Магнитное поле создается движущимся зарядом. Это поле непрерывно в окружающем пространстве и обладает способностью оказывать силовое воздействие на другие электрические заряды, находящиеся в движении. Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое воздействие на движущиеся электрические заряды была введена физическая векторная величина — магнитная индукция B. По аналогии с электрическим магнитное поле, для наглядности, можно изображать посредством линий магнитной индукции.
Как возникает магнитное поле
В начале ХIХ века датский физик Ханс Эрстед и французский исследователь Андре Ампер экспериментально открыли явления, объяснить которые удалось только с помощью введения нового понятия, названного магнитным полем.
Последовавшие вслед за этими опытами многочисленные исследования подтвердили существование нового поля, названного магнитным, которое обладает следующими основными свойствами:
- Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов;
- Это поле непрерывно в пространстве и обладает способностью оказывать силовое воздействие на другие электрические заряды, находящиеся в движении;
- Постоянное магнитное поле существует у природных магнитных тел, но и в этом случае причиной возникновения поля является непрерывное движение молекулярных токов (вихрей) в массе вещества;
- Магнитное поле можно создать также с помощью переменного электрического поля.
Магнитная индукция
Магнитное поле обнаруживается в виде силового воздействия на электрические заряды (одиночные или в виде токов в различных веществах), движущиеся с некоторой скоростью. Для количественной характеристики силовых возможностей магнитного поля введена физическая величина B, названная магнитной индукцией. Величина является векторной, то есть кроме модуля (абсолютной величины) характеризуется направлением.
Для прямолинейного проводника, по которому течет ток I, модуль магнитной индукции равен частному от деления модуля силы Ампера F, действующей на проводник, к силе тока I и его длине L:
Для рамки (контура) площадью S, на которую в магнитном поле действует момент силы М, модуль магнитной индукции В равен:
Направление вектора
Наглядно продемонстрировать силовые линии магнитного поля можно, если на стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки. После включения тока опилки намагничиваются, то есть приобретают свойства магнитных стрелок и устанавливаются вдоль силовых линий поля. Таким образом результат действия магнитного поля на магнитные стрелки (железные опилки) или рамку с током можно применить для определения направления вектора магнитной индукции.
Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, которая ориентируется беспрепятственно и устанавливается в магнитном поле.
Это направление совпадает с направлением положительной нормали (перпендикуляра) к замкнутому контуру с током. Для определения этого направления применяется “правило буравчика”, которое звучит так: вектор направлен в ту сторону, куда перемещалась бы рукоятка буравчика (с правой резьбой) если ввинчивать его по направлению тока в рамке (или в проводе).
Визуальное (графическое) представление магнитного поля получается, если начертить так называемые линии магнитной индукции. Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной, называется линией магнитной индукции или линией напряженности магнитной индукции. Картину линий магнитной индукции для постоянных магнитов, рамки с током и катушки можно сделать видимой, снова воспользовавшись мелкими железными опилками как в случае с прямолинейным проводом.
Тест по теме
Магнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в движении и на тела, имеющие магнитный момент (постоянные магниты). Вместе с электрическим магнитное поле образует единое электромагнитное поле; по аналогии с другими силовыми полями (электрическим и гравитационным) наглядное представление о характере поля дают его силовые линии. Главной количественной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B, поэтому силовые линии магнитного поля и линии магнитной индукции имеют одно и тоже значение, то есть оба термина могут использоваться наравне друг с другом.
Что такое силовые линии
Выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), исследовавший природу электромагнитного поля, первым сформулировал понятие силовых линий для электрического и магнитного полей.
Силовые линии магнитного поля обладают следующими основными свойствами:
- Силовые линии — это графическая визуализация (“картина”) изображения силового поля;
- Силовые линии заполняют пространство таким образом, что касательные к ним в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором магнитной индукции;
- Через каждую точку проходит только одна силовая линия;
- Плотность (густота) силовых линий, пронизывающих единичную перпендикулярную площадь, пропорциональна модулю магнитной индукции B на этой площади;
- Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, поскольку магнитное поле является полем вихревого типа. Вихревыми называются любые поля, имеющие замкнутые силовые линии.
