Физическая сущность электромагнетизма

Что такое электромагнетизм

Когда электрически заряженные частицы, например электроны, приводятся в движение, они создают магнитное поле. Когда эти частицы приходят в колебательное движение, они создают электромагнитное излучение. В зависимости от частоты колебаний оно может включать радиоволны, видимый свет или рентгеновские лучи.

Обычно речь идет об использовании электрического тока для создания электромагнитов, что называется электродинамикой. Другим эффектом является электромагнитная индукция, которая заключается в использовании электромагнита или изменяющегося магнитного поля для индуцирования электрического тока.

Хотя постоянные магниты создают хорошее, а иногда и очень сильное статическое магнитное поле, в некоторых случаях сила этого поля оказывается слишком слабой или нам необходимо иметь возможность контролировать величину магнитного потока. Поэтому для создания более сильного и управляемого магнитного поля необходимо использовать электричество.

Используя катушки проволоки, намотанные на мягкий магнитный материал (железный сердечник), можно получить очень сильные электромагниты. Электромагнит можно создать и без железного сердечника. Такой электромагнит обычно называется соленоидом.

Катушка с железным сердечником

Источник: fizika.ru

Электромагнетизм возникает, когда электрический ток течет по простому проводнику, например, по проволоке или кабелю, и при прохождении тока по всему проводнику вдоль него создается магнитное поле. Небольшое магнитное поле, создаваемое вокруг проводника, имеет определенное направление, причем северный и южный полюса определяются направлением электрического тока, протекающего через проводник.

Кто открыл

Взаимосвязь между электричеством и магнетизмом давно предполагалась, если не была полностью понята. Уильям Гилберт, проводивший эксперименты с электричеством в начале XVII века, руководствовался желанием улучшить морскую навигацию с помощью магнитных компасов. Многие эксперименты Бенджамина Франклина были направлены на то, чтобы лучше понять взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Однако наиболее значительные успехи в понимании этой взаимосвязи были достигнуты в 1800-х годах, начиная с датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда. В 1820 году Эрстед случайно обнаружил, что электрический провод заставляет двигаться иглу компаса. Эрстед предположил, что электричество создает магнитное поле, и это наблюдение было развито другими учеными, которые пытались использовать электричество для создания магнитов.

Затем вместо того чтобы использовать электричество для создания магнитов, ученые попытались использовать магниты для генерации электричества. Это открытие было сделано в начале 1830-х годов двумя учеными, работавшими независимо друг от друга, — Майклом Фарадеем в Великобритании и Джозефом Генри в США. Они открыли принцип электромагнитной индукции: электрический ток можно получить, если подвергнуть проводник (например, металлическую проволоку) воздействию постоянно меняющегося магнитного поля. 

Основные законы электромагнетизма

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток порождает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток в проводнике.

Закон Фарадея был впоследствии включен в более полные уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, по сути, объединяя их в единую электромагнитную силу и описывая электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.

Для понимания закона индукции Фарадея важно иметь базовое представление о магнитном поле. Магнитное поле сложнее электрического. В то время как положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда располагаются парами — один северный, другой южный. Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленных размеров, планет и звезд — являются диполями, т.е. имеют два полюса. Эти полюса называются северным и южным — по направлению, на которое указывают иглы компаса. Противоположные полюса притягиваются, а схожие — отталкиваются, поэтому северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, поскольку он притягивает северные полюса компасных игл.

Источник: celes.club

Магнитное поле часто изображается в виде линий магнитного потока. В случае со стержневым магнитом линии потока выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество линий потока, проходящих через заданную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока, или напряженность поля. Однако это всего лишь модель. Магнитное поле является гладким и непрерывным и в действительности не состоит из дискретных линий.

Магнитное поле Земли создает огромное количество магнитного потока, но он рассеян в огромном объеме пространства. Поэтому через определенную область проходит лишь небольшое количество потока, в результате чего поле оказывается относительно слабым.

