Электромагнитные силы конспект кратко
Обновлено: 02.07.2024
Электромагнетизм - это изучение зарядов и взаимодействия электричества и магнетизма. Электричество и магнетизм - аспекты одного физического явления, тесно связанного с движением и притяжением зарядов в материи.
Раздел физики, изучающий взаимодействие между электрическими и магнитными явлениями, также известен как электромагнетизм.
Однако только в 1820 году Гансу Кристиану Эрстеду (1777–1851) удалось продемонстрировать влияние электрического тока на поведение компаса, и таким образом родилось изучение электромагнетизма.
Основы электромагнетизма
Магниты и электричество всегда были предметом восхищения человечества. Первоначальный подход предполагал разные подходы, которые достигли точки пересечения в конце 19 века. Чтобы понять, что такое электромагнетизм, давайте рассмотрим некоторые основные концепции.
Электрический заряд
Электрический заряд - это фундаментальное свойство частиц, из которых состоит материя. В основе всех электрических зарядов лежит структура атома. Атом концентрирует в ядре положительные протоны, а отрицательные электроны движутся вокруг ядра. Когда количество электронов и протонов равно, у нас есть атом с нейтральным зарядом. Когда атом приобретает электрон, у него остается отрицательный заряд (анион), а когда он теряет электрон, он остается с положительным зарядом (катион).
Тогда считается заряд электрона как основная единица или кванты заряда электрические. Это эквивалентно 1,60 x 10 -19 кулон (C), который является единицей измерения зарядов, в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона.
Электрическое поле и магнитное поле
А электрическое поле Это силовое поле, окружающее заряд или заряженную частицу.То есть заряженная частица воздействует или оказывает силу на другую заряженную частицу, которая находится поблизости. Электрическое поле - это векторная величина, представленная буквой И единицы измерения - вольт на метр (В / м) или ньютон на кулон (Н / Кл).
С другой стороны, магнитное поле Это происходит, когда есть поток или движение зарядов (электрический ток). Тогда мы можем сказать, что это область, в которой действуют магнитные силы. Таким образом, электрическое поле окружает любую заряженную частицу, и движение заряженной частицы создает магнитное поле.
Каждый движущийся электрон создает крошечное магнитное поле в атоме. В большинстве материалов электроны движутся в разных направлениях, поэтому магнитные поля компенсируются. В некоторых элементах, таких как железо, никель и кобальт, электроны движутся в предпочтительном направлении, создавая чистое магнитное поле. Материалы этого типа называются ферромагнитный.
Магниты и электромагниты
А магнит Это результат постоянного выравнивания магнитных полей атомов в куске железа. В обычном куске железа (или другом ферромагнитном материале) магнитные поля ориентированы случайным образом, поэтому он не действует как магнит. Ключевой особенностью магнитов является то, что у них два полюса: северный и южный.
А электромагнит Он состоит из куска железа внутри катушки с проволокой, через которую может проходить ток. Когда ток включен, магнитные поля от каждого атома, составляющего кусок железа, выравниваются с магнитным полем, создаваемым током в катушке с проволокой, увеличивая магнитную силу.
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция, открытая Джозефом Генри (1797-1878) и Майклом Фарадеем (1791-1867), есть производство электроэнергии с помощью движущегося магнитного поля. Пропуская магнитное поле через катушку из проволоки или другого проводящего материала, возникает поток заряда или тока, когда цепь замыкается.
Электромагнитная индукция - это основа генераторов и практически всей электроэнергии, производимой в мире.
Применение электромагнетизма
Электромагнетизм - это основа работы электрических и электронных устройств, которые мы используем ежедневно.
Микрофоны
Микрофоны имеют тонкую мембрану, которая вибрирует в ответ на звук. К мембране прикреплена катушка с проволокой, которая является частью магнита и движется вдоль мембраны. Движение катушки через магнитное поле преобразует звуковые волны в электрический ток, который передается на динамик и усиливается.
Генераторы
Генераторы используют механическую энергию для производства электроэнергии. Механическая энергия может поступать из водяного пара, создаваемого при сжигании ископаемого топлива, или от падающей воды на гидроэлектростанциях.
Электрический двигатель
Двигатель использует электрическую энергию для производства механической энергии. Асинхронные двигатели используют переменный ток для преобразования электрической энергии в механическую. Эти двигатели обычно используются в бытовых приборах, таких как вентиляторы, сушилки, стиральные машины и блендеры.
Асинхронный двигатель состоит из вращающейся части (ротора) и неподвижной части (статора). В ротор Он представляет собой железный цилиндр с пазами, по которым прикреплены ребра или медные стержни. Ротор заключен в контейнер из катушек или витков проводящего провода, через который пропускается переменный ток, становясь электромагнитами.
Прохождение переменного тока через катушки создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток и магнитное поле в роторе. Взаимодействие магнитных полей в статоре и роторе вызывает скручивание в роторе, позволяя выполнять работу.