Примеры силовых линий
Наглядное представление о силовых линиях магнитного поля можно получить, если на плоский стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки или опилки из другого ферромагнетика (никеля, кобальта и т.
Видно, что силовые линии представляют собой концентрические окружности, которые расположены в плоскости перпендикулярной проводнику. Центры всех окружности лежат на оси проводника.
Следующий пример — силовые линии магнитного поля, которое создает обычный полосовой постоянный магнит.
Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N. Хорошо видно, что силовые линии имеют максимальную концентрацию вблизи полюсов N и S. Направления силовых линий магнитного поля имеют сложную геометрическую форму, но все линии непрерывны и замкнуты. Внутри магнита плотность (густота) силовых линий максимальна, а поле однородно. Магнитное поле является однородным, когда магнитная индукция постоянна, то есть = const.
Еще один пример — это соленоид, то есть катушка, изготовленная с помощью намотки гибкого проводника, сохраняющего форму (например, из медной проволоки).
Оказывается картина силовых линий соленоида очень похожа на силовые линии, которые создаются постоянным полосовым магнитом. Видно, что внутри катушки магнитное поле близко к однородному.
Тест по теме
Опыт 1. Подносим к полюсам магнита магнитную стрелку. Северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса и притягивается к северному (рис. 147).
Опыт 2. Поднесём два магнита сначала их Северными, а потом — южными полюсами. Магниты взаимодействуют между собой, при этом их разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые — отталкиваются. Разместим магнит на карандашах (рис. 148). К магниту приблизим южный (северный) полюс второго магнита. Видим, что и теперь магниты взаимодействуют между собой — притягиваются или отталкиваются.
Разноимённые магнитные полюса двух магнитов притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
Магниты взаимодействуют между собой, поскольку вокруг любого магнита существует магнитное поле. C одной стороны, магнитное поле одного магнита действует на второй магнит; с другой — магнитное поле второго магнита действует на первый. Магнитное поле вокруг магнита можно обнаружить разными способами. Один из них состоит в использовании железных опилок (метод спектров).
Опыт 3 Накроем подковообразный магнит стеклом. На стекло насыпем тонкий слой железных опилок и легонько постучим по стеклу. Под действием магнитного поля магнита железные опилки размещаются рядом с магнитом не в беспорядке, а в виде замкнутых линий, которые называют линиями магнитного поля, или магнитными линиями (рис. 149, а).
Линии магнитного поля (магнитные линии) магнита — это воображаемые замкнутые линии, которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита (рис. 149, б).
Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии в этой точке. В данной точке магнитного поля магнитная стрелка имеет единственное направление, это означает, что магнитные линии не пересекаются.
Рисунок 150 даёт представление о магнитном поле разных магнитов: а — распределение железных опилок в магнитном поле двух магнитов, направленных один к другому одноимёнными полюсами, б — двух магнитов, направленных соответственно разноимёнными полюсами.
Ещё в 1269 г. Перегрин написал книгу «Письма о магнитах». В ней были описаны почти все известные в то время свойства магнитов. Перегрин установил следующее: если потереть стальную спицу природным магнитом, то она становится магнитом, то есть намагничивается (рис. 151). Такие тела также называют магнитами.
Каждый из вас может изготовить магнит дома. Для этого возьмите длинный железный гвоздь, молоток или отвёртку и положите их вдоль направления, которое показывает компас, то есть вдоль линии север-юг. А через несколько недель эти предметы начнут проявлять магнитные свойства — притягивать железные гвозди или винтики (рис. 152).
Магнитными свойствами через определённое время будет обладать и лезвие бритвы, если его положить на магнит (рис. 153).
Железные или стальные тела также становятся магнитами, если их поместить в катушку изолированного провода, по которому проходит электрический ток. Что при этом происходит, рассмотрим позднее.
Магнитное действие тока
Долгое время электрические и магнитные явления рассматривали как независимые. Связь между ними установил в 1820 г. датский физик Г. Эрстед. В ходе опыта он заметил, что магнитная стрелка, размещённая под проводником (рис. 154, а), при замыкании цепи поворачивается и размещается почти перпендикулярно к проводнику (рис. 154, б). Если электрическую цепь разомкнуть, то стрелка принимает прежнее положение.
Действие электрического тока на магнитную стрелку означает, что между электрическими и магнитными явлениями существует определённая связь.
