar care a înțeles perfect semnificația fizică a informațiilor despre natura electricității și magnetismului cunoscute până atunci datorită conceptului de interacțiuni de câmp pe care l-a propus. .

Existența societății moderne, bazată pe utilizarea electricității, magnetismului și electrodinamicii, o datorăm unei galaxii de oameni de știință remarcabili. Printre aceștia trebuie remarcați Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz și, bineînțeles, Maxwell. În cele din urmă, au adus știința electricității și magnetismului într-o singură imagine, care a servit drept bază pentru o întreagă cohortă de inventatori care au creat premisele pentru apariția societății informaționale moderne cu creațiile lor.

Trăim înconjurați de motoare și generatoare electrice: ei sunt primii noștri asistenți în producție, transport și acasă. Orice persoană care se respectă nu își poate imagina existența fără frigider, aspirator și mașină de spălat. O prioritate este și un cuptor cu microunde, un uscător de păr, o râșniță de cafea, un mixer, un blender și - visul suprem - o mașină de tocat carne electrică și o mașină de pâine. Desigur, aerul condiționat este, de asemenea, un lucru teribil de util, dar dacă nu există fonduri pentru a-l achiziționa, atunci un simplu ventilator va face.

Pentru unii bărbați, solicitările sunt oarecum mai modeste: visul suprem al celui mai inept bărbat este o bormașină electrică. Unii dintre noi, încercând fără succes să pornească mașina în patruzeci de grade de îngheț și chinuind fără speranță demarorul (tot un motor electric), visează în secret să achiziționeze o mașină Tesla Motors cu motoare electrice și baterii pentru a uita pentru totdeauna de problemele benzinei. si motoare diesel.

Motoarele electrice sunt peste tot: ne duc în lifturi, ne transportă în metrouri, trenuri, tramvaie, troleibuze și trenuri de mare viteză. Ne aduc apă la podelele zgârie-norilor, funcționează fântâni, pompează apă din mine și fântâni, rulează oțel, ridică greutăți, lucrează în diverse macarale. Și fac o mulțime de alte lucruri utile, punând în mișcare mașini-unelte, unelte și mecanisme.

Chiar și exoscheletele pentru persoanele cu dizabilități și pentru militari sunt realizate folosind motoare electrice, ca să nu mai vorbim de o întreagă armată de roboți industriali și de cercetare.

Astăzi, motoarele electrice funcționează în spațiu - gândiți-vă doar la roverul Curiosity. Ei lucrează pe uscat, sub pământ, pe apă, sub apă și chiar în aer - dacă nu astăzi, atunci mâine (articol scris în noiembrie 2015) aeronava Solar Impulse 2 își va finaliza în sfârșit călătoria în jurul lumii și aeriană fără pilot. vehicule cu motoare electrice pur și simplu nu există numere. Nu fără motiv, corporații destul de serioase lucrează acum la servicii de livrare a corespondenței folosind vehicule aeriene fără pilot.

Referință istorică

Construită în 1800 de fizicianul italian Alessandro Volta, bateria chimică, numită mai târziu după inventatorul „coloana voltaică”, s-a dovedit cu adevărat a fi un „corn al belșugului” pentru oamenii de știință. A permis să pună în mișcare sarcini electrice în conductori, adică să creeze un curent electric. Noi descoperiri folosind coloana voltaică au urmat una după alta în diferite domenii ale fizicii și chimiei.

De exemplu, omul de știință englez Sir Humphrey Davy în 1807, studiind electroliza topiturii hidroxizilor de sodiu și potasiu, a obținut sodiu și potasiu metalic. Mai devreme, în 1801, a descoperit și arcul electric, deși rușii îl consideră a fi descoperitorul lui Vasily Vladimirovici Petrov. Petrov în 1802 a descris nu numai arcul în sine, ci și posibilitățile de aplicare practică a acestuia în scopul topirii, sudării metalelor și recuperării lor din minereuri, precum și iluminatului.