Маглев: парящие в воздухе поезда
Магнитно-левитирующие поезда используют электромагнетизм для подъема, направления и движения по специальному рельсу. Япония и Германия первыми начали использовать эти поезда как транспортное средство. Есть две технологии: электромагнитная подвеска и электродинамическая подвеска.
В электромагнитная подвеска он основан на силах притяжения между мощными электромагнитами у основания поезда и рельсового пути. Магнитная сила регулируется таким образом, чтобы поезд оставался подвешенным на пути, в то время как он приводится в движение магнитным полем, которое движется вперед за счет взаимодействия боковых магнитов на поезде.
В электродинамический подвес Он основан на силе отталкивания между магнитами на поезде и наведенном магнитном поле на железной дороге. Этот тип поезда нуждается в колесах, чтобы иметь возможность развивать критическую скорость, как у самолетов при взлете.
Медицинская диагностика
Магнитно-резонансная томография - одна из технологий, оказавших наибольшее влияние в современной медицине. Он основан на воздействии сильных магнитных полей на ядра водорода в воде тела.
Электромагнитные явления
Многие известные нам электромагнитные явления являются следствием магнитного поля Земли. Это поле создается электрическими токами внутри планеты. Затем Земля напоминает большой магнитный стержень внутри нее, где северный магнитный полюс находится на географическом южном полюсе, а магнитный южный полюс соответствует географическому северному полюсу.
Ориентация в пространстве
Компас - это инструмент, созданный примерно за 200 лет до Рождества Христова. Он основан на ориентации иглы намагниченного металла на географический север.
Некоторые животные и другие живые существа могут обнаруживать магнитное поле Земли и таким образом ориентироваться в космосе. Одна из стратегий нацеливания - через специализированные клетки или органы, содержащие кристаллы магнетита, минерал оксида железа, который поддерживает постоянное магнитное поле.
Северное и южное сияние
В Магнитное поле Земли Он работает как защитный барьер от бомбардировки ионизированными частицами высокой энергии, исходящими от Солнца (более известного как солнечный ветер). Они направляются в полярные регионы, возбуждая атомы и молекулы в атмосфере. Характерные сияния полярных сияний (северного в северном полушарии и южного в южном полушарии) являются продуктом излучения энергии, когда возбужденные электроны возвращаются в свое базальное состояние.
Максвелл и теория электромагнетизма
Джеймс Клерк Максвелл вывел между 1864 и 1873 годами математические уравнения, объясняющие природу магнитных и электрических полей. Таким образом, уравнения Максвелла объясняли свойства электричества и магнетизма. В частности, эти уравнения показывают:
- как электрический заряд создает электрическое поле,
- как токи создают магнитные поля, и
- как изменение магнитного поля создает электрическое поле.
Волновые уравнения Максвелла также показали, что изменение электрического поля создает самораспространяющуюся электромагнитную волну с электрическими и магнитными компонентами. Работа Максвелла объединила, казалось бы, отдельные области физики электричества, магнетизма и света.
Электромагнитные силы в широком разнообразии существуют вокруг нас в окружающем пространстве. С их помощью мы видим окружающий мир, так как свет – это один из примеров проявления электромагнитных сил.
Поведение этих сил описывается законами взаимодействия тел с заряженными частицами. Электромагнитные силы появляются между электрически заряженными частичками.
Электромагнитные взаимодействия могут появляться и осуществляться исключительно в электромагнитном поле.
Электромагнитные силы в магнитном поле
Энергия магнитного поля воздействует на подвижный электрический заряд посредством электромагнитной силы. Эта сила действует на магнитное поле в направлении, перпендикулярном силовым линиям, и стремится вытолкнуть заряженную частичку за границы магнитного поля.
При помещении в магнитное поле проводника с электрическим током \(I\) , между электронами, которые находятся в проводнике, и магнитным полем появятся магнитные силы, которые способствуют образованию силы \(F\) , пытающейся вытолкнуть проводник из магнитного поля.
Величину этой электромагнитной силы определяют из закона Ампера, который гласит, что электромагнитная сила действия на проводник, по которому течет электрический ток, располагается в магнитном поле и действует перпендикулярно силовым линиям данного поля, рассчитывается так:
\(F=IBl\) ,
где \(I\) - сила тока;
\(B \) - магнитная индукция;
\(l\) - длины проводника.
Направление воздействия силы \(F\) устанавливают по правилу левой руки, оно звучит так: если левую руку повернуть так, чтобы линии магнитного поля были направлены в ладонь, четыре пальца – по действию силы тока, тогда вытянутый под прямым углом большой палец будет показывать направление действия силы.
Выталкивающая сила возникает лишь в тех случаях, когда проводник размещен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля или под углом к ним. Если же проводник размещен вдоль силовых линий, то выталкивающая сила будет равняться нулю.
Для изменения направления электромагнитной силы изменяют направление силовых линий или силы тока в проводнике.