В опыте Эрстеда впервые было выявлено магнитное поле тока. Действительно, если проводник с электрическим током действует на магнитную стрелку, то вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, следовательно, вокруг движущейся заряженной частицы существуют одновременно магнитное и электрическое поля. А вокруг неподвижных зарядов — только электрическое поле.
Для исследования магнитного поля тока воспользуемся методом спектров, который мы применяли для обнаружения магнитного поля постоянных магнитов.
Опыт 1 Через отверстие в горизонтально размещённом картоне пропускаем вертикальный проводник с током (рис. 155). Картон посыпаем металлическими опилками и замыкаем цепь. В результате видим, что опилки образовали вокруг проводника концентрические окружности.
Если опилки заменить магнитными стрелками, то они размещаются так, как показано на рисунке 156, а. Здесь изображён вид сверху на картон с цепочками опилок. Кружок в центре — поперечное сечение проводника с током. В нём крестиком обозначен ток в направлении за картон (как хвостовое оперение летящей от нас стрелы). Точкой в кружке обозначен ток в направлении из-за картона (как наконечник летящей на нас стрелы).
Из опыта следует, что свойства магнитного поля тока такие же, как у магнитного поля постоянного магнита. Поэтому повторим выводы о графическом изображении магнитного поля. При этом помним, что его источником могут быть и постоянный магнит, и электрический ток.
Воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок, называют линиями магнитного поля (магнитными линиями).
Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление линии магнитного поля. В магнитном поле железные или стальные опилки показывают форму магнитных линий этого поля.
Линии магнитного поля тока — это замкнутые линии, окружающиепроводник с током.
Выполним предыдущий опыт, изменив ток в проводнике на противоположное направление. Оказывается, что все магнитные стрелки поворачиваются на 180° (рис. 156, б). Направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, на практике его можно установить по правилу буравчика (рис. 156, в).
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика — с направлением магнитных линий.
Опыт 2. Длинный прямой изолированный провод намотаем на деревянную или пластмассовую катушку. Присоединим её к источнику тока. В катушке проходит электрический ток, а к её концам притягиваются железные предметы, например винт (рис. 157).
Опыт 3. Подвесим катушку с током на длинных тонких и гибких проводниках. Если рядом нет магнитных материалов или других магнитных полей, то катушка размещается в пространстве так же, как магнитная стрелка компаса: одна сторона катушки поворачивается на север, другая — на юг (рис. 158).
Катушка с током имеет два магнитных полюса: северный N и южный S.
Опыт 4 На пластинку из оргстекла (рис. 159) кладём железные опилки, по катушке пропускаем электрический ток. Опилки ориентируются в определённом порядке. Линии магнитного поля катушки с током также являются замкнутыми кривыми. То есть вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (рис. 160, а). Магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю штабового магнита (рис. 160, б).
Рис. 159
Рис. 160
На рисунке 158, б показано, как отталкиваются постоянный магнит и катушка с током, поскольку они размещены одноимёнными полюсами один к другому.
Причину, почему тела имеют магнитные свойства, впервые установил французский учёный А. Ампер. Под впечатлением от наблюдений магнитной стрелки, которая поворачивается вблизи проводника с током в опытах Эрстеда, он предположил, что магнетизм Земли вызывают токи, протекающие внутри земного шара. Следовательно, магнитные свойства тела можно объяснить токами, циркулирующими внутри данного тела.
Далее А. Ампер делает обобщение: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решительный шаг от возможности объяснения магнитных свойств тел токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия —
это взаимодействия токов, — безусловное доказательство научной смелости А. Ампера.
Гипотеза Ампера
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Мы уже знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах, то есть каждый атом обладает магнитными свойствами. Если атомы внутри тела ориентированы хаотически вследствие теплового движения, то действия внутриатомных токов взаимно компенсируются, и магнитных свойств тело не проявляет (рис. 161, α). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы таким образом, что их действия суммируются (рис. 161, б).
Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка с током в магнитном поле ведут себя одинаково. Стрелку (постоянный магнит) можно рассматривать как большую и сложную совокупность небольших рамок с током, ориентированных одинаково.
