Применение электромагнетизма
Невозможно переоценить практическое значение теории электромагнетизма, которая обеспечила интенсивный научно – технический прогресс за прошлые сто пятьдесят лет.
Прошедшие десятилетия принципиально изменили мир. На основе электромагнитной теории разработаны технологии, которые дали возможность сконструировать современные устройства сбора, обработки и хранения информации. Например:
- Атомно – силовой микроскоп, который служит иллюстрацией электростатического взаимодействия. Это микроскоп обеспечивает атомное разрешение.
- Сканеры.
- Интравизоры.
- Магнитно – резонансный томограф.
- Металлодетекторы с высокой чувствительностью.
- Накопители на флэш-памяти с объемом до 1 Тб.
- Ксерокопировальные устройства.
- Разные принтеры, аппараты факсимильной связи.
Возможности современных ускорителей заряженных частиц в сверхсильных магнитных полях выходят за рамки воображения. Так, Большой адронный коллайдер дает энергию протонам около 14TэВ.
Современные проезда на магнитной подушке способны развивать скорости более 500 км/ч.
Электромагнитные пушки могут придать снаряду скорость на вылете близкую к первой космической, при попадании в мишень снаряд такой пушки превращает твердую мишень в облако плазмы.
Огромный прогресс достигнут в повсеместном использовании интернета, мобильной и космической связи.
К актуальным вопросам, относимым, в том числе, к компетенции электромагнетизма причисляют:
- Проблему применения электричества атмосферы.
- Транспортировку энергии без проводов.
- Проблемы магнетизма Земли.
- Защиту нашей планеты от солнечного ветра.
- Вопросы солнечной энергетики.
- Замещение невосстанавливаемых источников энергии альтернативами.
- Создание наноструктур и материалов, которые имеют уникальные электрические и магнитные свойства.
Однако не следует забывать, что многие современные приборы и устройства имеют в своей основе процессы и явления, описанные еще в XIX веке, поэтому следует их изучать. Рассмотрим некоторые из них.
Машина постоянного тока
Явление электромагнитной индукции используется в электрических генераторах. В них электрический ток возникает при движении проводника в магнитном поле.
При перемещении проводника, имеющего длину $l$ нормально к вектору магнитной индукции ($\vec B$) магнитного поля, в этом проводнике появляется электродвижущая сила индукции, следовательно, в проводнике будет течь индукционный ток. На проводник с током оказывает действие сила Ампера ($\vec F_A$).
Используя правило левой руки несложно убедиться, что направление силы Ампера противоположно направлению скорости перемещения проводника ($\ vec v$) (рис.1). Для осуществления движения проводника с постоянной скоростью на этот проводник необходимо действовать с некоторой силой $\vec F$, которая будет равна по величине силе Ампера, но направлена в противоположную сторону.
Данная внешняя сила при перемещении проводника на расстояние $\Delta l=v\Delta t$ будет совершать работу:
$A=F\Delta l=IBl\Delta l$=$\frac<\Delta t>B\Delta S=q\frac<\Delta Ф><\Delta t>=q\bullet Ɛ_\left( 1\right)$.
Выражение (1) показывает, что работа внешних сил, заставляющих проводник перемещаться в магнитном поле, равна работе ЭДС индукции.
Физический принцип генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции при вращении рамки из проводника в магнитном поле
Основные части генератора постоянного тока:
- индуктор, создающий магнитное поле;
- якорь, в его обмотке возникает ЭДС индукции;
- коллектор; электрические щетки.
Рисунок 1. Машина постоянного тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Коллектором называют пластины из проводника, разделенные изолятором. Эти пластины соединены с катушками.
По пластинам коллектора скользят электрические щетки, которые осуществляют соединение концов обмоток с внешней электрической цепью.
Индуктор может быть неподвижен, в этом случае его называют статором.
Тогда якорь машины совершает вращение и носит название ротора. Якорь содержит сердечник из стали в форме цилиндра. Концы обмоток якоря соединяются с пластинами коллектора.
Если якорь вращается в магнитном поле индуктора, то в его обмотках возникает ЭДС индукции. При помощи скользящих контактов коллектора и электрических щеток обмотка якоря, в которой ЭДС индукции максимальна в данный момент времени, соединяется с потребителями.
Электродвигатель
Машина постоянного тока является обратимой. Это означает то, что данную машину можно применять для преобразования механической энергии в электрическую и обратно.
При использовании генератора постоянного тока как электродвигателя через обмотку индуктора пропускают постоянный ток.