Возникновение электромагнитной силы \(F\) , что образуется между магнитным полем и проводником с током, можно объяснить как результат взаимного воздействия двух полей. Вокруг проводника, по которому течет электрический ток, появляется магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с другим магнитным полем. В процессе такого взаимодействия с правой стороны от проводника, где силовые линии его поля совпадают с силовыми линиями внешнего поля, происходит разрежение силовых магнитных линий.
Силовые линии магнитного поля считаются упругими. В данном случае можно провести параллель с резиновыми нитями, которые стремятся сократиться при растяжении и вытеснить проводник из магнитного поля с места сгущения в место их разрежения. Вот почему появляется электромагнитная сила \(F\) .
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
При помещении в магнитное поле катушки или витка из проводника и вертикальном ее расположении, по правилу левой руки получается, что электромагнитные силы действуют во всех направлениях, порождая вращающий момент \(M\) , стремящийся повернуть эту катушку (виток).
\(M=FD\) ,
где \(D\) – диаметр катушки.
Такой крутящий момент используется в двигателях, для его увеличения увеличивают количество витков.
Классификация электромагнитных сил
Электромагнитные силы появляются между объектами, потому что они содержат подвижные заряженные частички, между которыми существуют электрические и магнитные силы. Электромагнитными силами считаются сила трения \(\vec< F_>\) , сила упругости \(\vec< F_>\) и вес тела \(\vec< P>\)
Сила трения \(\vec< F_>\) появляется из-за того, что соприкасаются тела с неровными поверхностями. Направление данной силы всегда располагается против движения и не имеет точки приложения. Различают две разновидности этой силы:
- сила трения покоя. Имеет место тогда, когда тела, что соприкасаются, абсолютно неподвижны. Сила трения покоя равняется силе внешнего воздействия и направлена в противоположную сторону. Максимальное ее значение рассчитывается по формуле:
- сила трения скольжения. Возникает тогда, когда сила внешнего воздействия превышает \(F_\) , в результате чего наблюдается проскальзывание. Рассчитывается сила трения скольжения таким образом:
\(F_=μN\) ,
где \(μ\) – коэффициент трения, зависящий от структуры материала;
\(N\) – сила реакции опоры.
- сила вязкого трения;
- сила трения качения.
Сила упругости \(\vec< F_>\) появляется в процессе упругой деформации тела. Ее направление противоположно деформации. Модуль силы упругости определяется следующим образом:
\(|F_ |=kδl,\)
где \(k\) – жесткость пружины;
\(δl \) – деформация.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Вес тела \(\vec< P>\) – это сила воздействия тела на прочие тела вследствие его тяжения к Земле. Считается, что у тела, которое перемещается равномерно вверх или вниз либо пребывает в состоянии покоя, вес равняется силе тяжести:
\(P=mg\)
При перемещении тела вниз с ускорением или вверх с замедлением, его вес будет меньше силы тяжести и рассчитается по такой формуле:
\(P=m(g-a)\)
При свободном падении тела в состоянии невесомости его вес равняется нулю:
\(P=0\)
При перемещении тела вниз с замедлением или вверх с ускорением, его вес будет больше силы тяжести и рассчитается по такой формуле:
\(P=m(g+a)\)
Соотношение веса тела и силы тяжести называют перегрузкой.
Вес тела, движущегося равноускорено, можно рассчитать через векторные величины:
\(\vec< P>=m(g ⃗-a ⃗)\)
Электромагнитные силы в природе
Сложно перечислить все существующие в природе электромагнитные силы. С их помощью атомы соединяются в молекулы, формируя жидкие и твердые тела. В любых процессах трения и упругости наблюдается электромагнитная природа.
Многие взаимодействия между объектами сопровождаются электромагнитными силами – радиоволны, свет, тепло и прочее.
Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля. Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.
Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:
- магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
- магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.
Взаимодействие магнитов
Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются ( рис. 1 ).
Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса, т. е. будет постоянным магнитом ( рис. 2 ). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.
Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.
На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.
В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты. Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему ( рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.
Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток ( рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:
Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита ( рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа ( рис. 7 а, б).
Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:
Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта ( рис. 8 )
Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.
Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.
Направление силы определяется правилом левой руки:
Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник ( рис. 9 ).
Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.
Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.
Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Магнетизм: определение
Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.
Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.
Магнитная индукция
Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.
Изображение магнитного поля при помощи силовых линий
Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.
Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.
Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.
Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.
Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.
Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!
Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.
Сила Ампера
Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:
Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:
Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.
Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:
Взаимодействие токов
Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.
В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:
Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.
Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:
Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.
Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Магнитный поток и ЭДС
Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля. Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля. Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.
S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.
При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.
По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.
Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока. При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре. Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:
L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:
Формула для ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля
Электроэнергия, ядерная энергия, кинетическая энергия. Магнитная энергия – одна из форм энергии. В физических задачах чаще всего нужно рассчитывать энергию магнитного поля катушки. Магнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L равна:
Объемная плотность энергии поля:
Читайте также: