ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ

Древнекитайский и современный Магниты компасы

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Электрический ток поэтому можно рассматривать как источник магнитного поля. Чем больше сила тока в проводнике, тем сильнее создаваемое им магнитное поле.сила Силовые линии магнитного поля прямолинейного тока

В 1820 г. французский ученый А. М. Ампер предположил, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел. Эти токи были названы молекулярными. Во времена Ампера природа этих токов была неизвестна. Теперь же мы знаем, что внутри атомов и молекул действительно движутся заряженные частицы – электроны, благодаря которым и возникает намагниченность тела. Первое правило правой руки Направление силовых линий магнитного поля прямолинейного тока определяется с помощью первого правила правой руки: если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока.

электромагниты Магнитное поле можно усилить, если провод, по которому идет ток, свернуть в форме винтовой спирали. Полученную в результате этого катушку с током называют соленоидом (от греч. слова «солен» – трубка). Направление силовых линий магнитного поля соленоида определяют с помощью второго правила правой руки : если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида.соленоид Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Применение электромагнитов С помощью электромагнита удается очищать зерна некоторых растений (лен, клевер, люцерна и др.) от сорняков и случайно попавших в них железных предметов. Для этого используют магнитный сепаратор зерна. Когда зерна с подмешанными заранее очень мелкими железными опилками высыпают из бункера на вращающийся барабан, то находящийся в нем электромагнит притягивает железные опилки вместе с прилипшими к ним сорняками, отсеивая их таким образом от гладких зерен, к которым опилки не прилипают.

Еще одно применение электромагнита – его использование в электрическом звонке. При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, якорь притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом нарушается, ток в электромагните прекращается и пружина возвращает якорь в прежнее положение. Затем все повторяется снова. Быстро повторяющиеся удары молоточка по чаше заставляют ее непрерывно звенеть. В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, лифтах и некоторых насосах сила тока достигает тысяч ампер. Для включения таких цепей применяют электромагнитное реле. Оно включает следующие элементы: электромагнит; якорь; контакты рабочей цепи, включаемой с помощью реле; пружина; электродвигатель; контакты, к которым подключен источник тока, питающий электродвигатель. Электромагнитное реле приводится в действие малой силой тока, и поэтому оператор оказывается защищенным от контакта с цепью большого тока.сила

Телеграфная связь Телеграфной связью называют передачу на расстояние буквенно–цифровых сообщений (телеграмм). Если эта передача осуществляется с помощью электрических сигналов, то телеграфную связь называют электрической. Первое предложение о создании электрической связи появилось в 1753 г. в Шотландии. Анонимный автор предлагал соединить переговорные пункты стольким числом проводов, сколько букв имеется в используемом алфавите. В приемном пункте к каждому проводу предполагалось присоединить шарик, около которого должна была располагаться бумажка с соответствующей буквой. Если посылать по тому или иному проводу электрический заряд, шарик на его конце должен электризовываться и притягивать бумажку с нужной буквой.связи

Впоследствии учеными России, Германии, Англии и США были предложены различные конструкции телеграфных аппаратов. Наиболее удачным среди них оказался аппарат, созданный американским изобретателем С. Морзе (1791 – 1872). Им был придуман специальный код (азбука Морзе), в котором каждой букве и цифре соответствовала определенная комбинация точек и тире. Например, сигнал бедствия (SOS) с помощью этого кода передавался в виде последовательности трех точек, трех тире и снова трех точек. Упрощенно схему телеграфного аппарата Морзе можно представить с помощью следующих элементов: телеграфный ключ; электромагнит; якорь; пружина; пишущее колесо, покрытое краской; бумажная лента. При нажатии ключа в пункте А в линии, соединяющей этот пункт с пунктом В, появляется ток, электромагнит притягивает якорь и пишущее колесо оставляет след на движущейся бумажной ленте. Этот след может быть точкой (если ключ на передаче был отпущен быстро) или тире (если ключ на передаче был задержан подольше). Первые аппараты Морзе были использованы в 1844 г. для осуществления телеграфной связи между Вашингтоном и Балтимором. Длина линии связи при этом составляла 63 км.

Первый буквопечатающий аппарат был создан в 1850 г. российским ученым Б. С. Якоби. Однако прибор оказался достаточно сложным и распространения не получил. В 1914 – 1918 гг. в США был создан телетайп – приемно–передающий буквопечатающий аппарат с клавиатурой, как у пишущей машинки. После ряда усовершенствований этот аппарат получил широкое распространение, и с его помощью стали передавать телеграммы во всех странах мира.

Действие магнитного поля на движущийся заряд Источником магнитного поля являются движущиеся заряды. Покоящиеся заряды магнитное поле не создают. Действует магнитное поле тоже только на движущиеся заряды, на покоящиеся заряды оно никакого действия не оказывает. Силу, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называют силой Лоренца.магнитное поле Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки: если расположить левую ладонь руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения заряда, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд; если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.