В ферромагнетиках (вещества, в состав которых входят Fe, Со, Ni и др. ) элементарные магнитики-атомы образуют участки спонтанной (произвольной) намагниченности с линейными размерами 0,0010,01 мм, которые называют доменами. В доменах размещается множество одинаково ориентированных атомов, поэтому намагниченность домена максимальна. В ненамагниченном ферромагнетике соседние домены расположены таким образом, что их намагниченности взаимно компенсируются (рис. 162, а). Если образец такого ферромагнетика поместить в магнитное поле постоянного магнита или внутри катушки с током, то под влиянием внешнего магнитного поля атомы в разных доменах преимущественно начинают ориентироваться так, что направление их магнитного поля совмещается с направлением внешнего (рис. 162, б). При этом магнитное поле внутри образца может увеличиться тысячекратно (рис. 162, в). Говорят, что образец намагнитился, при определённых условиях это состояние намагниченности сохраняется и после исчезновения внешнего поля, то есть образец становится постоянным магнитом.
Если его нагревать, то при определённой температуре (для железа 769 °C) домены разрушаются, и намагниченность утрачивается. Температуру, при которой ферромагнетик теряет намагниченность, называют температурой, или точкой Кюри, в честь выдающегося французского физика П. Кюри, открывшего и исследовавшего это явление.
Магнитное поле катушки c током
Открытие Г. Эрстеда ознаменовало собой начало ряда исследований по электромагнетизму. В 1820 г. Ампер и Д. Араго исследовали магнитное поле катушки. В 1825 г. Стерджей, заметил, что магнитное поле катушки значительно усиливается, если в середину её вставить стальной сердечник. Так он получил простейший электромагнит.
В 1828 г. Генри использовал многослойную обмотку из изолированного провода и получил более мощный электромагнит. Электромагнит — это коллективное изобретение, прошедшее ряд этапов, где каждый был невозможен без предыдущего.
Электромагнит состоит из следующих деталей (рис. 168): стального сердечника 1, катушки (обмотки) 2 и якоря 3, который притягивается к сердечнику. Выясним, от чего зависит сила, с которой магнитное поле катушки электромагнита действует на его якорь.
Опыт 1. Замыкаем цепь из электромагнита и реостата; с помощью реостата будем изменять силу тока в катушках. При определённой силе тока электромагнит удерживает определённый груз (рис. 169, а), а если увеличить силу тока в два раза, то электромагнит может удержать груз приблизительно в два раза тяжелее (рис. 169, б). Рис. 169
Чем больший ток проходит в катушке электромагнита, тем с большей силой притягивается к нему якорь.
Опыт 2 Повторим опыт 1 при начальной силе тока, когда электромагнит удерживал меньший груз, но используем катушку такой же конструкции, содержащую в два раза больше витков. Убедимся, что в этом случае электромагнит способен удерживать такой же большой груз, как в опыте 1, когда в два раза увеличили ток (рис. 169, б).
Чем больше витков в катушке электромагнита, тем с большей I силой притягивается к нему якорь.
Итак, «грузоподъёмность» электромагнита зависит от «ампер-витков» его обмотки, то есть от произведения силы тока в катушке на количество витков в ней.
Электромагниты широко применяют в технике, быту, медицине и т. благодаря своим особенностям: быстро размагничиваются при выключении тока; в зависимости от назначения их изготовляют разных размеров; при работе электромагнита можно регулировать его магнитное действие, изменяя силу тока в обмотке.
Электромагниты имеются в каждом автомобиле, телефоне, телевизоре, самолёте, космическом корабле, теплоходе и т. Электромагнитный подъёмный кран применяют при погрузке или разгрузке металлолома (рис. 170). Такой кран удобен тем, что груз не требует никаких креплений. Машинист крана размещает электромагнит, например, возле металлолома, включает ток в обмотке и подбирает лом.
После выключения тока металлолом просто отпадает от сердечника. А электромагнит заводского крана, который используют, например, для перенесения бобин листовой стали, имеет 4 обмотки и может поднять бобину диаметром 2 м и массой 28 т (рис. 171).
На рисунке 172 в разрезе показан магнитный сепаратор для очистки зерна от семян сорняков. В зерно подмешивают сильно измельчённые железные опилки, которые не прилипают к зерну, а только к семенам сорняков. При вращении барабана с электромагнитом внутри происходит распределение зерна и семян сорняков с металлическими опилками.
Если в глаз попадают тела, на которые действует магнит, то в больнице для их удаления наряду с постоянными магнитами используют электромагниты. Изменяя силу тока в обмотке, регулируют интенсивность магнитного поля и удаляют постороннее тело с глубины до 2,5 мм.
Действие магнитного поля на проводник c током
Два проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой с определённой силой, так как на каждый проводник с током действует магнитное поле тока другого проводника.
Магнитное поле действует с определённой силой на любой проводник с током, размещённый в этом поле. Такую силу называют силой Ампера в честь А. Ампера, который исследовал и определил зависимость значения и направления этой силы от условий эксперимента.
Опыт 1. Подвесим на подсоединённых к источнику тока гибких проводниках отрезок толстого медного провода АВ. Разместим его горизонтально между полюсами подковообразного магнита (рис. 174, α). В этом случае проводник AjB размещается в магнитном поле, которое образует вокруг себя магнит. Если замкнуть электрическую цепь, то проводник AB начнёт перемещаться, втягиваясь внутрь магнита (рис. 174, б).
Если изменить направление электрического тока, то проводник AB будет выталкиваться из магнита (рис. 174, в). Проводник AB также выталкивается, если поменять местами полюса магнита. Направление движения проводника в магнитном поле определяется направлением силы Ампера, действующей на него, и зависит от направления тока в проводнике и размещения относительно полюсов магнита. Направление силы Ампера, действующей на проводник с током, удобно определять с помощью правила левой руки (рис. 174, в).
Если ладонь левой руки разместить так, чтобы четыре выпрямленных пальца указывали направление тока в проводнике, а линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник с током.
На практике большое значение имеет вращательное движение проводника с током в магнитном поле как механическое действие электрического тока. На рисунке 175 изображён прибор, с помощью которого можно осуществлять такое движение. В этом приборе лёгкая прямоугольная рамка ABDC посажена на вертикальную ось. На рамку намотано несколько десятков витков провода с изоляцией. Концы катушки соединены с металлическими полукольцами коллектора 2. Один конец провода присоединён к одному полукольцу, а второй — к другому.
К каждому полукольцу прижимается металлическая пластина-щётка 1. Щётки необходимы для подведения тока от источника тока к рамке. Одна щётка всегда соединена с положительным полюсом источника, а другая — с отрицательным.
Так как в частях рамки AC и BD ток имеет противоположные направления, то они перемещаются в противоположные стороны, и рамка поворачивается. Присоединённые к её концам полукольца повернутся вместе с ней, и каждое прижмётся к другой щётке, поэтому ток в рамке изменит направление нс противоположное. Поскольку после поворота рамки на 180° одновременно поменялись на противоположные относительно неё и направление магнитного поля, и направление тока, то направления сил Ампера, действующих на части AC и BD рамки не изменяются, а рамка продолжит вращаться в одном направлении. Если бы коллектор 2 не переключал автоматически направление тока в рамке на противоположное, то она останавливалась бы после каждого полуоборота. Вращение катушки с током в магнитном поле используют в конструкции электрического двигателя и электроизмерительных приборов.
Без электрических двигателей невозможно представить жизнь современного человека. Вот далеко не полный перечень известных вам устройств, механизмов и машин, в которых используются электрические двигатели: автомобиль, самолёт, трактор, трамвай, троллейбус, лифт и т. Существует множество конструкций разных электродвигателей, но мы будем изучать устройство и принцип действия широко распространённого коллекторного электродвигателя. Он состоит из следующих основных узлов (рис. 176).
- Статор 1 (англ, stator, от латинского слова sto — стою) является постоянным магнитом с наконечниками S и N, или электромагнитом. Он составляет одно целое с корпусом электродвигателя. Статор коллекторного двигателя часто называют индуктором. Эта часть двигателя служит для возбуждения магнитного поля.
- Ротор 2 (от латинского слова roto — вращаюсь), или якорь двигателя — собранный из листов специальной стали сердечник определённой формы, на который наматывают изолированный провод — обмотку.
- Концы обмотки припаяны к медным пластинам коллектора, закреплённым на хорошо изолированном барабане на оси ротора.
