Электромагнетизм для чайников: Электромагнетизм для самых маленьких, и не только / Хабр

Содержание

Физика для чайников. Урок 23. Электромагнетизм | Александр Шуравин.

Изображение взято из открытых источников

Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 22. Закон Ома.

На уроке Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле мы узнали, что такое электрическое поле. Но электрическое взаимодействие – это частный случай электромагнитного взаимодействия. Вообще, магнитное поле является порождением электрического тока. В 1820 году Х. Эрстед провел опыт, доказывающий, что электрический ток создает магнитное поле. Его опыт заключался в помещении над магнитной стрелкой прямолинейного металлического проводника, направленного параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180 градусов. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой:

Изображение взято из открытых источников

Вокруг неподвижного заряда создается исключительно электрическое поле. Но если этот заряд движется, то он порождает еще и магнитное поле. Если магнит лежит на столе, вокруг него есть только магнитное поле. Но если двигаться относительно магнита, то такой вот движущийся наблюдатель зафиксирует и электрическое поле. Таким образом утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Итак, движущиеся заряды создают магнитное поле. С другой стороны, если заряд поместить в магнитное поле, то он будет двигаться. Таким образом, магнитное поле, может создавать электрический ток. Это явление используется для генерации электричества, которое имеет у все у нас в розетках. Генератор представляет собой вращающийся магнит и катушку с намотанным на нем проводником. Магнит вращается, например, за счет падающей на лопасти огромного колеса воды (гидроэлектростанция).

Направление силовых линий магнитного поля и движения зарядов определяются так называемым правилом буравчика:

Изображение взято из открытых источников

Формулируется оно «Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого этим током».

Если говорить по русский, то представьте себе вкручиваемый куда-либо винт. Направление вкручивания – это электрический ток. Направление вращения – это магнитное поле.

Физика для чайников. Выпуск 24. Почему в грозу сверкают молнии.

Книга «Физика для чайников» Хольцнер С

Аннотация к книге «Физика для чайников» Хольцнер С.:
От термодинамики у вас мурашки по спине? От векторов бессонница? А электромагнетизм вызывает чувство страха? Не отчаивайтесь! Это удобное руководство упростит освоение основ физики. Опытный преподаватель Стивен Хольцнер поможет вам легко и непринужденно пройти все темы начального курса физики (от механики до оптики) и попутно расскажет о некоторых наиболее удивительных физических явлениях: энергии, теплоте, электричестве и многом другом.
Посмотрите на мир другими глазами. Узнайте, какую роль играет физика в окружающем нас мире.
Вечное движение. Начните с изучения базовых концепций расстояния, скорости и ускорения.

Да пребудет с вами сила. Познакомьтесь с законами Ньютона, понятиями силы, инерции, массы, трения и др.
Двигайтесь в правильном направлении. Преодолейте страх перед векторами и научитесь применять их при измерении скорости, ускорения и силы.
Энергичная работа. Узнайте, как энергия превращается в работу, почему энергия сохраняется и как движутся объекты вокруг нас.
Жаркие концепции термодинамики. Узнайте о том, как образуется тепло, как измеряется температура и как формулируется закон идеального газа.
Высокое напряжение. Изучите основы электричества и магнетизма, а также законы преломления света.
Основные темы книги:
единицы измерения и способы представления чисел;
как измерять расстояние, скорость и ускорение;
законы Ньютона;
трение, гравитация и наклонные плоскости;
векторы, моменты и типы движения;
законы термодинамики;
электричество и магнетизм;
Стивен Хольцнер получил докторскую степень по физике в Корнелльском университете и более 10 лет преподавал начальный курс физики студентам первых курсов.

Автор множества книг по физике и компьютерным технологиям. Читать дальше…

Закон электромагнитной индукции. Курсы по физике

Тестирование онлайн

Электромагнитная индукция. Основные понятия
Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции в движущемся проводнике

Взаимосвязь электрических и магнитных явлений всегда интересовала физиков. Английский физик Майкл Фарадей был совершенно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Он рассуждал, что электрический ток способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока? Эта задача была решена.

Если в постоянном магнитном поле перемещается проводник, то свободные электрические заряды внутри него тоже перемещаются (на них действует сила Лоренца). Положительные заряды концентрируются в одном конце проводника (провода), отрицательные — в другом. Возникает разность потенциалов —

ЭДС электромагнитной индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, называется явлением электромагнитной индукции.

Правило определения направления индукционного тока (правило правой руки):

В проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции, энергия тока в этом случае определяется по закону Джоуля-Ленца:

Работа внешней силы по перемещению проводника с током в магнитном поле

ЭДС индукции в контуре

Рассмотрим изменение магнитного потока через проводящий контур (катушку). Явление электромагнитной индукции было открыто опытным путем:

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея): ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.

Знак «минус» является математическим выражением следующего правила. Направление индукционного тока, возникающего в контуре, определяется по правилу Ленца: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать изменение магнитного потока, вызвавшее данный ток.

Электромагнетизм | Физика для идиотов

Для электромагнетизма все, что вам нужно знать, — это то, что происходит, когда у вас есть заряды + или -, что происходит, когда они сближаются, и что происходит, когда они движутся. Вот и все! Для всех неквантовых ЭМ вам нужно всего 5 формул. Четыре уравнения Максвелла и уравнение Лоренца описывают все электричество, магнетизм, свет, звук, излучение, фактически большую часть физики:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Насколько плохой может быть тема, если вы можете описать все с помощью всего 5 уравнений, вы, вероятно, сможете уместить их все на обратной стороне пивного коврика.

Теперь, когда вы ознакомились с выводом, мы можем перейти к началу и подробно прочитать всю историю. Если вы не изучаете университетский курс, вы можете уйти, не зная точно, что это уравнение означает или делает, но этот сайт объяснит их позже, сначала давайте вернемся к основам.

Заряд бывает 2-х типов, положительный и отрицательный, и измеряется в кулонах (C). Если у вас есть заряд, он излучает поле во всех направлениях. Поле заряда обозначается буквой E, как в E-lectricity.Если вы поместите в поле еще один заряд, он почувствует силу. Подобные обвинения отталкиваются, а непохожие — притягиваются. Чем больше заряд, тем сильнее сила и чем дальше заряды, тем слабее сила, чего вы и ожидали. Эти отношения могут быть представлены законом Кулона;

‘s — это два заряда, и это расстояние между ними в квадрате. Другой бит — это просто константа, которая примерно равна

00000.(Точный вывод этого закона можно найти здесь). Из них вы можете видеть, что сила — это просто поле, умноженное на любой вложенный вами заряд.

Используя это, вы можете определить поле или силу между частицами, атомами или чем-либо, имеющим заряд, при условии, что они не движутся. Как только вы начинаете заряжаться, происходят другие вещи.

Как только заряд начинает двигаться, он создает другое поле. Новое поле — это магнетизм и обозначается буквой B, как в B-магматизме?

Причина, по которой это буква B, заключается просто в том, что это было второе место в алфавитном списке:

Электромагнитный векторный потенциал: A
Магнитная индукция: B
Полный электрический ток: C
Рабочий объем: D
Электродвижущая сила: E
Механическое усилие: F
Скорость в точке: G
Сила магнитного поля: H

(Это также объясняет, откуда берется H для тех, кто заинтересован).

Итак, теперь ваша частица или атом, или что-то еще, имеет 2 выходящих поля. Полное уравнение, описывающее, как оба поля действуют на частицу, —

, которая известна как сила Лоренца. Символ не означает умножение, в данном контексте он означает перекрестное произведение. По сути, это короткий способ записать «умножить на синус угла между». Это потому, что поле сдвигается под углом 90 ° в любое направление, в котором оно указывает, И в каком направлении вы двигаетесь.Теперь, если вы не делаете EM после уровня A, вы можете забыть о направлениях и углах и просто написать

Если мы расширим приведенное выше выражение, мы получим

Но мы уже можем описать один из этих моментов, это просто закон Кулона. Кроме того, на уровне A или ниже ситуация, вероятно, будет упрощена, поэтому вам нужно только рассмотреть поля и отдельно. Таким образом, вам, вероятно, придется использовать только одну из следующих двух формул:

Очевидно, это сила и заряд, и два поля, описанные ранее, и скорость движущегося заряда.Электрическое поле измеряется в единицах СИ: ньютоны на кулон () или, что то же самое, вольты на метр (). Магнитное поле измеряется в единицах СИ Тесла (Тл), что эквивалентно Веберам на квадратный метр () или вольт-секундам на квадратный метр ()

Теперь я не большой поклонник схем, никогда не был, теперь, надеюсь, я буду достаточно профессионален, чтобы моя неприязнь к ним не отражалась в этом разделе, но если это произойдет, я заранее извиняюсь. Если я действительно начну бороться со своей ненавистью, мне, возможно, придется позвонить второму писателю

Цепи в основном представляют собой серию движущихся зарядов со случайным объектом или устройством, которые влияют на поток.Когда я говорю, что электроны движутся, большинство людей подумают, что их скорость приближается к скорости света, но это неверно. Настоящие электроны движутся ОЧЕНЬ медленно, это волна, которая распространяется быстро. Как сказано выше, подобные заряды отталкиваются, поэтому поместите один электрон рядом с другим, и они разойдутся. С током в проводе у вас в основном есть трубка электронов, и вы добавляете один к одному из концов, это заставляет следующий электрон двигаться вниз, который, в свою очередь, толкает следующий и так далее.Итак, у вас есть эффект мексиканской волны, который движется быстро, но сами электроны движутся медленно.

Цепи

обычно содержат всевозможные объекты и устройства в зависимости от того, для чего они предназначены, и в зависимости от того, как вы их все настраиваете в цепи, зависит, как вы выполняете все свои вычисления.

Что есть что?

Если вы настроили все свои компоненты в замкнутом цикле, например,

, то мы говорим, что все компоненты относятся к серии .Если вы настроите их с ветвящимися путями, например,

, то мы говорим, что компоненты находятся в Parallel . Вы также можете создавать схемы, которые представляют собой смесь последовательного и параллельного участков, например,

Амперы, Вольты и Ом (Боже мой!)

Мы называем движущиеся заряды током, и он измеряется в единицах СИ — амперах (А). Ампер эквивалентен количеству заряда, прошедшего за определенное время, поэтому 2 кулона за 6 секунд будут эквивалентны 0.3А. Это, как и большинство других вещей в физике, можно выразить в красивой формуле, которую вы можете усвоить.

Еще одна важная идея в схемах — это напряжение или разность потенциалов. Вольт — это в основном разница электрического потенциала в двух разных точках. Электрический потенциал между двумя точками равен

где — расстояние между и. Это в основном поле, умноженное на расстояние.

Еще одна важная идея, связанная с цепями, — сопротивление.Сопротивление — это в основном мера того, какое сопротивление противостоит электрическому току. Почти все объекты или устройства в цепи вызывают сопротивление, и для расчета общего сопротивления в цепи вы используете одно или несколько из этих правил

Одним из самых важных и фундаментальных уравнений в схемах является закон Ома, который связывает ток, напряжение и сопротивление.

Вот и все. Классическая EM не идет дальше этого.Эти 4 являются фундаментальным уравнением для ВСЕХ полей в EM. Им может потребоваться немного времени, чтобы разобраться, но как только вы это сделаете, все должно иметь смысл.

Если вы не знаете об интеграции и дифференциации, я предлагаю вам перейти в раздел «Интеграция» или «Дифференциация», я попытаюсь объяснить это здесь, но в основном сосредоточусь на физике.

Закон Гаусса

Хорошо, тогда сначала у нас есть закон Гаусса.