Действие магнитного поля на движущиеся заряды используют для управления потоком электронов внутри кинескопов телевизоров. Кинескоп представляет собой вакуумный баллон, в котором находится источник электронов. Магнитное поле катушек с током позволяет управлять электронным пучком (лучом). Экран кинескопа покрыт специальным веществом, которое под действием ударов электронов начинает светиться. Действуя на летящие внутри кинескопа электроны, можно с помощью магнитного поля изменять их траекторию, а с помощью электрического поля скорость полета. Направляя электроны в разные точки экрана, можно заставить его светиться в соответствии с передаваемым изображением. Если поднести магнит к экрану работающего телевизора, то можно увидеть, как изображение исказится. Это искажение будет вызвано изменением траектории полета электронов под действием магнитного поля поднесенного магнита.магнит изображение

Кинескоп Обратимся к опыту. Присоединим концы длинного (1 – 1,5 м) провода к зажимам гальванометра и, взяв провод двумя руками, начнем перемещать его в вертикальной плоскости между полюсами дугообразного магнита. Мы увидим, как стрелка прибора отклонится, показывая, что в цепи появился ток. Для объяснения причины возникновения тока рассмотрим участок провода и несколько электронов, находящихся внутри его. Крестиками на рисунке обозначены магнитные силовые линии, направленные перпендикулярно плоскости рисунка в сторону от наблюдателя. Если провод будет двигаться вверх, то вместе с ним будут двигаться и электроны. При этом на каждый из них начнет действовать сила Лоренца, направление которой можно определить по правилу левой руки. Под действием этой силы электроны начнут смещаться вправо (вдоль провода), что и будет означать появление в нем тока.

Возможность получения тока с помощью магнитного поля лежит в основе работы мощных источников тока – электрических генераторов. Генератором электрического тока называют машину, преобразующую механическую энергию вращения в электрическую энергию тока. Основными частями генератора постоянного тока являются магнит и находящаяся между его полюсами проволочная обмотка (якорь). Когда якорь начинает вращаться, в его обмотке и в подключенной к генератору цепи возникает электрический ток. Явление порождения электрического поля переменным магнитным полем называется электромагнитной индукцией. Более подробно это явление будет изучено в старших классах.

Действие магнитного поля на проводник с током Внутри кинескопа магнитное поле оказывает действие на поток электронов, движущихся в вакууме. Если электроны будут двигаться не в вакууме, а внутри проводника, создавая внутри его ток, то действие магнитного поля сохранится. Магнитное поле будет действовать на электроны, а те – на ионы проводника, внутри которого они движутся. В результате этого появится сила, приложенная ко всему проводнику с током.магнитное поле Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Правило левой руки Направление силы Ампера можно определить с помощью правила левой руки: если расположить левую ладонь руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник с током.

Действие магнитного поля на рамку с током Проведем опыт. Подключим к источнику тока проволочную рамку прямоугольной формы. Поместив слева и справа от нее магниты, замкнем цепь. Мы увидим, что рамка повернется. Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие. Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на нее сил Ампера. Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях. Под Действием этих сил и происходит вращение. Вращающее действие магнитного поля учитывается в электродвигателях – машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую работу.магнитное поле

Электромагнитное поле К середине XIX в. в физике накопилось достаточно много сведений об электрических и магнитных явлениях. Эти сведения требовали систематизации и сведения в единую теорию. Такая теория была создана выдающимся английским физиком Джеймсом Максвеллом. Ее основные положения были опубликованы в 1864 г. в работе «Динамическая теория электромагнитного поля». Именно в этой работе впервые появился сам термин «электромагнитное поле». Согласно теории Максвелла, переменные электрические и магнитные поля не могут существовать по отдельности: изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. А раз эти поля всегда существуют вместе, то, значит, они образуют единое целое – электромагнитное поле. Установив это, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн. Электромагнитными волнами называют распространяющиеся возмущения (или колебания) электромагнитного поля.магнитное поле

Максвелл не дожил до открытия электромагнитных волн. Доказать их существование удалось лишь в 1888 г. немецкому физику Генриху Герцу. Причины возникновения электромагнитных волн можно понять из следующего примера. Представим себе проводник, по которому идет электрический ток. Если этот ток постоянен, то существующее вокруг проводника магнитное поле также будет постоянным. При изменении силы тока магнитное поле изменится: при увеличении тока это поле станет сильнее, при уменьшении слабее. Возникнет, как принято говорить, возмущение электромагнитного поля. Что будет дальше? Переменное магнитное поле создаст изменяющееся электрическое. Это электрическое поле породит переменное магнитное. То, в свою очередь, снова электрическое и т. д. Возмущение электромагнитного поля начнет распространяться от своего источника (проводника с переменным током), захватывая все большие и большие области пространства. Это и означает, что в пространстве вокруг проводника появятся электромагнитные волны. возмущение

Проводник с переменным током, излучающий электромагнитные волны, называется антенной. Если на некотором расстоянии от излучающей антенны поместить другой проводник, то его можно использовать в качестве приемной антенны. Дойдя до приемной антенны, электромагнитная волна приведет в движение находящиеся в ней свободные электроны, и в ней возникнет переменный ток, изменяющийся с той же частотой, что и ток в излучающей антенне. На этом свойстве основана радиосвязь – передача и прием информации с помощью электромагнитных волн. В отличие от упругих волн электромагнитные волны способны распространяться не только в различных средах, но и в вакууме. Скорость электромагнитных волн в вакууме принято обозначать латинской буквой с: с = км/с км/с.

Скорость электромагнитных волн v в веществе всегда меньше, чем в вакууме: v < c. В воздухе скорость электромагнитных волн можно считать равной с, так как разность между ними очень мала. В воде электромагнитные волны распространяются примерно в 1,3 раза медленнее, чем в вакууме, в стекле – в 1,5 раза медленнее. Как и для любых других волн, для электромагнитных волн справедливо соотношение, связывающее их скорость v с длиной волны λ и ее частотой ν: v = λν электромагнитные волны Под частотой электромагнитной волны понимают частоту колебаний электромагнитного поля в ней; она обратно пропорциональна периоду Т колебаний: При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую ее период и частота остаются неизменными; меняется лишь скорость и длина волны.