- Две угольные щётки специальными пружинами плотно прижимаются к коллекторным пластинам. К щёткам от источника тока подаётся напряжение для питания электродвигателя.
Принцип работы рассмотрим на примере простого двигателя (рис. 177). К щёткам 1 и 2 подаётся необходимое для работы электродвигателя напряжение. При взаимодействии тока, проходящего по обмотке, с магнитным полем статора 6 ротор 5 поворачивается таким образом, что рамка оказывается в вертикальном положении, и тока в ней нет, так как щётки касаются не пластин коллектора 3 и 4, а изоляции между ними. Однако благодаря инерции ротор проходит это положение, и щётки снова касаются коллекторных пластин. Каждые пол-оборота коллектор переключает полярность напряжения, поэтому направление тока в обмотке всегда соответствует вращению ротора в одну сторону.
При одинаковой мощности размеры электродвигателей меньше, чем у тепловых двигателей. Они не выделяют газов, дыма и пара. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности и установить в любом месте. Например, двигатель (рис. 178) имеет мощность 890 кВт, работает при напряжении 1 400 В, и в нём проходит ток 635 А.
Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, изобрёл российский учёный Б. Якоби.
Электроизмерительные приборы
Громкоговоритель предназначен для преобразования электрической энергии в энергию звуковых колебаний. В электродинамическом громкоговорителе используют действие магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке.
Внешний вид и схема устройства громкоговорителя приведены на рисунке 179. Звуковая катушка 1 установлена в зазоре кольцевого магнита 2. C катушкой жёстко соединён бумажный конус — диффузор 4, который по периметру укреплён на упругих подвесках 3.
По катушке проходит переменный электрический ток с частотой звукового сигнала микрофона или радиоприёмника, проигрывателя, магнитофона. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль своей оси в такт изменениям силы тока. Эти колебания передаются диффузору, и его поверхность излучает звуковые волны.
Громкоговорители высокого качества передают без значительных искажений звуковые колебания от 40 до 15 000 Гц. Но такие устройства очень сложные. Поэтому используют систему из нескольких громкоговорителей, при этом каждый из них передаёт звук в определённом небольшом интервале частот. Недостаток всех громкоговорителей — малый КПД. Они излучают лишь 1—35 % всей направленной к ним энергии.
В технике широко используют стрелочные измерители электрических величин, основанью на магнитном действии тока. Существуют несколько систем электроизмерителей магнитного действия: в приборах электромагнитной системы стрелка-указатель связана с ферромагнитным сердечником, который втягивается в катушку, где протекает измеряемый ток; в приборах магнитоэлектрической системы указатель связан с лёгкой рамкой с измеряемым током, которая поворачивается в поле магнита на угол, пропорциональный значению этого тока.
Рассмотрим подробнее устройство и действие наиболее распространённых приборов магнитоэлектрической системы (рис. 180).
Они состоят из подковообразного магнита 1, возле полюсов которого размещаются наконечники 6, между которыми на двух полуосях вращается лёгкая алюминиевая рамка 3. На рамку наматывают тонкий изолированный проводник.
Для усиления магнитного поля в пространстве между полюсами размещают неподвижный железный цилиндр 2. К передней полуоси рамки прикрепляют лёгкую алюминиевую стрелку 4. Концы проводника на рамке припаивают к двум пружинам 5, по которым подаётся ток к обмотке рамки.
C помощью приборов магнитоэлектрической системы можно измерять такие электрические величины, как силу тока, напряжение.
В произведении французского физика Д. Араго «Гром и молния» приводится много случаев перемагничивания компасной стрелки, намагничивания стальных предметов под действием молнии. Как объяснить эти явления?
Ответ: молния — это искровой разряд. Вокруг неё возникает сильное магнитное поле, которое действует на стальные предметы, намагничивая и перемагничивая их.
Рамка с током размещена между полюсами подковообразного магнита, при этом её плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля. Будет ли поворачиваться рамка?
Ответ: нет, поскольку в этом случае у рамки отсутствует вращательный момент.