Это говорит о том, что интеграл электрического поля через замкнутую область равен полному заряду внутри этой области, деленному на. — это константа, называемая проницаемостью свободного пространства, и она проявляется во всей физике вместе с проницаемостью свободного пространства. Это уравнение означает, что вы можете взять ЛЮБУЮ замкнутую поверхность, которая вам нравится, и найти проходящее через нее поле, при условии, что вы можете делать математику. Обычно ты не можешь. Однако есть ряд случаев, когда это приятно и легко.Случаи, когда поле выходит прямо через поверхность равномерно. Кейсы

Сферическая поверхность вокруг точки или сферы
A Цилиндрическая поверхность вокруг бесконечного провода
A Обычная поверхность над сечением бесконечной плоскости

Я допускаю, что это звучит расплывчато и абстрактно, поэтому я продемонстрирую их с помощью диаграммы.

Это гауссовы поверхности. По сути, с этими поверхностями все, что вы пытаетесь сделать, — это облегчить жизнь.Просто убедитесь, что поверхность всегда находится на одинаковом расстоянии от источника заряда и что поле всегда проходит под углом 90 градусов. Затем вы можете проработать интеграл с закрытыми глазами. Это очень просто. Левая часть закона Гаусса становится в Е раз больше поверхности выбранной вами формы.

Таким образом, закон Гаусса для сферы принимает вид

Который ранее был введен как Закон Кулона, теперь вы знаете, откуда он взялся.Закон Гаусса для бесконечной линии заряда составляет всего

Теперь в этом было введено кое-что новенькое,. Если у вас есть бесконечная линия заряда, то общий заряд на ней бесконечен, и невозможно узнать, сколько этого бесконечного заряда у вас будет внутри вашей гауссовой поверхности. Вот где приходит значение заряда на единицу длины, так что если = 4 см и у вас 5 метров, то заряд составит всего 20 градусов Цельсия. Вот и все, всего лишь стоимость заряда.

Для бесконечной поверхности закон Гаусса становится

Еще раз был добавлен новый символ, но такой же, как и раньше. — это просто заряд на единицу площади, поэтому, если = 5 см и у вас есть площадь 100 м, общий заряд составляет 500 С.

Заряженное кольцо

Допустим, у вас есть заряженное кольцо, и вам нужно знать поле, создаваемое им. И снова мы будем использовать один из важнейших инструментов физики, чтобы упростить работу. Сначала мы будем смотреть только на поле вдоль оси кольца, иначе все будет слишком сложно, и это не стоит усилий.Теперь давайте возьмем очень маленькую часть кольца и скажем, что это сфера. Это неправда, но чем меньше мы делаем секцию, тем больше мы можем сделать ее похожей на точечный заряд. Так у вас что-то вроде этого

Вы хотите найти поле в точке вдоль оси кольца полного заряда и радиуса. Небольшая квадратная секция вверху — это кусочек, который вы считаете заряженной сферой. Теперь мы не знаем, сколько заряда стоит в этом маленьком разделе, так как вы можете сделать его любого размера, который захотите, поэтому мы просто называем начисление, небольшое количество.Итак, теперь у нас

Теперь, если вы думаете об этом, каждый бит кольца выше оси, толкающей вниз, будет иметь равный бит ниже оси, толкающей вверх. То же самое будет и с левой, и с правой, и со всеми остальными частями кольца. Таким образом, вся сила от кольца будет действовать только вдоль оси. Чтобы проработать только этот бит, нам нужно использовать какой-то триггер. Нам нужно умножить поле, чтобы получить осевую составляющую.

Как вы можете знать или не знать, можно также описать (с использованием SOH CAH TOA) следующие отношения для нашей ситуации

As — смежная сторона и гипотенуза.Итак, теперь у нас

Однако мы можем не знать, что это такое. Мы знаем радиус диска, и расстояние, на котором мы находимся от диска,. Используя немного старого Пифагора, мы можем переписать его в терминах и

Итак, теперь наше уравнение выглядит так

Теперь мы хотим избавиться от этого, поэтому интегрируем

Теперь мы знаем из диаграммы в начале, что общий заряд на диске равен, поэтому, если мы сложим все маленькие биты общей суммы, должно быть, значит, интеграл будет справедливым.

Вот оно, поле от заряженного диска. Все, что вам нужно, это поле с точки и некоторые триггерные знания, и вы можете это решить. Я мог бы просто дать вам окончательное решение, но таким образом вы сможете увидеть, откуда оно взялось, а затем, если вы его забудете, вы сможете решить его, руководствуясь первыми принципами, как указано выше.

Закон Гаусса для магнетизма

Это красиво и легко, но имеет большое значение. Закон Гаусса для магнетизма —

Это похоже на обычный закон Гаусса в том, что он описывает поле, на этот раз его магнитное поле.Он говорит, что интеграл от B по замкнутой поверхности равен нулю. Ничего такого. Каждая линия поля, выходящая за пределы поверхности, имеет входящий эквивалент. Полного поля нет. Это означает, что получить источники Магнитного поля невозможно. В то время как электроны и протоны являются источниками поля, от которого силовые линии расходятся или сходятся к нему, магнитного аналога нет. Силовые линии магнитного поля — это всегда замкнутые контуры, без начала и без конца. Это, конечно, не остановило людей от подготовки на случай, если мы обнаружим магнитный монополь.

Это уравнение может показаться хорошим, но оно само по себе совершенно бесполезно. Обычно нулевой результат в физике очень важен, это означает, что может происходить что-то особенное, здесь он показывает, что магнитных монополей не существует.

Закон Фарадея

Теперь все становится сложнее, вот и закон Фарадея,

Я подробно расскажу вам, что это на самом деле означает. Сначала у нас есть левая часть, что очень просто. Это похоже на закон Гаусса, только интеграл над другим.Вместо нахождения полного поля через поверхность, мы теперь находим полное поле вокруг замкнутого контура. Вот и все, что отличается от левой стороны, никаких поверхностей, только замкнутые контуры. Теперь о правой стороне. Во-первых, у нас есть минус, замечать это сложно. Зачем это нужно, будет объяснено позже. Далее у нас есть еще один интеграл, и этот выглядит ужасно. Символ в основном означает небольшое изменение. Так происходит изменение, и это изменение в том, где время. Целое — это скорость изменения, насколько сильно изменяется () в данный момент ().И это интегрируется по области. — это область внутри замкнутого цикла, если вы нарисуете какую-то случайную волнистую фигуру, убедившись, что линия не пересекает саму себя и соединяется сама с собой, тогда длина вокруг линии — ваша, а область внутри линии — ваша. Да просто? Таким образом, сумма в цикле просто равна минусу изменения в цикле.

Что будет, если нет? Ну нет, так это ноль, что делает интеграл 0, значит, нет. Что будет, если у вас будет константа? Ну опять 0.Таким образом, равен нулю, что делает интеграл равным 0, поэтому снова нет. Вы можете вызвать поле только из изменяющегося поля .

Важность знака минус проистекает из того факта, что поля создают поля, а поля создают поля (как показано в законах Фарадея и Ампера). Если бы не было минуса, поля просто продолжали бы строить и строить, в конечном итоге давая бесконечную энергию, а это недопустимо!

Закон Ампера-Максвелла

Последнее из уравнений Максвелла — это закон Ампера-Максвелла. Так же, как первые два закона были похожи, так и последние два, в них есть шаблон в таком порядке, который может облегчить их запоминание. над областью, над областью, вокруг петли и, наконец, вокруг петли. Уравнение

Левая сторона, легкая, интегральная с B вокруг замкнутого контура. Правая сторона, не все так просто. Сначала давайте проигнорируем этот бит, я вернусь к этому. В остальном это очень похоже на закон Фарадея. У вас есть еще одно изменяющееся поле, интегрированное в область, но на этот раз его.Однако на этот раз вместо умножения на минус 1 вы умножаете на. Еще раз, это две очень важные ценности в физике, по отдельности и вместе. Они лежат в основе EM. Итак, ваше магнитное поле вокруг петли просто равно изменяющемуся полю E, проходящему через него раз, но тогда вам нужно добавить немного. Это бит. Это просто ток, который проходит через цикл раз, потому что, как сказано в Stuff Moving, если у вас есть движущийся заряд, то есть ток, тогда вы получите магнитное поле. Итак, вам нужно сложить две части вместе. Красный.

Помимо написания приведенных выше уравнений Максвелла в так называемой интегральной форме, вы также можете записать их в дифференциальной форме, например,

Запись уравнений Максвелла в одной из двух вышеупомянутых форм на самом деле является упрощением. И интегральная форма, и дифференциальная форма являются векторными уравнениями, и они избавляют вас от необходимости писать полные 8 уравнений Максвелла для полей и во всех трех измерениях.

[su_spoiler title = ”8« Оригинальные »уравнения Максвелла» style = «fancy»]

[/ su_spoiler]

Оказывается, вы также можете компактифицировать четыре векторных уравнения Максвелла в два тензорных уравнения, например, так

Вот вектор с четырьмя компонентами, иногда называемый 4-током, и представляет собой матрицу 4 × 4, называемую электромагнитным тензором. Они определены как

(6)

(7)

где — скорость света. Символы and просто сообщают вам, где в векторе или матрице искать, но для некоторых сбивает с толку начало с 0, поэтому и (не путать с кубом). То же самое с, так и

Основы электромагнетизма Рона Куртуса

SfC Home> Физика> Магнетизм>

Рона Куртуса (от 9 января 2019 г.)

Электромагнетизм имеет два значения, в зависимости от того, рассматривается ли на субатомном уровне или в повседневном масштабе.

На субатомном уровне электромагнетизм определяется как сила между электрически заряженными частицами. Это считается одним из фундаментальных взаимодействий материи. Колеблющиеся электрические заряды приводят к возникновению электромагнитных волн.

В более крупном масштабе электромагнетизм — это создание магнитного поля в результате движения электрических зарядов. Обычно это касается использования электрического тока для изготовления электромагнитов, что называется электродинамикой . Другой эффект — это электромагнитная индукция , которая использует электромагнит или изменяющееся магнитное поле для индукции электрического тока.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

Что такое электромагнетизм на субатомном уровне?
Что такое электродинамика?
Что такое электромагнитная индукция?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц

Электромагнетизм на субатомном уровне

На субатомном уровне электромагнетизм связан с электромагнитной силой, которая вызывает притяжение и отталкивание электрически заряженных частиц.Он считается одной из фундаментальных сил в природе, в которую также входят гравитационные и ядерные силы.

(Для получения дополнительной информации см. Основные силы.)

Когда электрически заряженные частицы, например электроны, приходят в движение, они создают магнитное поле. Когда эти частицы заставляют колебаться, они создают электромагнитное излучение. Это могут быть радиоволны, видимый свет или рентгеновские лучи, в зависимости от частоты колебаний.

(Для получения дополнительной информации см. Обзор электромагнитных волн.)

Электродинамика

Электродинамика создает магнитное поле из электрического тока.

Когда электричество проходит через провод, вокруг него создается магнитное поле. Закручивание провода увеличивает магнитное поле. Добавление железного сердечника значительно увеличивает эффект и создает электромагнит. Вы также можете создать электромагнит без железного сердечника.Обычно это называется соленоидом.

Магнитное поле, создаваемое движущимися электронами

Когда электричество постоянного тока проходит через провод, магнитное поле вращается вокруг провода в определенном направлении.

Магнитное поле, вращающееся вокруг провода

Правое правило

Чтобы определить направление магнитного поля, вы можете использовать «правило правой руки». Если вы возьмете правую руку и обернете ею провод, указав большим пальцем в направлении электрического тока (от положительного к отрицательному), то ваши пальцы будут указывать в направлении магнитного поля вокруг провода.Попробуйте это с изображением выше.