Правило Ленца

Правило Ленца было сформулировано немецким ученым Эмилем Ленцем в 1834 г. Этот закон основан на принципе сохранения энергии и согласуется с третьим законом Ньютона. Используется для определения направления индукционного тока в цепи.

Это научный закон, который определяет направление индукционного тока, но ничего не говорит о его величине. Магнитное поле, связанное с замкнутым контуром, усиливает индукционный ток таким образом, что он создает магнитное поле в направлении, противоположном исходному магнитному полю. Таким образом, противопоставляется породившая его причина и констатируется его сходство с третьим законом Ньютона.

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, действующая на заряженную частицу под действием электрического и магнитного полей. Заряженная частица в электрическом поле всегда будет испытывать силу, обусловленную этим полем, величиной F=qE. Заряженная частица в магнитном поле будет испытывать силу, обусловленную магнитным полем, только в том случае, если она движется с компонентой скорости, перпендикулярной полю. Если же она движется параллельно магнитному полю, то не испытывает никакой силы. Эти две силы часто изучаются отдельно, но их сумма образует силу, которую мы называем силой Лоренца.

Закон Ампера

Закон Ампера — один из фундаментальных законов электростатики, утверждающий, что электрический ток в проводнике создает магнитное поле.

Закон гласит, что, магнитное поле, создаваемое электрическим током, прямо пропорционально напряженности электрического тока, а константа вероятности здесь — проницаемость свободного пространства.

Формулы

1. Формула закона Ленца выводится из закона электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, электродвижущая сила (ЭДС) на катушке рассчитывается как:

E = -N(d∅/dt), где

отрицательный знак означает, что направление индуцированной ЭДС противоположно изменению магнитного потока;

E — электродвижущая сила;

N — число витков катушки;

dt — изменение времени;

d∅ — изменение магнитного потока.

2. Формула закона Ампера равна линейному интегралу магнитного поля вокруг замкнутого контура, такому, что он равен числу раз, которое алгебраическая сумма токов проходит через этот контур. Для проводника с током I, по которому течет ток, создающий магнитное поле вокруг провода, эта формула может быть использована для расчета поля:

∮→B⋅d→l=μ0I, где

μo — константа проницаемости, имеющая значение 4π × 10-7 Н/А2;

I — сила тока, проходящего через замкнутый контур;

B — магнитное поле;

L — длина контура.

Для замкнутого провода значение 2πr. Таким образом, величина магнитного поля в этом случае равна: B = μoI/2πr.

3. Сила Лоренца.

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле напряженности B со скоростью v, будет испытывать силу Лоренца, величина которой равна:

F=qvBsinθ,

где θ — угол между скоростью частицы и магнитным полем (линии поля направлены от N к S), а q — заряд частицы. Эта сила действует под прямым углом как к магнитному полю, так и к скорости частицы. Для запоминания направления этой силы можно использовать правило левой руки Флеминга (где большой палец обозначает силу, первый палец — магнитное поле, а второй палец — скорость, если частица заряжена положительно). В терминах координат, если скорость направлена по оси +x, а поле — по оси +y, то сила действует в направлении +z.

На провод с током, находящийся в магнитном поле, будет действовать сила Лоренца в направлении, определяемом правилом левой руки Флеминга, с величиной:

F=IlBsinθ,

где l — длина провода в магнитном поле, I — ток, протекающий по проводу, а θ — угол между проводом и магнитным полем.

Примеры

В качестве примеров электромагнетизма можно привести следующие:

1. Видимый свет вокруг нас — это электромагнитные волны.
2. Авроры, которые видны над полюсами, обусловлены электромагнетизмом.
3. Радиоволны и другие волны, используемые для связи, также являются электромагнитными волнами.
4. Дисплей в ЭЛТ-телевизоре.
5. В бытовых миксерах-измельчителях за счет электромагнетизма движется лезвие.
6. Двигатели, используемые в различных инженерных приложениях, работают на принципе электромагнетизма.
7. Используется в магнитно-резонансной томографии, применяемой в медицине.
8. Рентгеновское излучение
9. Динамики.