Dar cea mai importantă descoperire a fost făcută de fizicianul danez Hans Christian Oersted: la 21 aprilie 1820, în timpul unei demonstrații de experimente la o prelegere, a observat deviația acului busolei magnetice la pornirea și oprirea curentului electric care curge printr-un conductor sub forma unui fir. Astfel, pentru prima dată, a fost confirmată relația dintre electricitate și magnetism.

Următorul pas a fost făcut de fizicianul francez André Marie Ampère la câteva luni după ce s-a familiarizat cu experimentul lui Oersted. Este curios cursul de raționament al acestui om de știință, expus în mesajele trimise de el unul după altul Academiei Franceze de Științe. La început, observând rotirea acului busolei la un conductor cu curent, Ampère a sugerat că magnetismul Pământului este cauzat și de curenții care curg în jurul Pământului în direcția de la vest la est. Din aceasta el a concluzionat că proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin circulația curentului în interiorul acestuia. În plus, Ampère a concluzionat cu destulă îndrăzneală că proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia, iar interacțiunea magnetică se datorează nu unor sarcini magnetice speciale, ci pur și simplu mișcării sarcinilor electrice, adică curentului.

Ampère a început imediat un studiu experimental al acestei interacțiuni și a descoperit că conductorii cu curent care curge într-o direcție se atrag și se resping în direcția opusă. Conductorii reciproc perpendiculari nu interacționează între ei.

Este greu de rezistat să cităm legea descoperită de Ampère în propria sa formulare:

„Forța de interacțiune a sarcinilor în mișcare este proporțională cu produsul acestor sarcini, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, ca în legea lui Coulomb, dar, în plus, depinde și de vitezele acestor sarcini și de direcția mișcarea lor”.

Deci în fizică au fost descoperite forțe fundamentale în funcție de viteze.

Dar o adevărată descoperire în știința electricității și magnetismului a fost descoperirea de către Michael Faraday a fenomenului de inducție electromagnetică - apariția unui curent electric într-un circuit închis atunci când fluxul magnetic care trece prin acesta se modifică. Indiferent de Faraday, fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit și de Joseph Henry în 1832, care a descoperit pe parcurs fenomenul de autoinducție.

O demonstrație publică a lui Faraday pe 29 august 1831 a fost efectuată pe o instalație inventată de el, constând dintr-un stâlp voltaic, un întrerupător, un inel de fier, pe care erau înfășurate pe părți opuse două bobine identice de sârmă de cupru. Una dintre bobine a fost conectată la o baterie printr-un întrerupător, iar un galvanometru a fost conectat la capetele celeilalte. Când curentul a fost pornit și oprit, galvanometrul a înregistrat apariția unui curent de direcții diferite în a doua bobină.

În experimentele lui Faraday, un curent electric, numit curent de inducție, a apărut și atunci când un magnet a fost introdus în bobină sau scos din bobina încărcată pe circuitul de măsurare. În mod similar, curentul a apărut și atunci când bobina mai mică purtătoare de curent a fost introdusă/trasă înăuntru/din bobina mai mare din experimentul anterior. Mai mult, direcția curentului de inducție s-a schimbat în sens opus atunci când a fost introdus/extras un magnet sau o bobină mică cu curent în conformitate cu regula formulată de omul de știință rus Emil Khristianovici Lenz. în 1833.

Pe baza experimentelor efectuate, Faraday a derivat legea forței electromotoare, numită ulterior după el.

Ideile și rezultatele experimentelor lui Faraday au fost regândite și generalizate de un alt mare compatriot - genialul fizician și matematician englez James Clerk Maxwell - în cele patru ecuații diferențiale ale electrodinamicii, numite mai târziu ecuațiile lui Maxwell.

Trebuie remarcat faptul că în trei din cele patru ecuații Maxwell, inducția magnetică apare sub forma unui vector de câmp magnetic.