Вы также можете увидеть направление магнитного поля, поместив компас рядом с проводом.

Проволока в катушке

Обертывание проволоки в катушку концентрирует и увеличивает магнитное поле, так как каждый виток проволоки создает аддитивный эффект.

Витая проволока увеличивает магнитное поле

Катушка с проволокой, используемая для создания магнитного поля, называется соленоидом .

( Дополнительную информацию см. В уроке «Соленоиды».)

Электромагнит

Обертывание проволоки вокруг железного сердечника значительно увеличивает магнитное поле. Если вы вставите гвоздь в катушку на рисунке выше, это приведет к появлению электромагнита с северным полюсом на стороне «N».

(Дополнительную информацию см. В уроке «Электромагниты».)

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция создает электрический ток из изменяющегося магнитного поля.

Когда провод проходит через магнитное поле, возникает электромагнитный эффект, в результате чего через провод проходит электрический ток.

Ток, создаваемый в проводе, движущемся через магнитное поле

(Дополнительную информацию см. В уроке «Генерация электрического тока».)

Аналогичным образом, когда изменяющееся магнитное поле воздействует на металлический провод, изменяется ток. Одно из приложений — изменение электрического напряжения с помощью трансформатора.

(Дополнительную информацию см. В уроке «Трансформаторы переменного тока».)

Сводка

В большем масштабе электромагнетизм обычно связан с использованием электрического тока для изготовления электромагнитов.Это часто называют электродинамикой и связано с электромагнитной индукцией, при которой используется электромагнит или изменяющееся магнитное поле для индукции электрического тока.

Всегда проявляйте высокий характер

Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайтов

Основы электромагнетизма — Coilgun Systems

Электромагнетизм — Википедия

Ресурсы магнетизма

Книги

Книги по электромагнетизму с самым высоким рейтингом

Вопросы и комментарии

Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.

Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
electromagnetism.htm

Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Авторские права © Ограничения

Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Темы о магнетизме
Электромагнетизм

A2 Физика для чайников: Глава 15

Essential Theory
Современный мир зависит исключительно от электричества.
Электричество и магнетизм взаимозависимы.
Электричество производит магнетизм (электромагнетизм), а магнетизм производит электричество (электромагнитная индукция).
Это означает, что везде, где у вас есть движущийся заряд, есть магнетизм, и везде, где у вас есть магнетизм, вы можете создавать движущиеся заряды (например, электрический ток).

Полезная информация
Линии магнитного поля, которые мы теперь называем линиями магнитного потока;
— никогда не пересекать
— никогда не встречаться с
— располагаться ближе друг к другу, где напряженность поля больше
— выходить из N полюсов и входить в S полюса
— выходить и входить под прямым углом к поверхности
Датчик Холла используется для измерения силы прямое магнитное поле.
Поисковая катушка используется для измерения силы альтернативного магнитного поля.
Магнитный поток внутри соленоида однороден.
Электромагнитные машины неизбежно содержат железо или другой ферромагнитный материал. Помните, что пути потока (которые определяют наши магнитные цепи) в основном повторяют форму железа.

Правила и законы электромагнетизма и электромагнитной индукции

Поле вокруг LSCCC (длинного прямого проводника с током)
Как впервые продемонстрировал Эрстед, ток, протекающий через провод, создает вокруг него B-поле .
Компас для черчения, помещенный рядом с тросом, будет выровнен под прямым углом к нему.

Правое правило штопора
Направление силовых линий магнитного поля, окружающих провод, зависит от направления тока.
Если текущее направление совпадает с направлением, в котором движется кончик штопора, то вращение штопора определяет направление магнитных линий.

Правило теннисного захвата для правой руки
Полярность электромагнита зависит от направления тока в проводе.
Когда пальцы правой руки выровнены в направлении тока в катушках, большой палец указывает в направлении полюса N.

Эффект двигателя (или катапульты)
Всякий раз, когда через провод течет ток, вокруг него создается цилиндрическое магнитное поле.
Итак, если проводник с током помещен в поле постоянного магнита, два магнитных поля взаимодействуют, создавая силу.
Максимальная сила (и движение) достигается, когда направление поля и направления тока перпендикулярны друг другу.
В этом случае направление силы / движения перпендикулярно обоим.
Направление силы (движения) можно найти с помощью правила ЛЕВОЙ руки Флеминга.
Удерживайте большой, первый и второй пальцы так, чтобы они были перпендикулярны друг другу.
Укажите первым пальцем в направлении поля, а вторым — в направлении тока.
Затем большой палец будет указывать в направлении толчка (сила / движение).

Электродвигатель
Электродвигатель использует силу, которая возникает, когда провод, по которому проходит ток, помещается в магнитное поле.
В электродвигателе ток течет в катушке с проволокой, которая подвешена между полюсами магнита таким образом, что силы заставляют катушку вращаться.

Конструкция двигателя
Ток от постоянного тока питание течет по катушке с проволокой.
Силы на сторонах катушки заставляют одну сторону двигаться вверх, а другую — вниз.
Угольные щетки и коммутатор с разрезным кольцом обеспечивают вращение катушки только в одном направлении.
Направление вращения зависит от направления тока и полярности магнита.

Щетки и коммутатор
Начнем с того, что правило левой руки Флеминга заставляет правую часть катушки двигаться вниз, а левую — вверх.
Когда катушка проходит через вертикальную ступень, вращение катушки меняет местами соединения с кольцевыми секциями, в результате чего правая сторона продолжает двигаться вниз, а левая сторона — вверх, как и раньше.
Без этого изменения направления тока в катушке вращение остановилось бы.

Создание более мощного двигателя
Мощность двигателя можно увеличить следующими способами
— увеличить ток (или pd питания)
— увеличить количество витков в катушке
— увеличить силу магнита
— используйте каркас из мягкого железа

Практичные двигатели
Двигатели с несколькими витками, намотанными под углом вокруг цилиндрического каркаса из мягкого железа и имеющими несколько секций на разрезном кольце, являются более мощными и плавными.
Во многих двигателях магнит заменен электромагнитом, который работает параллельно от постоянного тока. поставка.

Электромагнитная индукция
Мы уже видели, что электричество и магнетизм тесно связаны
Мы знаем, что электрический ток может производить магнетизм.
Верно и обратное, что магнетизм может производить электрический ток, процесс, известный как электромагнитная индукция.

Увеличение силы тока
Когда проводник пересекает магнитный поток, генерируется напряжение (ЭДС = электродвижущая сила) и течет ток.
Закон Фарадея гласит, что наведенная ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитной связи.
На практике это может быть наиболее эффективно достигнуто перемещением провода вверх и вниз между полюсами магнита (а не из стороны в сторону).

Сила тока может быть дополнительно увеличена за счет
— увеличения скорости движения
— увеличения силы магнита
— зацикливания провода на максимальное количество витков
Все это увеличивает скорость изменения магнитной связи и, таким образом, увеличивают наведенную ЭДС (напряжение) и, следовательно, наведенный ток.

Правило Флеминга для правой руки
Удерживайте пальцы правой руки так, чтобы большой, первый и второй пальцы находились под прямым углом.
Направьте большой палец в направлении движения провода, первый палец — в направлении магнитного поля, затем второй — в направлении тока.

Закон Ленца
Когда магнит вставлен внутрь катушки, в катушке протекает индуцированный ток — в одну сторону, когда магнит входит, и в другую, когда магнит выходит.
В любом случае катушка становится электромагнитом.
Он отталкивается при нажатии на магнит и притягивается при вытягивании магнита.
Не забудьте использовать правило теннисного хвата правой рукой, чтобы определить направление тока в катушке.
Закон Ленца гласит, что индуцированный ток всегда течет, чтобы противодействовать движению, которое его запустило.

Трансформаторы
Трансформатор — это устройство, которое использует электромагнитную индукцию для изменения (преобразования) напряжения.
Повышающий трансформатор увеличивает напряжение, а понижающий трансформатор снижает напряжение.
Обозначение трансформатора:

Использование трансформаторов
Электроэнергия от сети подается как 230 В ( + 20 В) и 50 Гц переменного тока.
Однако многие электронные схемы работают, скажем, с напряжением 5, 9 или 12 В.
Понижающий трансформатор может использоваться для преобразования 230 В в необходимое низкое напряжение.
И наоборот, искра напряжением 12 000 В необходима для воспламенения топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе.Для этого автомобильному аккумулятору 12 В используется повышающий трансформатор.

Эксплуатация

Первичная обмотка имеет постоянно изменяющийся ток от переменного тока. поставка.
Это создает в сердечнике постоянно изменяющееся магнитное поле.
Это изменяющееся магнитное поле передается через вторичную катушку железным сердечником.
Это вызывает постоянно изменяющееся напряжение во вторичной обмотке и, следовательно, переменный ток. индуцированный ток.

Уравнение трансформатора
Существует связь между напряжениями на первичной и вторичной катушках и количеством катушек.
напряжение на первичной обмотке = количество витков на первичной обмотке
напряжение на вторичной обмотке количество витков на вторичной

Vp = Np
Vs = Ns

мощность трансформатора
Предположим, у нас есть трансформатор, который на 100% эффективный, чтобы не было потерь энергии.
Если мы понизим напряжение, что произойдет с током? увеличивается
Если электрическая мощность определяется формулой P = IV, как мощность первичной обмотки соотносится с мощностью вторичной обмотки? это то же самое

Потери энергии в трансформаторе
Удивительно, но большинство работающих трансформаторов имеют КПД около 90%.
Однако часть энергии теряется:
— в виде тепла в обеих катушках
— в виде тепла в сердечнике
— в виде утечек в магнетизме
— в виде звуковой энергии (гудение трансформатора)
— в виде вихревых токов, уменьшенных за счет использования многослойного сердечника

Вопросы по трансформатору
Если у сетевого трансформатора (240 В) 1000 витков на первичной катушке, а на вторичной — 50 витков, какое будет вторичное напряжение?
Vs = 240/1000 x 50 = 12V
Если автомобильный аккумулятор подает 12 В на индукционную катушку, которая увеличивает это значение до 15000 В, а первичная катушка имеет 60 витков, какими будут витки вторичной обмотки?
Нс = 15000/12 x 60 = 75000 витков

Почему трансформаторы?
Проблема в том, что электрическая энергия может быть потрачена впустую в линиях электропередач от электростанции к пользователю.Эта потерянная энергия связана с током, протекающим в линиях электропередач. Его можно минимизировать, используя меньший ток для «транспортировки» энергии по линиям.
Для передачи той же мощности при меньшем токе требуется более высокое напряжение.

линия электропередачи низкого напряжения
высокий ток -> большие потери энергии из-за тепла

низкий ток -> меньшие потери энергии из-за тепла

Сила электромагнитов
По мере увеличения I сила электромагнита увеличивается, но они не пропорциональны.
Наступает момент, когда F выравнивается. Это точка насыщения, когда все домены выстроены в линию, поэтому любое дальнейшее увеличение тока не приводит к увеличению напряженности магнитного поля.
При уменьшении тока сила остается постоянно выше, чем когда ток увеличивался, создавая кривую гистерезиса.
Площадь петли гистерезиса указывает энергию, запасенную в железном сердечнике (аналогичный эффект наблюдался при загрузке и разгрузке резиновой ленты). -2 или Тесла (Т), где А — площадь поперечного сечения катушки.
Итак, у нас также есть phi = BA.