Электромагнитная индукция и опыт Фарадея
Вы уже знаете свойства электрического поля неподвижных электрических зарядов и магнитного поля постоянных магнитов и постоянных электрических токов в неподвижных проводниках. После открытия в 1820 г. Эрстедом явления возникновения магнитного поля вокруг проводника с током начались исследования явлений в электрических и магнитных полях, изменяющихся с течением времени.
Если электрический ток создаёт магнитное поле, то можно предположить существование обратного явления: возникновение электрического тока в проводнике, помещённом в магнитное поле. Многочисленные попытки обнаружить это явление не принесли ожидаемых результатов. В неподвижных замкнутых проводниках, помещённых в наиболее мощные на то время магнитные поля, электрический ток не возникал.
В 1831 г. Фарадей экспериментально открыл новое явление электромагнитной индукции, ставшее основой современной электротехники и радиотехники. Его нельзя было предсказать на основе известных в то время сведений о магнитных полях и электрических токах. Выяснилось, что электрический ток все-таки возникает в неподвижном замкнутом проводнике, помещённом в магнитное поле, но лишь при изменении этого магнитного поля. Опыты Фарадея, которые привели к открытию явления электромагнитной индукции, достаточно просты, их легко провести в условиях школы.
Опыт 1. Присоединим к гальванометру гибкий проводник и поместим его между полюсами магнита (рис. 195). Если проводник и магнит неподвижны, то тока в проводнике нет. При перемещении проводника гальванометр сразу же фиксирует в нём наличие тока. Если при перемещении проводника в одном направлении стрелка гальванометра отклоняется, например, вправо, то при движении в обратном направлении она будет отклоняться влево, то есть направление тока в проводнике изменяется. Ток в проводнике возникает и в случае перемещения магнита относительно проводника.
Опыт 2. Присоединим к гальванометру катушку. Если в эту катушку вводить или выводить магнит (рис. 196), то гальванометр показывает возникновение электрического тока в цепи. Если магнит неподвижен — тока нет.
Опыт 3 Закрепим полосовой магнит в штативе и наденем катушку, присоединив её к гальванометру, на магнит (рис. 197). В катушке снова возникает электрический ток. Этот ток протекает только при движении катушки относительно магнита и изменяет свое направление при изменении направления движения катушки.
Опыт 4. Замкнём катушку 2 через гальванометр и вставим в неё катушку 1, которую можно присоединить к источнику тока (рис. 198). В момент замыкания цепи катушки 1 стрелка гальванометра отклоняется, то есть при изменении (возникновении) магнитного поля катушки 1 по катушке 2 протекает электрический ток. Но после установления в катушке 1 тока магнитное поле перестаёт изменяться, ток в катушке 2 исчезает — стрелка гальванометра устанавливается на нуле.
Разомкнём цепь катушки. При исчезновении в ней тока, а вместе с ним и его магнитного поля стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону. Это означает, что в катушке 2 возникает электрический ток, направление которого обратно тому, который проходил при замыкании катушки 1. В этих опытах при замыкании цепи катушки 1 возникает магнитное поле, а при размыкании — исчезает. В результате изменений магнитного поля в катушке возникает переменный ток, который называют индукционным.
В цепь катушки 1 можно включить реостат для изменения силы тока в цепи. Итак, при увеличении силы тока в цепи катушки 1 в катушке 2 возникает индукционный ток одного направления, при уменьшении — противоположного направления. В результате изменения силы тока в катушке 1 изменяется также магнитное поле тока, при этом в катушке 2 возникает индукционный ток.
Явление возникновения в замкнутом проводнике переменного электрического тока при пересечении этим проводником линий магнитного поля называют электромагнитной индукцией. Ток, возникающий при этом, называется индукционным.
Из данных примеров следует, что индукционный электрический ток возникает при изменении в пространстве или во времени интенсивности магнитного поля, линии которого окружают проводник замкнутого контура. Изучая свойства электромагнитов, мы узнали, что интенсивность магнитного поля катушки с током можно изменять, регулируя в ней силу тока. Видим, что такие изменения можно выполнить разными способами.