Inductie magnetica. Definiție

Inducția magnetică este o mărime fizică vectorială, care este o forță caracteristică unui câmp magnetic (acțiunea acestuia asupra particulelor încărcate) într-un punct dat din spațiu. Determină cât de puternic F câmpul magnetic acţionează asupra unei sarcini q, deplasându-se cu o viteză v. Notat printr-o literă latină LA(pronunțat vectorul B) și forța se calculează folosind formula:

F = q [v∙B]

Unde F este forța Lorentz care acționează din partea câmpului magnetic asupra sarcinii q; v- viteza de miscare a incarcarii; B- inducţia câmpului magnetic; [ v × B] - produsul încrucișat al vectorilor vși B.

Din punct de vedere algebric, expresia poate fi scrisă astfel:

F = q∙v∙B sinα

Unde α - unghiul dintre vectorii viteză și inducția magnetică. direcția vectorială F perpendicular pe amândouă și îndreptat după regula mâinii stângi.

Inducția magnetică este principala caracteristică fundamentală a unui câmp magnetic, similar vectorului intensității câmpului electric.

În Sistemul Internațional de Unități SI, inducția magnetică a câmpului este măsurată în tesla (T), în sistemul CGS - în gauss (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Alte mărimi de măsurare a inducției magnetice utilizate în diverse aplicații și conversia lor de la o mărime la alta, pot fi găsite în convertorul de mărimi fizice.

Instrumentele de măsurare pentru măsurarea mărimii inducției magnetice se numesc teslametre sau gausmetre.

Inducerea câmpului magnetic. Fizica fenomenelor

În funcție de reacția la un câmp magnetic extern, toate substanțele sunt împărțite în trei grupe:

• Diamagneții
• Paramagneți
• feromagneți

Termenii diamagnetism și paramagnetism au fost introduși de Faraday în 1845. Pentru cuantificarea acestor reacții a fost introdus conceptul de permeabilitate magnetică. În sistemul SI introdus absolut permeabilitatea magnetică, măsurată în H/m, și relativ permeabilitatea magnetică adimensională, egală cu raportul dintre permeabilitatea unui mediu dat și permeabilitatea la vid. Pentru diamagneți, permeabilitatea magnetică relativă este ceva mai mică decât unitatea, pentru paramagneți este ceva mai mare decât unitatea. La feromagneți, permeabilitatea magnetică este mult mai mare decât unitatea și este neliniară.

Fenomen diamagnetism Constă în capacitatea unei substanțe de a contracara influența unui câmp magnetic extern datorită magnetizării împotriva direcției sale. Adică, diamagneții sunt respinși de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii diamagnetului capătă un moment magnetic îndreptat împotriva câmpului extern.

Fenomen paramagnetism este capacitatea unei substanțe de a se magnetiza atunci când este expusă la un câmp magnetic extern. Spre deosebire de diamagneți, paramagneții sunt atrași de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii paramagnetului capătă un moment magnetic în direcția care coincide cu direcția câmpului magnetic extern. Când câmpul este îndepărtat, paramagneții nu rețin magnetizarea.

Fenomen feromagnetism este capacitatea unei substanțe de a magnetiza spontan în absența unui câmp magnetic extern sau de a fi magnetizată sub influența unui câmp magnetic extern și de a reține magnetizarea atunci când câmpul este îndepărtat. În acest caz, majoritatea momentelor magnetice ale atomilor, moleculelor sau ionilor sunt paralele între ele. Această ordine este menținută până la temperaturi sub o anumită temperatură critică, numită punctul Curie. La temperaturi peste punctul Curie pentru o anumită substanță, feromagneții se transformă în paramagneți.

Permeabilitatea magnetică a supraconductorilor este zero.

Permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproximativ egală cu permeabilitatea magnetică a vidului și în calculele tehnice este luată egală cu 4π 10 ⁻⁷ H/m

Particularități ale comportamentului câmpului magnetic în Diamagneți

După cum sa menționat mai sus, materialele diamagnetice creează un câmp magnetic indus îndreptat împotriva unui câmp magnetic extern. Diamagnetismul este un efect mecanic cuantic inerent tuturor substanțelor. În paramagneți și feromagneți, este nivelat datorită altor efecte mai puternice.

Diamagneţii includ, de exemplu, substanţe cum ar fi gaze inerte, azot, hidrogen, siliciu, fosfor şi carbon pirolitic; unele metale - bismut, zinc, cupru, aur, argint. Mulți alți compuși anorganici și organici sunt, de asemenea, diamagnetici, inclusiv apa.

Într-un câmp magnetic neomogen, diamagneții sunt deplasați într-o regiune a unui câmp mai slab. Liniile de forță magnetice sunt, parcă, împinse în afara corpului de materiale diamagnetice. Fenomenul de levitație diamagnetică se bazează pe această proprietate. Într-un câmp magnetic suficient de puternic creat de magneții moderni, este posibil să levitați nu numai diamagneți, ci și mici ființe vii, constând în principal din apă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Niemingen, Țările de Jos, au reușit să atârne o broască în aer într-un câmp cu o inducție magnetică de aproximativ 16 T, iar cercetătorii de la un laborator NASA folosind un magnet supraconductor - levitația unui șoarece, care, ca un obiect biologic, este mult mai aproape de o persoană decât de o broască.

Toți conductorii prezintă diamagnetism atunci când sunt expuși la un câmp magnetic alternativ.

Esența fenomenului este că sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ, în conductori sunt induși curenți turbionari - curenți Foucault - dirijați împotriva acțiunii unui câmp magnetic extern.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în paramagneți

Interacțiunea unui câmp magnetic cu paramagneții este complet diferită. Deoarece atomii, moleculele sau ionii materialelor paramagnetice au propriul lor moment magnetic, ei se aliniază în direcția câmpului magnetic extern. Acest lucru creează un câmp magnetic rezultat care este mai mare decât câmpul original.

Paramagneții includ aluminiu, platină, metale alcaline și alcalino-pământoase, litiu, cesiu, sodiu, magneziu, wolfram, precum și aliaje ale acestor metale. Oxigenul, oxidul nitric, oxidul de mangan, clorura ferică și mulți alți compuși chimici sunt, de asemenea, paramagnetici.

Paramagneții sunt substanțe slab magnetice, permeabilitatea lor magnetică este puțin mai mult decât unitatea. Într-un câmp magnetic neomogen, paramagneții sunt atrași în regiunea unui câmp mai puternic. În absența unui câmp magnetic, paramagneții nu rețin magnetizarea, deoarece din cauza mișcării termice, momentele magnetice intrinseci ale atomilor, moleculelor sau ionilor lor sunt direcționate aleatoriu.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în feromagneți

Datorită proprietății lor inerente de a fi magnetizați în mod spontan, feromagneții formează magneți naturali, care sunt cunoscuți omenirii încă din cele mai vechi timpuri. Proprietățile magice au fost atribuite magneților, au fost folosiți în diferite ritualuri religioase și chiar în construcția clădirilor. Primul prototip al busolei, inventat de chinezi în secolele II sau I î.Hr., a fost folosit de strămoșii iscoditori pentru a construi case după regulile Feng Shui. Utilizarea busolei ca mijloc de navigație a început încă din secolul al XI-lea pentru a traversa deșertul de-a lungul Marelui Drum al Mătăsii. Mai târziu, utilizarea busolei în afacerile maritime a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea navigației, descoperirea de noi terenuri și dezvoltarea de noi rute comerciale maritime.

Ferromagnetismul este o manifestare a proprietăților mecanice cuantice ale electronilor care au spin, adică. propriul moment magnetic dipol. Mai simplu spus, electronii se comportă ca niște magneți minusculi. Fiecare înveliș de electroni umplut al unui atom poate conține doar o pereche de electroni cu spini opuși, adică. câmpul magnetic al unor astfel de electroni este îndreptat în direcții opuse. Din această cauză, atomii cu un număr pereche de electroni au un moment magnetic total egal cu zero, prin urmare, numai atomii cu o înveliș exterioară neumplut și care au un număr nepereche de electroni sunt feromagneți.

Feromagneții includ metale din grupele de tranziție (fier, cupru, nichel) și metale din pământuri rare (gadoliniu, terbiu, disproziu, holmiu și erbiu), precum și aliaje ale acestor metale. Aliajele elementelor de mai sus cu materiale neferomagnetice sunt, de asemenea, feromagneți; aliaje și compuși ai cromului și manganului cu elemente neferomagnetice, precum și unele dintre metalele grupării actinidelor.

Feromagneții au o valoare a permeabilității magnetice mult mai mare decât unitatea; dependența magnetizării lor sub acțiunea unui câmp magnetic extern este neliniară și se caracterizează prin manifestarea histerezisului - dacă acțiunea câmpului magnetic este îndepărtată, feromagneții rămân magnetizați. Pentru a elimina această magnetizare reziduală, este necesar să se aplice un câmp invers.

Un grafic al dependenței permeabilității magnetice μ de intensitatea câmpului magnetic H într-un feromagnet, numit curbă Stoletov, arată că la intensitatea câmpului magnetic zero H = 0, permeabilitatea magnetică are o valoare mică μ₀; apoi, pe măsură ce intensitatea crește, permeabilitatea magnetică crește rapid până la un maxim μ max , apoi scade încet la zero.

Pionierul în studiul proprietăților feromagneților a fost fizicianul și chimistul rus Alexander Stoletov. Acum, curba de dependență a permeabilității magnetice de puterea câmpului magnetic îi poartă numele.

Materialele feromagnetice moderne sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie: multe tehnologii și dispozitive se bazează pe utilizarea lor și pe utilizarea fenomenului de inducție magnetică. De exemplu, în tehnologia calculatoarelor: primele generații de calculatoare aveau memorie pe miezuri de ferită, informațiile erau stocate pe benzi magnetice, dischete și hard disk-uri. Cu toate acestea, acestea din urmă sunt încă folosite în calculatoare și sunt produse în sute de milioane de bucăți pe an.

Utilizarea inducției magnetice în inginerie electrică și electronică

În lumea modernă, există multe exemple de utilizare a inducției câmpului magnetic, în primul rând în inginerie electrică de putere: în generatoare de energie electrică, transformatoare de tensiune, în diverse acționări electromagnetice ale diferitelor dispozitive, instrumente și mecanisme, în tehnologia de măsurare și în știință, în diverse instalații fizice pentru experimente. , precum și în mijloacele de protecție electrică și oprire de urgență.

Motoare electrice, generatoare si transformatoare

În 1824, fizicianul și matematicianul englez Peter Barlow a descris motorul unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul motoarelor electrice cu curent continuu moderne. Invenția este, de asemenea, valoroasă deoarece a fost realizată cu mult înainte de descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică.

În zilele noastre, aproape toate motoarele electrice folosesc forța Amperi, care acționează asupra unui circuit purtător de curent într-un câmp magnetic, determinându-l să se miște.

Pentru a demonstra fenomenul inducției magnetice, Faraday a creat o configurație experimentală în 1831, o parte importantă din care era un dispozitiv cunoscut acum sub numele de transformator toroidal. Principiul de funcționare al transformatorului Faraday este încă utilizat în toate transformatoarele moderne de tensiune și curent, indiferent de putere, design și domeniu.

În plus, Faraday a fundamentat științific și a demonstrat experimental posibilitatea de a converti mișcarea mecanică în electricitate folosind generatorul de curent continuu unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul tuturor generatoarelor de curent continuu.

Primul generator de curent alternativ a fost creat de inventatorul francez Hippolyte Pixie în 1832. Mai târziu, la sugestia lui Ampere, a fost completat de un dispozitiv de comutare, care a făcut posibilă obținerea unui curent continuu pulsatoriu.

Aproape toate generatoarele de energie electrică care utilizează principiul inducției magnetice se bazează pe apariția unei forțe electromotoare într-un circuit închis, care se află într-un câmp magnetic în schimbare. În acest caz, fie rotorul magnetic se rotește în raport cu bobinele statorului fixe în generatoarele de curent alternativ, fie înfășurările rotorului se rotesc în raport cu magneții statori fix (jug) în generatoarele de curent continuu.

Cel mai puternic generator din lume, construit în 2013 pentru centrala nucleară Taishan de către compania chineză DongFang Electric, poate genera o putere de 1.750 MW.

Pe lângă generatoarele și motoarele electrice de tip tradițional, asociate cu conversia energiei mecanice în energie electrică și invers, există așa-numitele generatoare și motoare magnetohidrodinamice care funcționează pe un principiu diferit.

Relee și electromagneți

Electromagnetul, inventat de omul de știință american J. Henry, a devenit primul actuator electric și precursorul familiarului clopoțel electric. Mai târziu, pe baza sa, Henry a creat un releu electromagnetic, care a devenit primul dispozitiv de comutare automată cu o stare binară.

Microfon dinamic Shure utilizat într-un site de studio video

La transmiterea unui semnal telegrafic pe distanțe lungi, releele au fost folosite ca amplificatoare de curent continuu, schimbând conexiunea bateriilor externe ale stațiilor intermediare pentru transmiterea ulterioară a semnalului.

Capete și microfoane dinamice

În tehnologia audio modernă sunt utilizate pe scară largă difuzoarele electromagnetice, sunetul în care apare datorită interacțiunii unei bobine mobile atașate unui con, prin care circulă un curent de frecvență audio, cu un câmp magnetic în golul unui magnet permanent fix. Ca rezultat, bobina împreună cu difuzorul se mișcă și creează unde sonore.

Microfoanele dinamice folosesc același design ca și capul dinamic, dar într-un microfon, dimpotrivă, o bobină mobilă cu un mini-difuzor în golul unui magnet permanent fix oscilează sub influența unui semnal acustic și generează o frecvență electrică a sunetului. semnal.

Instrumente de măsură și senzori

În ciuda abundenței instrumentelor de măsurare digitale moderne, dispozitivele de tip magnetoelectric, electromagnetic, electrodinamic, ferodinamic și de inducție sunt încă utilizate în tehnologia de măsurare.

Toate sistemele din tipurile de mai sus folosesc principiul interacțiunii câmpurilor magnetice sau a unui magnet permanent cu câmpul unei bobine cu curent, sau un miez feromagnetic cu câmpuri de bobine cu curent sau câmpuri magnetice ale bobinelor cu curent.

Datorită inerției relative a unor astfel de sisteme de măsurare, acestea sunt aplicabile pentru măsurarea valorilor medii ale variabilelor.

Puterea câmpului magnetic nu este mărimea principală care caracterizează câmpul magnetic, deși definiția intensității este valabilă pentru calculul bobinelor fără circuit magnetic.

Pentru o bobină cu circuit magnetic, mărimea principală care caracterizează câmpul magnetic este inducția magnetică B. Aceasta este o mărime vectorială, adică. ea (ca si tensiunea) este data de o valoare numerica si directie in spatiu. Inducția magnetică este determinată de forța care acționează asupra unei particule încărcate în mișcare. Când înfățișați o imagine a unui câmp magnetic folosind linii magnetice, acestea sunt desenate mai groase în acea parte a câmpului în care există mai multă inducție.

Unitatea de măsură pentru inducția magnetică este tesla (T). Anterior, a fost folosită o altă unitate de măsură a inducției magnetice - gauss (Gs).

Aceste unități sunt legate prin raportul: 1Tl = 10000Gs.

Produsul inducției magnetice B și aria S perpendicular pe vectorul de inducție magnetică ( linii magnetice), se numește flux magnetic F. Astfel, fluxul magnetic:

Unitatea de măsură a fluxului magnetic este weber(Wb). Cu aceeași intensitate a câmpului magnetic H, în diferite materiale se obțin inducții magnetice diferite B. Raportul B / H se numește permeabilitatea magnetică absolută a materialului μ a, adică.

Permeabilitatea magnetică absolută a materialului μ a este egală cu produsul dintre constanta magnetică (permeabilitatea magnetică a vidului) μ 0 și permeabilitatea magnetică relativă μ r:

raoorropor

M constantă magnetică

H/m (Henry pe metru, Henry este unitatea de măsură pentru inductanță).

Valoarea lui μ r arată de câte ori μ a materialului este mai mare decât constanta magnetică μ 0 .

Într-un material a cărui permeabilitate magnetică este egală cu μ r,

și în vid (practic în aer)

unde V este exprimat în tesla și H în A/m.

La măsurarea inducției magnetice în gauss și a intensității câmpului magnetic în A/cm, pentru inducția magnetică în aer obținem:

Pentru materialele feromagnetice, permeabilitatea magnetică relativă μ r este de multe ori mai mare decât 1, se modifică odată cu modificarea inducției B. Relația dintre B și H pentru materialele feromagnetice este adesea trasată ca curbe de magnetizare.

În probleme practice (circuite magnetice ale mașinilor și dispozitivelor electrice) pentru calcularea forței de tracțiune, EMF, forța de atracție etc. se cere determinarea fluxului magnetic F sau a inducției B. Valoarea acestor mărimi se determină din curbele de magnetizare dacă se cunoaște intensitatea câmpului magnetic H, care, la rândul ei, este stabilită de tensiunea magnetică sau MMF.

H intensitatea câmpului magnetic al bobinei

H = 500 A/m. Care va fi inducția magnetică dacă un circuit magnetic din oțel pentru transformator este introdus în bobină (în figură), a cărei permeabilitate magnetică relativă este 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

Pentru oțelul de transformator care conține 4% Si, inducția magnetică B la o putere a câmpului magnetic al bobinei de 500 A/m este de 1,19 T (vezi curbele de magnetizare din figură). Să se determine permeabilitatea magnetică absolută a oțelului de transformator la punctul de funcționare μ a și permeabilitatea magnetică relativă μ r . Reamintim că valoarea lui μ r arată de câte ori μ a materialului este mai mare decât permeabilitatea magnetică

μ o \u003d 4 * π * 10 -7.

Permeabilitate magnetică absolută

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

Conform dependenţelor experimentale date B şi H pentru diverse materiale să determine coeficienții polinoamelor de ordinul doi, în cel mai bun mod (prin suma minimă a erorilor pătrate) furnizând descrierea analitică a acestora (model matematic).

Foaie de otel

Oțel pentru transformatoare (4% Si)

oțel turnat

Pentru a evalua coeficienții polinomi

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

Să notăm vectorul

H = '. mărimea A = 10,1

Apoi creăm matricea A:

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

Și formăm un vector B:

B = '.

Să estimăm coeficienții

Folosind fișierul sah575.m. Estimă coeficienții polinomului pătrat pentru tabla de oțel

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

pentru oțel pentru transformatoare

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

si pentru tabla de otel

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

Este necesar să se efectueze calcule pentru fiecare tip de material în modul de calcul direct.

/aici este fișierul sah 375.m/

Care va fi fluxul magnetic Ф în circuitul magnetic (vezi problema 1.), Dacă secțiunea transversală a circuitului magnetic S = 4 cm²?

Fluxul magnetic, măsurat în weberi (Wb), este

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

(Tl = Wb/m²)

Numărul de spire a bobinei w=500 . Într-un miez magnetic din oțel de transformator cu o lungime l= 25 cm este necesar să se asigure inducția magnetică B=1,19 T Ce m.f.s. si e nevoie de curent pentru asta?

Conform curbei de magnetizare a oțelului de transformator (vezi Fig.) constatăm că pentru a crea B = 1,19 T, este necesar să se creeze o intensitate a câmpului magnetic H = 500 A/m. Cu o lungime a circuitului magnetic (cu bobină) l = 25 cm = 0,25 m, m.f.s. necesar. calculate prin formula