Использование сердечника из мягкого железа в соленоиде
Сердечник из мягкого железа в соленоиде имеет два основных эффекта
— для увеличения напряженности B-поля (плотности потока)
— для направления потока

Увеличение плотности потока
с заполнением воздухом

с сердечником из мягкого железа

Линии потока показаны красным цветом

phi (воздух) пропорционален NI, что дает phi (воздух) = заглавная лямбда (воздух) NI, где заглавная лямбда (воздух) является константой, называемой проницаемостью воздуха.-1
Обратите внимание, что поток внутри соленоидов однороден.

Магнитосцепление
Заглавная буква фи магнитного потока через катушку из N витков и площадь А в однородном магнитном поле — заглавная фи = BAN (заглавная фи = N, малый фи, где фи в маленьком регистре — поток для одиночной катушки) где B — составляющая магнитного поля, перпендикулярная плоскости катушки.

Направление потока

Поток через воздушный зазор

Поток через зазор, содержащий железо

Резюме + расширение
Предположим, у вас есть соленоид с N витками, током I, площадью поперечного сечения A и длиной L.-1
Фактически, проницаемость зависит от длины и площади поперечного сечения сердечника
Существует еще одна величина, называемая проницаемостью материала сердечника, которая выражается формулой mu = заглавная лямбда x L / A, что дает заглавную лямбда = mu A / L, где A — площадь поперечного сечения жилы, а L — ее длина.
Таким образом, мы получаем phi = A mu N I / L, альтернативную формулу для потока.
Кроме того, phi / A = B = mu N I / L
Термин NI является полезным термином, называемым током-витками для соленоида.

Сравнение

Электрическая цепь

I = V / R = VG (G = проводимость)

Для толстого короткого проводника с сопротивлением rho или сигма проводимости мы имеем
R = rho L / A или R = L / sigma A
и G = sigma A / L

помните:
— большой G означает большой I
— большой I означает короткий толстый провод

Хорошие проводники имеют большую проводимость

Магнитная цепь

phi (поток) = заглавная лямбда (проницаемость) NI (ток-витки)

Для сердечника с капитальной лямбдой проницаемости и проницаемостью mu мы имеем
заглавную лямбда = mu A / L

помните:
— для большого phi нужна короткая толстая железная цепь

Хорошие сердечники имеют большая проницаемость

Стандартный пример болота
Сила B-поля Земли в точке составляет 70 мкТл.-6 = 0,14 Тл

Теория электромагнитной индукции
Помните, что силовые линии магнитного поля в совокупности известны как поток, phi = BA
Если поток на 1 виток равен phi, общий магнитный поток, соединяющий N витков провода, равен N phi, или NBA, и называется потокосцеплением катушки.
Изменение магнитного потока d phi / dt вызывает ток в проводе и, следовательно, изменение ЭДС в катушке.
Индуцированная ЭДС-эпсилон в катушке пропорциональна d phi / dt.
Это, конечно, закон Фарадея, согласно которому индуцированная ЭДС пропорциональна скорости вызывающего ее изменения.
Фактически, epsilon = -N x d phi / dt, где знак — указывает, что ЭДС противодействует изменению, вызывающему его (Закон Ленца)

Модуль 6: Электромагнетизм | Руководство для начинающих по физике 12-го класса

В этой статье мы разберем электромагнетизм с первых принципов, чтобы вы поняли основные концепции и то, как их можно применить на практике в двигателе.

Что такое электромагнетизм?

В 11 классе вы узнали об электрических и магнитных полях и проанализировали поведение электрических цепей.Однако Джеймс Клерк Максвелл продемонстрировал в конце 19, ^-го,-го века, что электричество и магнетизм можно описать как аспекты одного явления: электромагнетизма.

Что включает в себя этот модуль?

В 12-м году мы изучаем, как заряды реагируют на оба типа полей, и используем наши знания, чтобы понять, как работают электрические устройства, такие как двигатели, генераторы и трансформаторы.

Модуль можно разделить на три основных области:

Сборы в полях E и B.
Моторный эффект и его приложения.
Электромагнитная индукция и ее приложения

Также существует вероятность, что вам также понадобится построить двигатель.

В этой статье мы обсудим

Раздел 1. Заряды в E- и B-полях

В 11-м году вы уже узнали о силах, действующих на заряженные частицы в электрических полях. Напомним, что сила задается

\ (\ overrightarrow {F} = q \ overrightarrow {E} \)

где \ (q \) — заряд в кулонах, а \ (E \) — напряженность электрического поля в \ (\ frac {N} { C} \).Направление силы зависит от заряда. Положительные заряды испытывают силу в направлении силовых линий, тогда как отрицательные заряды испытывают силу в противоположном направлении.

Чтобы упростить вопросы, часто используются постоянные электрические поля. Они создаются путем приложения напряжения \ (V \) между двумя параллельными металлическими пластинами, разделенными расстоянием \ (d \), что дает однородное поле между пластинами величиной

\ (E = \ frac {V} {d } \).

Заряд между пластинами будет испытывать постоянное ускорение, равное

\ (a = \ frac {F} {m} = \ frac {q} {m} \ E \).

Траектория частицы будет похожа на движение снаряда, поскольку у вас есть ускорение только в одном направлении (вниз в случае движения снаряда и в направлении электрической силы в случае электрического поля).

Заряд, движущийся через электрическое поле между двумя параллельными пластинами, будет иметь электрическую силу, постоянно действующую на него, что означает, что эта сила будет работать. Работа может быть выражена по-разному и будет влиять на кинетическую энергию частицы:

\ (W = \ Delta K = qV = qEd \).{-1} \), \ (B \) — напряженность магнитного поля в теслах, а \ (\ theta \) — угол между скоростью частицы и направлением магнитного поля.

Обратите внимание, что это уравнение говорит нам о двух важных вещах: неподвижная частица испытывает нулевую силу, как и частица, движущаяся параллельно силовым линиям магнитного поля.

Хотите повысить свои оценки по физике?

Дайте вам отметки в последнюю минуту, в которой они нуждаются. Подготовительный курс Matrix + Physics HSC предоставит вам индивидуальную обратную связь и помощь экспертов.Учить больше.

Чтобы определить направление магнитной силы, мы используем правило правой ладони. Большой палец указывает в направлении скорости положительной частицы. Пальцы указывают в направлении силовых линий магнитного поля. Направление, в котором ваша ладонь «толкает», — это направление силы, действующей на положительно заряженную частицу.

Изображение: линейка для правой руки для силового воздействия на заряд

Примечание:

Вы должны использовать правую руку.
Вы должны изменить направление силы, если частица заряжена отрицательно.
Ваши учителя в школе могут продемонстрировать альтернативные варианты этого правила; используйте ту версию, которую легче запомнить.

Если вы путешествуете под некоторым углом \ (0 ° <\ theta <90 ° \) к полю, подумайте, как это повлияет на компонент скорости, перпендикулярный полю.

Поскольку сила имеет постоянную величину и всегда перпендикулярна скорости, скорость частицы остается постоянной, но скорость меняет направление с постоянной скоростью.2} {R} \)

для \ (R \) радиуса круговой траектории.

Схема: круговое движение заряда в однородном магнитном поле

Раздел 2: Моторный эффект

Сила, действующая на отдельные заряды, может быть распространена на токи. По определению, провод с током содержит большое количество зарядов, движущихся в одном направлении с одинаковой скоростью! Это приведет к силе, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, — явление, называемое моторным эффектом.

Изображение: Воздействие двигателя на проводящий провод

Величина этой силы определяется как:

\ (F = lI _ {\ perp} B = lIB \ sin \ theta \)

где \ (l \) — длина провода внутри поля в метрах, \ (I \) — ток в амперах, \ (B \) — напряженность магнитного поля, а \ (\ theta \) — угол между вектором тока и силовыми линиями. Мы видим, что если ток параллелен полю, то силы нет, что соответствует тому, что мы видели в разделе 1.Направление силы определяется тем же правилом правой руки, что и в Разделе 1, где ваш большой палец теперь указывает в направлении тока (что было бы таким же, как скорость положительных зарядов, образующих ток).

Вспомните из 11-го года, что токоведущие провода также создают свои собственные магнитные поля. Это означает, что если два провода параллельны друг другу, каждый из них будет испытывать силу со стороны магнитного поля друг друга из-за особенностей двигателя. Эта сила этой силы определяется законом Ампера, который гласит, что сила на единицу длины \ (\ frac {F} {l} \) равна:

\ (\ frac {F} {l} = \ frac {μ_0} {2 \ pi} \ frac {I_1 I_2} {r} \)

, где \ (I_1 \) и \ (I_2 \) — два токи, r — расстояние между двумя проводами, а \ (μ_0 \) — проницаемость свободного пространства (\ (μ_0 = 4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} \ text {NA} ^ {- 2} \ )).

Моторный эффект лежит в основе электродвигателя — устройства, которое принимает электрическую энергию и преобразует ее в кинетическую энергию. Чтобы понять, как это сделать, начните с рассмотрения проводящей петли, помещенной внутри магнитного поля, как на схемах ниже (нижняя диаграмма показывает поперечное сечение петли).

Изображение: Ток в катушке двигателя

Изображение: Крутящий момент в той же петле (в поперечном разрезе)

С одной стороны, ток течет на страницу, а с другой — выходит наружу. страницы.

На каждой стороне петли будет сила. Силы действуют в противоположных направлениях, но обе приводят к крутящему моменту в одном и том же направлении — в данном случае по часовой стрелке — и поэтому петля начинает вращаться.

Чтобы обеспечить непрерывное вращение в одном направлении, нам нужно, чтобы ток в левой части диаграммы выше всегда находился вне страницы, а ток в правой части всегда был на странице. Это сохранит силы в направлениях, показанных выше, и крутящий момент по часовой стрелке.Для этого мы добавили коммутатор с разъемным кольцом, который переключает электрические контакты каждые пол-оборота и гарантирует, что крутящий момент всегда в одном и том же направлении. Электрические контакты называются щетками и поддерживают контакт между коммутатором (который находится на вращающейся части двигателя — роторе) и источником питания.

Изображение: Конструкция двигателя постоянного тока

Крутящий момент, создаваемый силами, действующими на катушку в двигателе, подобном приведенному выше, определяется соотношением

. \ (\ tau = nIA_ {\ bot} B = nIAB \ sin \ theta \)

Где \ (N \) — количество витков в катушке, \ (I \) — ток, протекающий через нее, \ (A \) — площадь катушки, \ (B \) — магнитное поле, которое испытывает катушка, а \ (\ theta \) — угол между нормалью к катушке и линиями магнитного поля.

Нужна помощь при сдаче экзамена по физике?

Раздел 3: Электромагнитная индукция

До сих пор в ваших исследованиях вы видели, что для протекания тока в цепи мы должны подключить ее к источнику разности потенциалов, например к батарее.

Существует альтернатива, основанная на взаимосвязи между электричеством и магнетизмом: мы можем использовать изменения магнитного потока, чтобы вызвать электродвижущую силу (ЭДС) и (если цепь замкнута) ток.

Магнитный поток \ (\ Phi \) по существу измеряет «общее количество» магнитного поля, содержащегося в определенной области, \ (A \). Его можно представить как общее количество замкнутых силовых линий, а напряженность магнитного поля \ (B \) — это плотность этих линий.

Диаграмма: Поток через замкнутую область

Математически:

\ (\ Phi = B_ {∥} A = BA \ cos \ theta \)

где \ (B \) — напряженность магнитного поля, \ (A \) — площадь, а \ (\ theta \) — угол между линиями поля и вектор нормали к площади.2 \)).