Магнитное поле изображают с помощью магнитных линий. Оказалось, что в местах поля, где его интенсивность меньше, линии проходят реже, а где больше — размещаются гуще. Это видно на рисунках 143,149,150,160, где изображены магнитные поля Земли, постоянных магнитов и катушки с током. Поля с переменными плотностью и направлением линий называют неоднородными. Если плотность и направление линий постоянны, то есть магнитные линии параллельны, а расстояния между соседними линиями одинаковы, то такое поле называют однородным. К однородным приближаются магнитные поля внутри длинной катушки с током (см. рис. 160, а) или между широкими полюсами постоянных магнитов.
В замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только при изменении плотности магнитных линий, пронизывающих этот контур. Индукционный ток тем больше, чем больше скорость изменения магнитного поля. Проводник, перемещаясь, обязательно должен пересекать магнитные линии. Если проводник контура движется вдоль магнитных линий или катушка перемещается поступательно в однородном магнитном поле, то индукционный ток не возникает.
Если ладонь правой руки разместить так, чтобы в неё входили линии магнитного поля, а отведённый под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца руки укажут направление индукционного тока в проводнике.
Если разместить проволочный прямоугольник в плоскости магнитного меридиана и перемещать его в этой плоскости, то будет ли в нём возникать индукционный ток?
Ответ: нет, поскольку стороны прямоугольника не пересекают магнитных линий магнитного поля Земля.
Фарадей Майкл (22. 1791-25. 1867) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Родился в предместье Лондона в семье кузнеца. Из-за бедности не получил систематического образования. Слушая воскресные лекции Г. Деви, попросил взять его на работу в Королевский институт, в котором работал с 1813 г. , в 1825 г. возглавил лабораторию в этом институте, с 1827 г. — профессор кафедры химии.
Выполнил фундаментальные исследования по электромагнетизму. Поставил перед собой задачу «преобразовать магнетизм в электричество» и получить электрический ток из магнитного поля. В 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции, то есть получил индукционный ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке. Фарадей детально исследовал явления электромагнитной индукции и самоиндукции, высказал предположение, что электрические и магнитные действия не передаются от тела к телу непосредственно, а переносятся в диэлектрической среде, размещённой между ними.
В 1833—1834 гг. установил законы электролиза и ввёл основную терминологию этого явления. Ввёл понятия электрического и магнитного поля, а также электрических и магнитных силовых линий. После исследований М. Фарадея материю начали рассматривать не только в форме вещества, но и в форме поля. В 1843 г экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда. Сделал открытия в области магнетизма (1845) и действия магнитного поля на свет (1846).
Энергия магнитного поля
Сила тока в контуре (а значит, и связанное с ним магнитное ноле) достигает своего постоянного значения не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени после замыкания цепи. При этом в цепи возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию силы тока. Следовательно, источник тока при замыкании цепи совершает работу против ЭДС самоиндукции. Работа, затраченная источником на создание тока в контуре (без учета тепловых потерь), и определяет, в конечном счете, энергию магнитного поля, запасаемую контуром с током. Рассматриваемая работа равна взятому со знаком «минус» произведению средней ЭДС самоиндукции и заряда прошедшего по цепи. Знак «минус» появляется потому, что источник тока совершает работу, равную по модулю, но противоположную по знаку работе вихревого электрического поля при замыкании цепи.
Подчеркнем, что при нарастании тока ЭДС самоиндукции изменяется с течением времени, поэтому для вычисления работы рассмотрим малые промежутки времени, в течение которых будем считать неизменной.
Для малого промежутка времени можем записать:
Поскольку ЭДС самоиндукции
а прошедший за малый промежуток времени заряд то получаем
Величина соответствует площади закрашенного прямоугольника (рис. 175).
Тогда всю работу можно вычислить, складывая площади подобных прямоугольников под графиком зависимости В результате при уменьшении интервала разбиений получится площадь прямоугольного треугольника ОВС:
Следовательно, энергию магнитного поля контура с током можно определить по формулам (с учетом Ф = LI):
Энергию магнитного поля, заключенную в единице объема пространства, занятого полем, называют объемной плотностью энергии магнитного поля
Если магнитное поле создано внутри соленоида длиной l и площадью поперечного сечения S, содержащего N витков, то с учетом выражений для индуктивности соленоида и модуля вектора индукции магнитного поля внутри соленоида получаем
Здесь — магнитная проницаемость вещества внутри соленоида. Так как SI = V, то для вычисления плотности энергии магнитного поля получим выражение
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