Майкл Фарадей обнаружил, что при изменении потока, проходящего через проводящую петлю, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Это известно как закон Фарадея, и его можно записать математически:

\ (\ epsilon = -N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \)

Обратите внимание, что \ (N \) — это количество петель, в которых изменяется поток, например в соленоиде. Изменение потока может быть связано с изменениями в \ (B \), \ (A \), \ (θ \) или любой их комбинацией. ЭДС может привести к разделению заряда и напряжению, а если контур образует замкнутую цепь, к току.Величина тока зависит от сопротивления цепи и подчиняется закону Ома:

\ (I = \ frac {V} {R} \)

Что означает отрицательный знак в законе Фарадея? Ответ выражается в законе Ленца, который гласит, что индуцированная ЭДС (и ток) будет иметь такое направление, что создаваемый поток будет противодействовать вызвавшему его изменению потока.

Например, если вы пытаетесь увеличить поток на страницу через цикл, он реагирует, создавая свой собственный поток из страницы — чтобы противодействовать увеличению.Если вы попытаетесь уменьшить поток на страницу, он отреагирует, создав свой собственный поток на страницу — чтобы противодействовать уменьшению.

Закон Ленца определяет направление наведенной ЭДС и наведенного тока (если он есть). Закон Ленца также приведет к возникновению противодействующей силы, что наиболее полезно в случаях, когда изменение потока, вызывающее индукцию, было вызвано движением. Например, если поток через катушку увеличивается из-за того, что магнит приближается к ней, индукция приведет к возникновению силы, противодействующей движению магнита.

Изображение: Индукция тока в контуре из-за изменения магнитного потока

Индукция имеет множество применений: это принцип, лежащий в основе генератора, трансформаторов, беспроводных зарядных устройств и асинхронного двигателя переменного тока.

Генератор конструктивно аналогичен двигателю, однако катушка вращается вручную, в результате чего изменяется магнитный поток. Это приводит к индуцированной ЭДС и току по законам Фарадея и Ленца, который и является произведенным электричеством.

Ток, генерируемый вращающейся катушкой, всегда переменный.Генератор постоянного тока может быть изготовлен с использованием конструкции, идентичной двигателю постоянного тока, где коммутатор с разъемным кольцом будет преобразовывать переменный ток, индуцированный в катушке, в постоянный ток во внешней цепи. Генератор переменного тока можно сделать, заменив коммутатор двумя контактными кольцами — каждое контактное кольцо подключено к одной стороне катушки, и только одна щетка, и проводит переменный ток через внешнюю цепь.

Трансформатор — это устройство, используемое для преобразования входного переменного напряжения в другое выходное напряжение, которое может быть выше (повышающий трансформатор) или ниже (понижающий трансформатор).

Изображение: Конструкция трансформатора

Переменный ток в первичной обмотке приводит к постоянно изменяющемуся магнитному потоку. Вторичная обмотка испытывает это изменение магнитного потока, и в результате законов Фарадея и Ленца во вторичной обмотке будут индуцироваться ЭДС (напряжение) и ток.

Напряжения в каждой обмотке связаны следующим уравнением:

\ (\ frac {V_p} {V_s} = \ frac {N_p} {N_s} \)

Согласно законам сохранения энергии, идеальный трансформатор будет передавать 100% мощности из первичной обмотки во вторичную, так что:

\ (V_pI_p = V_sI_s \).

Индукция также может использоваться для объяснения работы асинхронных двигателей. В отличие от двигателя постоянного тока, рассмотренного ранее, ротор (центральная часть, которая вращается) в асинхронном двигателе переменного тока не питается напрямую током. Вместо этого мы используем электромагнитную индукцию, чтобы вызвать ток в роторе.

Трехфазный источник питания переменного тока используется для питания катушек в статоре (внешняя неподвижная часть) асинхронного двигателя. Это эффективно создает вращающееся магнитное поле.Ротор находится внутри этого поля и испытывает изменение магнитного потока. Следуя законам Фарадея и Ленца, в роторе индуцируется ток, который, в свою очередь, приводит к появлению сил и крутящего момента, и он начинает вращаться в том же направлении, что и поле.

Электромагнитная индукция возникает как в сплошных проводниках, так и в петлях. В сплошных проводниках индуцированные токи текут по круговой траектории и называются «вихревыми токами». Они часто нежелательны, поскольку рассеивают электрическую энергию в виде тепла e.грамм. в сердечнике трансформатора. Однако есть случаи, когда это рассеяние энергии полезно, например, при электромагнитном торможении, когда сила торможения из закона Ленца обеспечивает силу торможения.

Другой нежелательный пример индукции — в двигателях постоянного тока. Когда катушка двигателя вращается в магнитном поле, она испытывает изменяющийся магнитный поток, как катушка в генераторе. Индукция противодействует вызвавшему ее изменению, поэтому индуцированная ЭДС имеет направление, противоположное напряжению, питающему двигатель, и называется обратной ЭДС.Обратная ЭДС снижает общее напряжение и ток на катушке и, следовательно, уменьшает крутящий момент, вызывающий вращение.

Вам нужно построить двигатель постоянного тока?

Вы можете применить это на практике при создании двигателя постоянного тока. Если вы хотите узнать больше о практическом применении этой теории, вам следует ознакомиться с этими двумя статьями:

© Matrix Education и www.matrix.edu.au, 2021. Несанкционированное использование и / или копирование этого материала без явного и письменного разрешения автора и / или владельца этого сайта строго запрещено.Выдержки и ссылки могут быть использованы при условии, что Matrix Education и www.matrix.edu.au полностью и четко указали на исходный контент с соответствующим конкретным указанием.

Электромагнетизм | ClearlyExplained.com

Электромагнетизм — это раздел физики, связанный с изучением электромагнитной силы, типа физического взаимодействия, которое происходит между электрически заряженными частицами.

Иллюстрация электрического поля, окружающего положительный (красный) и отрицательный (синий) заряд.изображение: Geek3 / wikipedia

Электромагнитная сила обычно проявляет электромагнитные поля, такие как электрические поля, магнитные поля и свет, и является одним из четырех фундаментальных взаимодействий (обычно называемых силами) в природе. Три других фундаментальных взаимодействия — это сильное взаимодействие (сила), слабое взаимодействие и гравитация.

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения.изображение: Dave3457 / wikipedia

Происхождение слова

Слово «электромагнетизм» представляет собой сложную форму двух греческих терминов ἤλεκτρον ēlektron, «янтарь», и μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, что означает «магнезийский камень», разновидность железной руды. определяется в терминах электромагнитной силы, иногда называемой силой Лоренца, которая включает электричество и магнетизм как разные проявления одного и того же явления.

Ежедневные применения электромагнетизма

Электромагнитная сила играет важную роль в определении внутренних свойств большинства предметов, встречающихся в повседневной жизни. Обычная материя принимает свою форму в результате межмолекулярных сил между отдельными атомами и молекулами вещества и является проявлением электромагнитной силы. Электроны связаны электромагнитной силой с атомными ядрами, а их орбитальные формы и их влияние на соседние атомы с их электронами описываются квантовой механикой.Электромагнитная сила управляет всеми химическими процессами, которые возникают в результате взаимодействия электронов соседних атомов.

Теоретико-математические аспекты электромагнетизма

Существует множество математических описаний электромагнитного поля. В классической электродинамике электрические поля описываются как электрический потенциал и электрический ток. В законе Фарадея магнитные поля связаны с электромагнитной индукцией и магнетизмом, а уравнения Максвелла описывают, как электрические и магнитные поля генерируются и изменяются друг другом, а также зарядами и токами.

Теоретические последствия электромагнетизма, в частности установление скорости света на основе свойств «среды» распространения (проницаемость и диэлектрическая проницаемость), привели к развитию специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Электромагнитная сила одна из четырех основных сил природы. При высокой энергии слабая сила и электромагнитная сила объединяются в одну электрослабую силу. В истории Вселенной в эпоху кварков объединенная сила распалась на две отдельные силы, когда Вселенная остыла.

Источник адаптирован из : авторы Википедии. (2018, 11 сентября). Электромагнетизм. В Википедии, Свободной энциклопедии. Получено в 22:01, 23 сентября 2018 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetism&oldid=8592

Фактов об электромагнетизме для детей

Молния — это электростатический разряд, который проходит между двумя заряженными областями.

Электромагнетизм — это исследование электромагнитного поля.Электромагнитное поле толкает или притягивает все, что имеет электрический заряд. Электромагнитное поле влияет на все пространство.

Электрические поля

Электрическое поле — это область, в которой заряженные частицы будут ощущать электрическую силу. Единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон. Электромагнетизм тесно связан как с электричеством, так и с магнетизмом, потому что оба связаны с движением электронов.

Электрические поля можно нарисовать стрелками. Стрелки указывают, в какую сторону толкнет положительная частица, например протон, если она находится в поле.Отрицательные частицы, такие как электроны, будут двигаться в направлении, противоположном стрелкам. В электрическом поле стрелки будут указывать от положительных частиц к отрицательным. Итак, протон в электрическом поле переместится от другого протона или к электрону.

Магнитное поле — это часть электрического поля, которая действует только на движущиеся заряды.

Благодаря электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое поле. Эта концепция используется для работы электрических генераторов, асинхронных двигателей и трансформаторов.Поскольку два типа полей зависели друг от друга, они считаются одним целым. Вместе они называются электромагнитным полем .

Электромагнитная сила — одна из фундаментальных сил природы. Электромагнитная сила — это сила, которая вызывает притяжение между электронами и положительным ядром. Все силы между атомами вызваны электромагнитной силой.

Электромагнитное излучение

Считается, что электромагнитное излучение представляет собой и частицу, и волну.Это потому, что иногда он действует как частица, а иногда как волна. Чтобы упростить задачу, мы можем представить электромагнитную волну как поток фотонов (символ γ).

Фотоны

Фотон — элементарная частица. Это частица, из которой состоит свет. Фотоны также составляют все другие типы электромагнитного излучения, такие как гамма-лучи, рентгеновские лучи и УФ-лучи. Идея фотонов была придумана Эйнштейном. Используя свою теорию фотоэлектрического эффекта, Эйнштейн сказал, что свет существует в небольших «пакетах» или пакетиках, которые он назвал фотонами.

Фотоны обладают энергией и импульсом. Когда два электромагнитных поля действуют друг на друга, они переключают фотоны. Таким образом, фотоны переносят электромагнитную силу между заряженными объектами. Фотоны также известны в физике как частицы-посланники, потому что эти частицы часто передают сообщения между объектами. Фотоны посылают сообщения «подойди ближе» или «уйди» в зависимости от заряда объектов, на которые смотрят. Если сила существует в течение времени, то в это время происходит обмен фотонами.

Фундаментальные электромагнитные взаимодействия происходят между любыми двумя частицами, имеющими электрический заряд. Эти взаимодействия включают обмен или производство фотонов. Таким образом, фотоны являются частицами-носителями электромагнитных взаимодействий.

Процессы электромагнитного распада часто можно распознать по тому факту, что они производят один или несколько фотонов (также известных как гамма-лучи). Они протекают медленнее, чем процессы сильного распада с сопоставимой разницей масс, но быстрее, чем сопоставимые слабые распады.

История

В 1600 году Уильям Гилберт сказал, что электричество и магнетизм — это два разных эффекта в своей книге De Magnete . Связь между электричеством и магнетизмом была обнаружена в работах Ганса Христиана Эрстеда. Затем ученый по имени Ампер применил математику в электромагнетизме. Многие физики разработали теорию электромагнетизма, известную теперь как классический электромагнетизм. Затем Джеймс Клерк Максвелл объединил все в одну теорию электромагнетизма.Этот тип электромагнетизма был основан на уравнениях Максвелла и силовом законе Лоренца. Исследования Максвелла показали, что такое свет на самом деле. Работа Максвелла не работала с классической механикой, потому что он сказал, что скорость света всегда постоянна. Это зависело только от проницаемости вещества, через которое он проходил. Это привело к развитию Эйнштейном специальной теории относительности.

Проблемы классического электромагнетизма

Работа Альберта Эйнштейна с фотоэлектрическим эффектом и работа Макса Планка с излучением черного тела не соответствовала традиционному взгляду на свет как на непрерывную волну.Эта проблема будет решена после развития квантовой механики в 1925 году. Это развитие привело к развитию квантовой электродинамики, которую разработали Ричард Фейнман и Джулиан Швингер. Квантовая электродинамика смогла подробно описать взаимодействия частиц.

Картинки для детей

Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму

Убедитесь, что в вашем браузере включен JavaScript. Если вы оставите отключенным JavaScript, вы получите доступ только к части предоставляемого нами контента.Вот как.

Этот ресурс предоставляет введение в различные темы электричества и магнетизма, которые могут оказаться полезными при проведении фоновых исследований для ваших проектов Science Buddies. Информации, которую вы найдете здесь, достаточно для большинства проектов на веб-сайте Science Buddies, но помните, что по каждой теме написано целых книг, , так что есть еще много чего узнать! Мы рекомендуем читать вкладки по порядку, но вы можете щелкнуть по ссылкам ниже, чтобы сразу перейти к определенной теме:

Кредиты

Сабина де Брабандере, доктор философии, и Бен Финио, доктор наук, приятели науки

Цитируйте эту страницу

MLA Стиль

«Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму.» Друзья науки , 22 октября 2021 г., https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/references/electricity-magnetism-electromagnetism-tutorial. По состоянию на 30 ноября 2021 г.

Стиль APA

(2021, 22 октября). Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму. Полученное из https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/references/electricity-magnetism-electromagnetism-tutorial

Краткое изложение основных понятий

Заряженные частицы — часто отрицательно заряженные электроны — являются основой электричества.
Статическое электричество — это дисбаланс положительных и отрицательных электрических зарядов.
Противоположные электрические заряды притягиваются; как электрические заряды отталкивают.

Что такое статическое электричество?

Мы используем электрические устройства, такие как фонари, радио, сотовые телефоны, компьютеры и многое другое каждый день. Подключаем устройства к розетке в стене или заряжаем их батареями, но что такое электричество?

Чтобы понять электричество, нам сначала нужно изучить атом. Атомы — это основные строительные блоки для всего материала, который нас окружает. Они состоят из нескольких более мелких частиц, включая электроны. Электроны имеют отрицательный электрический заряд и вращаются вокруг положительно заряженного ядра (состоящего из положительно заряженных протонов и нейтронов , которые не несут электрический заряд) внутри атомов. Иногда эти электроны убегают и перемещаются между атомами или захватываются другим атомом.Эти ускользнувшие электроны — основа электричества, которое вы используете каждый день.

Некоторые материалы, называемые , изоляторы очень плотно удерживают свои электроны. Электроны нелегко перемещаются через эти материалы. Примеры: пластик, дерево, ткань, стекло или сухой воздух. Хотя электроны обычно нелегко проходят через изоляторы, все еще возможно переносить некоторые электроны от одного изолятора к другому. Один из распространенных способов — потереть два таких предмета вместе. Это создает дисбаланс положительных и отрицательных зарядов, называемый статическим электричеством .Если вы когда-нибудь терли воздушный шар о ткань, а затем прикрепляли его к стене, это пример статического электричества. Волосы встают дыбом в холодный зимний день — еще один пример статического электричества. Статическое электричество может накапливаться практически на любом материале.

А знаете ли вы , почему воздушный шарик прилипает к стене или у вас волосы дыбом? Это происходит потому, что они становятся электрически заряженными, а электрические заряды толкают и притягивают друг друга. Противоположные заряды (положительный и отрицательный) притягиваются или притягиваются друг к другу.Подобные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются или отталкиваются друг от друга. На рисунке 1 ниже показано это взаимодействие между зарядами.

Рисунок 1. Одинаковые электрические заряды (два положительных заряда, как показано, или два отрицательных заряда) отталкиваются друг от друга или отталкиваются друг от друга, в то время как противоположные заряды (положительный и отрицательный заряды) притягиваются или притягиваются друг к другу. . На этом рисунке показано, что произошло бы, если бы у вас были электрически заряженные шары, свисающие с веревок.Два одинаковых заряда отталкиваются друг от друга, а два противоположных заряда тянутся друг к другу.

Нечто подобное изображенному на Рисунке 1 (левое изображение) происходит, когда волосы встают дыбом на вашей голове, когда вы снимаете шерстяную шляпу в холодный зимний день. Трение волос о шерстяную шляпу электрически заряжает волосы, и поскольку все волосы имеют «одинаковые» электрические заряды, они отталкиваются друг от друга, поэтому волосы удаляются как можно дальше друг от друга.

Иногда, когда на объекте накапливается достаточно статического электричества, возникает искра .Искра — это когда электроны прыгают по воздуху от одного близлежащего объекта к другому. Это называется статическим разрядом . Вы можете почувствовать крошечный статический разряд, шаркая ногами по ковру, а затем коснувшись металлического предмета, например дверной ручки. Молния — это пример очень большого (и опасного!) Статического разряда.

Техническая нота

Атом, теряющий один или несколько электронов, имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных зарядов (электронов). Следовательно, он заряжен положительно.Атом, который захватывает один или несколько дополнительных электронов, получает полный отрицательный заряд. Заряженные атомы называются ионами .

Проекты по смежным наукам

Вот список научных проектов, связанных со статическим электричеством.

Краткое изложение основных понятий

Переменная	Описание	Единица	Аббревиатура единицы
Плата	Количество электроэнергии; может быть положительным, отрицательным или нейтральным.	Кулон	C
Ток	Количество электрического заряда, проходящего через область в секунду.	Ампер	A
Напряжение	Также называется электрическим потенциалом или «давлением», которое заставляет ток течь.	В	В
Сопротивление	Насколько сложно протекать ток.	Ом	Ом
Мощность	Энергия, потребляемая или производимая в секунду.	Вт	Вт

Что такое электрический ток?

Заряженные частицы — основа всего электричества. Статическое электричество — это явление, вызванное электрическими зарядами в состоянии покоя. В этом разделе вы изучите, что происходит, когда заряженные частицы начинают коллективно двигаться. В этом разделе мы обсудим электроны как носители заряда, но другие типы частиц также могут нести заряд. Для получения более подробной информации см. Техническое примечание: Направление электрического тока.

У некоторых материалов есть несколько слабо удерживаемых электронов, которые могут вылетать из одного атома и легко перемещаться между другими атомами. Мы называем эти электроны свободными электронами . Материалы с большим количеством свободных электронов называются проводниками . Они хорошо проводят электричество. Большинство металлов являются хорошими проводниками.

Когда множество свободных электронов движется в одном направлении, мы называем это электрическим током . Величина электрического тока относится к количеству электронов (точнее, их зарядов), проходящих через площадь за единицу времени, и измеряется в ампер (обычно называется ампер для краткости , сокращенно с заглавной буквы A). .Один ампер равен примерно 6,24 × 10 ¹⁸ или 6,24 квинтиллионов электронов, проходящих за 1 секунду. Поскольку у электрона такой небольшой заряд, кулон (обозначаемый с заглавной буквы C) часто используется как единица заряда для 6,24 × 10 ¹⁸ электронов. В этих устройствах 1 ампер (A) — это ток, создаваемый 1 кулоном (C), проходящим в секунду. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, а кулон означает положительный заряд, необходимы некоторые определения. Они объяснены в Техническом примечании: Направление электрического тока.

Точно так же, как воде требуется перепад давления, чтобы начать течь, электронам нужна разность электрических потенциалов , чтобы заставить их двигаться. Разность потенциалов дает энергию для движения. Разность электрических потенциалов также называется , напряжение и измеряется в вольт (сокращенно В). В случае воды давление может создаваться водяным насосом или перепадом высоты, как в водонапорной башне. В электронике батареи и электрические генераторы являются обычными источниками напряжения.Наличие двух разных зарядов также создает напряжение; он дает электрическим зарядам энергию для протекания.

Проводники позволяют току легко проходить через них, и заряды не теряют много энергии при прохождении через эти материалы. Подобно тому, как вода замедляется, когда сталкивается с меньшим участком трубы, электрический ток может встречаться с материалами, через которые труднее пройти. Это препятствие для потока измеряется переменной, называемой сопротивлением , и измеряется в Ом (сокращенно Ом ).Чем выше значение сопротивления, тем больше материал препятствует (или сопротивляется) току и тем больше энергии теряется при прохождении через него тока. Напряжение, ток, который он генерирует, и сопротивление взаимосвязаны; это соотношение теперь известно как закон Ома и гласит, что напряжение равно току, умноженному на сопротивление, или в форме уравнения:

Уравнение 1:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Общая электроэнергии , обеспечиваемая источником, равна сумме заряда, умноженной на напряжение.Источник, обеспечивающий большее напряжение или большее количество зарядов (больше электронов), приведет к доставке большего количества электроэнергии, что, в свою очередь, позволяет ему питать «более тяжелые» электрические устройства или приборы. Техническое примечание: «Потребляемая энергия» объясняет это более подробно.

Техническое примечание: направление электрического тока

Электроны, будучи маленькими и легкими, легко перемещаются и создают основную часть электрического тока, с которым мы сталкиваемся, как ток, получаемый от настенных розеток или производимый большинством батарей.По этой причине мы продолжим обсуждать электричество как поток электронов. Иногда электрический ток создается потоком других заряженных частиц, таких как ионов (атомов, которые имеют чистый электрический заряд из-за недостатка или избытка электронов). Чтобы учесть все вариации, электрический ток более точно определяется как количество электрического заряда, проходящего за единицу времени, независимо от того, какие частицы несут электрический заряд.

До сих пор мы описали только сумму текущего.Направление задается знаком (положительным или отрицательным) тока. Обычно положительный электрический ток составляет против направления потока электронов. Это называется обычным током . Это означает, что если вы нарисуете стрелку в направлении, в котором электроны движутся по проводу, обычный ток укажет в противоположном направлении.

Рис. 2. Если ток представлен положительной переменной (называемый обычным током , представленный красной стрелкой на рисунке), стрелка, представляющая направление тока, будет указывать противоположно движению электроны (обозначены синей стрелкой).

Батарейки часто используются в качестве источника электрического тока. Батарея имеет положительный полюс, обозначенный символом «+», и отрицательный полюс (хотя «-» — это символ отрицательного полюса, он обычно не печатается на батарее). Отрицательный вывод имеет избыток электронов, что придает ему отрицательный заряд. Эти электроны текут от отрицательного вывода к положительного вывода, когда между ними есть токопроводящий путь. Направление обычного тока противоположно этому — от положительной клеммы до отрицательной клеммы, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Когда проводящий материал соединяет две клеммы батареи, электроны будут течь от отрицательной клеммы к положительной. Обычный ток будет указывать с положительной клеммы на отрицательную.

Техническое примечание: Потребляемая энергия

Большинство наших приборов указывают, сколько электроэнергии им требуется в секунду, когда они используются. Это называется мощностью , выраженной в Вт (сокращенно Вт).Мощность представляет собой количество электроэнергии (или напряжение, умноженное на заряд), потребляемое приборами в секунду, когда они работают. Если вы запишете эти отношения в форме уравнения:

Уравнение 2:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Уравнение 3:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Уравнение 4:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

А затем немного измените уравнения (попробуйте это, если вы умеете делать алгебру), вы можете увидеть, что электрическая мощность равна напряжению, умноженному на ток:

Уравнение 5:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

И эта энергия равна мощности, умноженной на время:

Уравнение 6:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Ваш счет за электроэнергию выражает потребление электроэнергии в киловатт-часах.1 киловатт-час означает использование 1000 ватт (Вт) в течение 1 часа (ч). Однако обратите внимание, что электричество, подаваемое в ваш дом по линиям электропередач, составляет переменного тока , что означает, что напряжение и ток изменяются со временем, а не остаются постоянными. Это объясняется в следующем разделе.

Проекты по смежным наукам

Вот список научных проектов, связанных с электрическим током.

Краткое изложение основных понятий

Ток может течь только в замкнутой цепи из проводящего материала.
В постоянном токе (DC) все электроны движутся в одном направлении. В переменном токе (AC) электроны движутся вперед и назад с определенной частотой, измеряемой в герцах (Гц).
Внимание : Никогда не подключайте самодельную электрическую схему непосредственно к розетке; переменный ток от сетевой розетки может серьезно навредить вам.

Как протекает ток: постоянный и переменный ток

В разделе «Текущее электричество» вы узнали об электрическом заряде, токе, напряжении и других связанных темах.Но то, что у вас есть напряжение, не означает, что электрический ток будет течь. Электроны также нуждаются в полной петле из проводящего материала для протекания, называемой замкнутой схемой .

Давайте посмотрим на выключатель света. Когда вы включаете переключатель, он создает путь, по которому проходит электричество, и электроны начинают двигаться, то есть течет электрический ток, и включается свет. Как только вы выключаете переключатель, путь прерывается, и электроны больше не могут течь. Выключатель похож на подъемный мост; его включение приводит к опусканию моста, так что электроны могут пересекать (точно так же, как автомобили пересекают мост) и передавать энергию лампочке.

Рисунок 4. Иллюстрация того, как электрический ток может проходить через замкнутый контур из проводящего материала (левый рисунок), но прекращает течь, когда контур разрывается (правый рисунок). На этом рисунке показано, как загорается лампочка при подключении к замкнутой цепи. Обратите внимание, что желтые стрелки показывают направление обычного тока.

Итак, помните, что для протекания электрического тока должен быть замкнутый контур из проводящего материала.Есть два разных способа, которыми электроны могут двигаться через петлю из проводящего материала и создавать электрический ток: постоянный ток и переменный ток.

В случае постоянного тока (сокращенно DC ) электроны всегда перемещаются по контуру в одном и том же направлении (так что обычный ток также имеет постоянное направление). На рисунке 5 ниже показан постоянный ток или все электроны, движущиеся в одном направлении по проводящему проводу.Все устройства с батарейным питанием, такие как сотовые телефоны и фонарики, работают от постоянного тока. Обратите внимание, что постоянное напряжение создает постоянный ток.

Рис. 5. В случае постоянного тока (DC) свободные электроны всегда вместе движутся в одном и том же направлении. Важно : Эта цифра не в масштабе. Прочтите техническое примечание ниже, чтобы получить более точное описание.

В случае переменного тока ( AC ) электроны перемещаются вперед и назад.На рисунке 6 ниже показана анимация переменного тока. В один момент они все вместе движутся в одном направлении, а в следующий момент они все вместе движутся в противоположном направлении, создавая колеблющийся электрический ток . Одно возвратно-поступательное колебание называется циклом , , а количество циклов, доставляемых за единицу времени, называется частотой . Частота измеряется в герцах (Гц). Один цикл в секунду составляет 1 Гц, десять циклов в секунду — 10 Гц и т. Д.Обратите внимание, что напряжение, создающее этот ток, будет меняться с той же частотой.

Рис. 6. В случае переменного тока (AC) свободные электроны коллективно перемещаются вперед и назад. Помните, что, как и на рисунке 5, эта фигура не в масштабе. Прочтите техническое примечание ниже, чтобы получить более точное представление.

Линии электропередач подают в наши дома переменный ток. В зависимости от того, в какой стране вы находитесь, переменный ток от розеток обычно составляет 50 или 60 циклов в секунду (Гц).Большинство электроприборов, которые мы «подключаем к стене», работают от переменного тока. Некоторым приборам нужен «адаптер» или «преобразователь» для преобразования переменного тока в постоянный, например, зарядное устройство для сотового телефона.

Техническая нота

Глядя на приведенные выше цифры, всегда помните, что при токе в 1 ампер (А) на самом деле через проводящий провод проходит квинтиллионов электронов в секунду. Кроме того, эти электроны на самом деле не движутся по прямой.На самом деле, электроны отскакивают между атомами в проводнике, как показано на рисунке 7 ниже. Общий дрейф в одном направлении создает электрический ток. Помните, что направление обычного тока противоположно направлению движения электронов, как показано на рисунке.

Рис. 7. Иллюстрация того, как электроны отскакивают между атомами в проводнике, где общий дрейф в одном направлении создает электрический ток.Обратите внимание, что эта фигура также не в масштабе — электроны на много на меньше, чем атомы, но они настолько крошечные, что невозможно нарисовать точную фигуру в масштабе, на которой вы можете видеть электроны.

Чтобы понять разницу между переменным и постоянным током, вы также можете построить график зависимости электрического тока от времени. Для постоянного тока ток постоянный (прямая линия). Для переменного тока ток колеблется взад и вперед:

Пример графика ампер во времени показывает переменный и постоянный токи.Переменный ток, обозначенный синим цветом, имеет значение в амперах, которое изменяется от положительного 1 до отрицательного 1, образуя волну с постоянной частотой. Постоянный ток — это прямая горизонтальная линия красного цвета, поддерживающая постоянное значение в амперах 1.

.
Рисунок 8. Графическое представление тока (ось y) в зависимости от времени (ось x) постоянного и переменного тока. На этом рисунке переменный ток завершает один цикл каждую секунду, то есть имеет частоту 1 Гц. Обратите внимание, что отрицательный ток представляет собой ток в противоположном направлении.

Советы по безопасности

Электричество опасно для человека. На самом деле наш мозг, мышцы и нервы работают с крошечными электрическими сигналами. Небольшой и короткий разряд от небольшого количества электрического заряда, проходящего через ваше тело, не повредит вам. Однако большее количество электричества может мешать электрическим сигналам в вашем теле (например, сигналу, который заставляет ваше сердце регулярно биться) и может создавать тепло, которое может сжечь ткани, поэтому всегда будьте осторожны с электричеством.Большинство проектов в области домашней науки включают схемы с батарейным питанием. Хотя при использовании батарей необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности (например, при коротком замыкании подключенные к ним батареи и провода могут очень сильно нагреться, а батареи могут даже взорваться), в целом батареи не являются серьезная опасность поражения электрическим током. Однако переменный ток от розеток в вашем доме очень опасен . Вы должны никогда не пытаться использовать электричество непосредственно из розетки для питания самодельной цепи, если только у вас нет взрослого, который поможет вам использовать преобразователь переменного тока в постоянный (устройство, которое преобразует переменный ток из стенной розетки в безопасный уровень постоянного тока, зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков).

Проекты по смежным наукам

Вот список научных проектов, связанных с созданием схем, и перечень проектов, связанных с электрическим током.

Краткое изложение основных понятий

У каждого магнита есть северный и южный полюсы. Северный и южный полюсы притягиваются друг к другу, тогда как одинаковые полюса (север-север или юг-юг) отталкивают друг друга.
Магниты окружены магнитным полем, которое создает толчок или притяжение других магнитов или магнитных материалов в этом поле.
Магниты (особенно неодимовые или редкоземельные) могут быть опасными; всегда читайте меры предосторожности, прежде чем обращаться с ними.

Что такое магнетизм?

На следующих страницах объясняется, как работают магниты . Прежде чем продолжить чтение, посмотрите наш короткий видеоролик о магнетизме:

Краткое ознакомительное видео о магнитах и электромагнитах. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

Играя с магнитами, вы, вероятно, заметили, что магнит можно использовать для притяжения определенных материалов или объектов, но не других.На рисунке 9 ниже показан магнит, захватывающий металлические винты и скрепки, но не влияющий на дерево, резину, пенополистирол или бумагу.

Рис. 9. Магнит можно использовать для захвата многих металлических предметов, таких как винты или скрепки (слева), но он не влияет на некоторые материалы, включая пластик, резину, дерево или даже некоторые металлы (справа).
Если вы когда-либо играли с двумя или более магнитами одновременно, вы, вероятно, заметили, что магниты могут притягиваться или отталкиваться друг от друга, в зависимости от того, как они расположены.Это потому, что каждый магнит имеет северный полюс и южный полюс . Противоположные полюсов притягиваются друг к другу (север и юг) и одинаковых полюсов отталкиваются друг от друга (север-север или юг-юг). Магниты часто обозначаются буквой N для северного полюса и S для южного полюса, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10. У каждого магнита есть северный и южный полюсы. противоположные полюса тянутся друг к другу, а одинаковых полюсов отталкиваются друг от друга.
Если вы смотрели видео выше, вы могли заметить, что магнитные полюса могут толкать и тянуть друг друга, не касаясь друг друга . Магниты могут это делать, потому что они окружены магнитным полем . Именно магнитное поле создает силу (толкающую или тянущую) на другие магниты или магнитные материалы в поле. Магнитное поле ослабевает по мере удаления от магнита; поэтому магниты могут быть очень сильными вблизи, но они не оказывают большого влияния на объекты (как и другие магниты), которые находятся очень далеко.
Магнитные поля невидимы; вы не можете увидеть их своими глазами. Итак, как мы узнаем, что они там, или как они выглядят? Ученые изобразили невидимое магнитное поле, нарисовав линий магнитного поля . Это линии, которые указывают от северного полюса до южного полюса вне магнита ( внутри магнита, которые они указывают от южного полюса к северному полюсу). Магнитное поле является самым сильным (или магнит имеет самое сильное притяжение или давление на другой магнитный материал), когда эти линии сгруппированы близко друг к другу, и самое слабое, где они расположены дальше друг от друга.Распространенный способ визуализации силовых линий магнитного поля — это рассыпать множество крошечных железных опилок возле магнита. Железные опилки совпадают с линиями магнитного поля, как показано на рисунке 11.

Рис. 11. Слева линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к южному полюсу за пределами магнита (изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Geek3, 2010). Справа вы можете увидеть эти линии с использованием железных опилок.
Магнитное поле можно также обнаружить с помощью компаса .Компас, подобный показанному на рисунке 12, на самом деле представляет собой небольшой стержневой магнит, который может свободно вращаться на оси.

Рис. 12. Компас — это устройство с вращающейся магнитной стрелкой, которое можно использовать для навигации. N, S, E и W на компасе обозначают север, юг, восток и запад соответственно. На этом изображении N и S частично скрыты за иглой.
Обычно компас выравнивается с магнитным полем Земли, поэтому его стрелка будет примерно соответствовать географическому направлению север-юг (хотя и не идеально; на самом деле между магнитным и географическим полюсами Земли есть небольшое смещение).Это означает, что для навигации можно использовать компас, чтобы вы могли определить направления на север, юг, восток и запад. Однако, если вы поднесете компас очень близко к другому магниту, этот магнит окажет на стрелку более сильное воздействие, чем магнитное поле Земли. Стрелка компаса выровняется с местным магнитным полем (или «рядом») (линии, показанные на рисунке 11).
Техническая нота
Земля на самом деле действует так, как будто внутри нее находится большой перевернутый стержневой магнит.Полюс южный этого стержневого магнита на самом деле находится рядом (но не идеально совмещен с) земным северным полюсом , и наоборот. Таким образом, часть стрелки компаса (обычно красный конец), которая указывает на южный полюс магнита (как на рисунке 13), будет указывать на географический северный полюс Земли . Это может сбивать с толку; просто посмотрите на рис. 13, если вам нужно вспомнить, какой конец стрелки компаса какой конец!

Рисунок 13. Вы можете представить себе магнитное поле Земли, как будто внутри Земли похоронен гигантский стержневой магнит. Полюс магнита южный близок к географическому полюсу север Земли, а полюс север магнита близок к географическому полюсу южный Земли. Магнитный и географический полюса Земли не совпадают друг с другом идеально, но они очень близки.
Есть несколько различных типов магнитов. Постоянные магниты — это магниты, которые постоянно сохраняют свое магнитное поле.Это отличается от временного магнита , который обычно имеет магнитное поле только тогда, когда он помещен в более сильное магнитное поле или когда через него протекает электрический ток. Стержневой магнит и скрепки на Рисунке 9 являются примерами постоянных и временных магнитов соответственно. Стержневой магнит всегда окружен магнитным полем, поэтому он является постоянным магнитом. Скрепки для бумаг , а не обычно имеют магнитное поле; Другими словами, вы не можете использовать одну скрепку, чтобы взять другую скрепку.Однако, когда вы подносите стержневой магнит к скрепкам, они намагничиваются и ведут себя как магниты, поэтому они представляют собой временные магниты . Другой тип временного магнита, называемый электромагнитом , использует электричество для создания магнита. См. Вкладку «Электромагнетизм», чтобы узнать больше об электромагнитах.
Техническая нота
На обыденном языке мы обычно называем магниты и материалы, притягиваемые магнитами, «магнитными».«Технически эти материалы называются ферромагнитными . Важно отметить, что не все металлы являются ферромагнитными . Вы заметите это, если попытаетесь поднять медный пенни или кусок алюминиевой фольги с помощью магнита. распространенными ферромагнитными металлами являются железо, никель и кобальт.
Ферромагнитный материал содержит множество крошечных магнитных доменов на микроскопическом уровне. Каждый магнитный домен имеет свое собственное крошечное магнитное поле с северным и южным полюсами.Обычно эти домены случайным образом указывают во всех разных направлениях, поэтому все крошечные магнитные поля нейтрализуют друг друга, и весь материал не окружен магнитным полем. Однако, когда материал намагничивается (обычно помещая его в сильное магнитное поле), все эти крошечные магнитные поля выстраиваются в линию, создавая в целом большее магнитное поле.

Рис. 14. В ферромагнитном материале крошечные магнитные поля могут произвольно ориентироваться в разных направлениях, нейтрализуя друг друга.В этом случае материал не будет показывать магнитные характеристики (слева). Когда магнитные поля выстраиваются в одну линию и все они направлены в одном направлении, они объединяются и создают большое магнитное поле. Затем материал покажет характеристики магнита (справа).
Как именно генерируются крошечные магнитные поля, зависит от того, как электронов движутся внутри атомов. Это один из примеров того, как связаны магнетизм и электричество.
Чтобы узнать больше об электронах и электричестве, перейдите на вкладку «Статическое электричество».
Чтобы узнать больше о том, как связаны магнетизм и электричество, см. Вкладку «Электромагнетизм».
Советы по безопасности
Магниты — это весело и полезно, но они также могут быть опасны, если с ними не обращаться должным образом. Маленькие магниты всегда следует держать подальше от маленьких детей и домашних животных, потому что они могут нанести серьезную травму при проглатывании. Очень сильные магниты, такие как неодимовые магниты, могут сближаться с очень большой силой, защемляя пальцы, если они зажаты между ними.Вы всегда должны держать магниты подальше от электронных устройств, таких как компьютеры и сотовые телефоны, и подальше от кредитных карт (или любой другой карты с магнитной полосой). Это связано с тем, что данные на этих устройствах часто хранятся с использованием магнитной записи и могут быть удалены при приближении к сильному магнитному полю. Если вы выполняете проект Science Buddies с использованием магнитов, обязательно ознакомьтесь с мерами предосторожности для этого конкретного проекта перед тем, как начать.
Проекты по смежным наукам
Вот список научных проектов, связанных с магнетизмом.
Краткое изложение основных понятий
Электромагнетизм включает изучение электричества, магнетизма и того, как они связаны.
Электромагнит — это временный магнит, который создает магнитное поле только при протекании электрического тока.
Некоторые электромагниты создают очень сильные магнитные поля при протекании тока.
Что такое электромагнетизм?
Примечание: Мы рекомендуем прочитать раздел о магнетизме и посмотреть наше вводное видео, прежде чем читать раздел об электромагнетизме.Видео включает в себя отрывок об электромагнитах.
Электричество и магнетизм очень тесно связаны. Изучение того и другого и того, как они связаны, называется электромагнетизм . Эта страница представляет собой всего лишь краткое введение в электромагнетизм и содержит информацию, которая может оказаться полезной для проектов Science Buddies. А вот по электромагнетизму написано учебников ; Это только начало!
Одним из распространенных примеров взаимодействия электричества и магнетизма является электромагнит .Электромагнит — это особый тип временного магнита, который создает магнитное поле только при протекании электрического тока (вы можете узнать больше об электрическом токе на вкладке «Текущее электричество»). Это делает электромагниты очень удобными, поскольку их можно легко включать и выключать, и они могут создавать очень сильные магнитные поля.
Одиночный прямой провод, по которому протекает ток, создает конфигурацию кругового магнитного поля, как показано на Рисунке 15.

Рисунок 15. На этом рисунке показано магнитное поле вокруг токоведущего провода. Текущий (заглавная буква «I») обозначен белой стрелкой. Магнитное поле (заглавная буква «B») показано красными стрелками. Вы можете использовать свою правую руку, как показано на рисунке, чтобы определить направление магнитного поля. См. Техническое примечание ниже для получения дополнительной информации о «правиле правой руки». (Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Jfmelero, 2008 г.)
Техническая нота
Стрелка на рисунке 15 представляет собой правило правой руки , используемое для предсказания направления магнитного поля, индуцированного (или создаваемого) током.Когда вы указываете большим пальцем правой руки в направлении тока, ваши пальцы сгибаются в направлении магнитного поля. Если ток меняет направление, силовые линии магнитного поля также меняют направление.
Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Однако даже сильный ток в одиночном проводе не создает очень сильного электромагнита. Чтобы сделать электромагнит намного более сильным, вы можете намотать провод на катушку , как показано на рисунке 16.Магнитное поле возле катушки с проволокой очень похоже на магнитное поле возле стержневого магнита. (Можете ли вы понять это, используя правило правой руки, объясненное выше?) Как и в случае с одиночным проводом, если электрический ток меняет направление, магнитное поле вокруг катушки также меняет направление.

Рисунок 16. Когда нет тока, протекающего через проволочную катушку, магнитное поле отсутствует (вверху). Когда электрический ток протекает через катушку, он создает магнитное поле, очень похожее на поле вокруг стержневого магнита, представленное зеленой / красной стрелкой в катушке (в центре)).Если направление тока меняется на противоположное, направление магнитного поля также меняется на противоположное (внизу).
Чтобы сделать электромагнит еще сильнее, вы можете обернуть катушку вокруг ферромагнитного сердечника , как показано на рисунке 17 (вернитесь к вкладке «Магнетизм», чтобы узнать о ферромагнитных материалах). Таким образом, когда электромагнит включается, он намагничивает сердечник. Магнитные поля катушки и сердечника складываются, создавая еще более сильный электромагнит.

Рисунок 17. Многие электромагниты изготавливаются путем наматывания проволоки на ферромагнитный сердечник (например, гвоздь или болт). Когда катушка не питается от батареи или другого источника электричества (разомкнутая цепь), магнитное поле отсутствует, как показано на рисунке слева. Когда катушка подключена к батарее и через нее протекает электрический ток (замкнутая цепь), создается магнитное поле, позволяющее электромагниту подбирать скрепки, как показано на рисунке справа. Когда ток снова отключается (цепь снова размыкается), магнитное поле исчезает, и скрепки падают.Вы можете более четко увидеть этот эффект в нашем видео «Введение в магнетизм».
Электрический ток — это не что иное, как перемещение электрических зарядов. Каждый раз, когда электрический заряд движется, создается магнитное поле. Вы можете задаться вопросом, будут ли движущиеся магниты (или изменяющееся магнитное поле) создавать электрический ток или заставлять электрические заряды двигаться. Ответ — да, может. Этот аспект электромагнетизма часто используется для создания электричества в электрических генераторах. Вы можете узнать больше о связи между электромагнетизмом и производством электроэнергии в некоторых практических проектах, ссылки на которые приведены ниже.
Проекты по смежным наукам
Вот список научных проектов, связанных с электромагнетизмом.
Видео о нашей науке
Гидропоника в двухлитровой бутылке с газировкой — STEM-деятельность.
Гидропоника в двухлитровой бутылке с газировкой — STEM-деятельность.
Сделайте миниатюрную модель водяного цикла
Сделайте миниатюрную модель водяного цикла
Мини-дрон «сделай сам», часть 6: управление движением
Мини-дрон «сделай сам», часть 6: управление движением
.

Физика для чайников. Урок 23. Электромагнетизм | Александр Шуравин.

Книга «Физика для чайников» Хольцнер С

Закон электромагнитной индукции. Курсы по физике

Тестирование онлайн

ЭДС индукции в движущемся проводнике

ЭДС индукции в контуре

Электромагнетизм | Физика для идиотов

00000.(Точный вывод этого закона можно найти здесь). Из них вы можете видеть, что сила — это просто поле, умноженное на любой вложенный вами заряд.

Что есть что?

Амперы, Вольты и Ом (Боже мой!)

Закон Гаусса

Заряженное кольцо

Закон Гаусса для магнетизма

Закон Фарадея

Закон Ампера-Максвелла

Основы электромагнетизма Рона Куртуса

Электромагнетизм на субатомном уровне

Электродинамика

Магнитное поле, создаваемое движущимися электронами

Правое правило

Проволока в катушке

Электромагнит

Электромагнитная индукция

Сводка

Ресурсы и ссылки

Сайтов

Книги

Вопросы и комментарии

Поделиться страницей

Студенты и исследователи

Где ты сейчас?

Электромагнетизм

A2 Физика для чайников: Глава 15

Модуль 6: Электромагнетизм | Руководство для начинающих по физике 12-го класса

Что такое электромагнетизм?

Что включает в себя этот модуль?

В этой статье мы обсудим

Раздел 1. Заряды в E- и B-полях

Хотите повысить свои оценки по физике?

Примечание:

Раздел 2: Моторный эффект

Нужна помощь при сдаче экзамена по физике?

Раздел 3: Электромагнитная индукция

Вам нужно построить двигатель постоянного тока?

Электромагнетизм | ClearlyExplained.com

Фактов об электромагнетизме для детей

Электрические поля

Электромагнитное излучение

Фотоны

История

Проблемы классического электромагнетизма

Картинки для детей

Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму

Кредиты

Цитируйте эту страницу

MLA Стиль

Стиль APA

Краткое изложение основных понятий

Что такое статическое электричество?

Проекты по смежным наукам

Краткое изложение основных понятий

Что такое электрический ток?

Проекты по смежным наукам

Краткое изложение основных понятий

Как протекает ток: постоянный и переменный ток

Советы по безопасности

Проекты по смежным наукам

Краткое изложение основных понятий

Что такое магнетизм?

Советы по безопасности

Проекты по смежным наукам

Краткое изложение основных понятий

Что такое электромагнетизм?

Проекты по смежным наукам

Видео о нашей науке

Добавить комментарий Отменить ответ