Если подключить к щеткам постоянное напряжение в обмотке якоря появляется электрический ток, тогда провода обмотки испытывают действие силы Ампера со стороны магнитного поля. На противоположных сторонах якоря силы Ампера имеют противоположные направления, при их воздействии якорь начинает вращаться. При помощи электрического двигателя приводятся в движение колеса электрического транспорта.
Электрические приборы
Ряд электрических приборов использует то, что магнитные поля оказывают воздействие на проводники с током. В этих приборах электрический ток, который следует измерить, пропускают через проводящую рамку, которая размещена в поле постоянного магнита. Рамка находится на оси.
Вначале, когда через рамку начинают пропускать электрический ток, на рамку действуют силы Ампера, момент этих сил заставляет ее поворачиваться. Момент сил Ампера больше, чем момент сил упругости пружин, которые противостоят повороту. Подвижная часть прибора совершает поворот с ускорением. Достигается угол поворота, при котором моменты сил уравновешиваются. Подвижная часть приобретает запас кинетической энергии вращения, проходит положение равновесия и тормозится возвращающими пружинами, останавливается и начинает движение в обратную сторону. Так, происходят затухающие колебания. С целью успокоения колебаний используют специальные успокоители.
Угол поворота стрелки в устройствах магнитоэлектрической системы пропорционален силе тока.
Электромагнитная индукция. Магнитный поток
Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС электромагнитной индукции в катушке?
1) В катушку вставляется постоянный магнит.
2) Из катушки вынимается постоянный магнит.
3) Постоянный магнит вращается вокруг своей продольной оси внутри катушки
Варианты ответов
- В случае 1
- В случае 2
- В случае 3
- Ни в одном из случаев гальванометр не обнаружит явление ЭМИ
Вопрос 3
Как называется физическая величина, равная произведению модуля индукции магнитного поля на площадь поверхности, пронизываемой магнитным полем, и косинус угла между вектором индукции и нормалью к этой поверхности?
Вопрос 4
Как называется единица измерения магнитного потока?
Варианты ответов
- Тесла
- Вебер
- Гаусс
- Фарад
Вопрос 5
Контур площадью 1000 см 2 находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, угол между вектором В индукции и нормалью к поверхности контура 60°. Каков магнитный поток через контур? Ответ дайте в мВб, округлив его до целого числа.
Вопрос 6
В каком направлении относительно замкнутого проводника необходимо двигать магнит, чтобы в проводнике возник электрический ток указанного направления? 
Варианты ответов
- вправо
- на указанной схеме ток не возникает
- вниз
- вверх
Вопрос 7
Укажите способы изменения магнитного потока.
Варианты ответов
- Изменение индукции магнитного поля, в котором находится контур.
- Изменение размеров контура.
- Изменение ориентации контура в магнитном поле.
- Изменение силы тока в контуре.
- Изменение разности потенциалов
Вопрос 8
Линии магнитной индукции направлены перпендикулярно к плоскости, в которой с частотой 0,3 Гц вращается прямоугольная рамка с током. Определите время, за которое магнитный поток через рамку уменьшится в два раза? Ответ округлите до десятых долей секунды.
В чем заключается явление электромагнитной индукции
В различных электротехнических устройствах, например, в электрических машинах, используется явление, которое носит название электромагнитная индукция (ЭМИ). В чём же оно заключается?
Открытие
М. Фарадей также увлекался химическими экспериментами
ЭМИ была открыта в 1831 году англичанином М. Фарадеем.
В чем же заключается явление электромагнитной индукции? Смысл открытия состоял в обнаружении появления тока в проводнике при пересечении им магнитного поля (МП). Опыт Фарадея включал создание меняющегося МП в катушке с намотанным на ней проводом. В расположенной рядом с первой второй катушке появилась ЭДС, которая фиксировалась вольтметром.
Закон ЭМИ
Физик открыл, что возникающая в проводнике ЭДС пропорциональна скорости изменения МП, проходящего через проводник. Оказалось, что причина изменения потока не имеет значения. Он может изменяться при движении проводника в МП или при воздействии переменного МП на неподвижный проводник.
Проведя несколько опытой, учёный вывел закон электромагнитной индукции
Математически закон Фарадея имеет следующий вид:
е= -∆Ф/∆t,
- е· – ЭДС;
- Ф — МП;
- t –время.
Знак минус соответствует правилу Ленца, по которому возникающий в результате индукции ток противодействует изменению основного МП.
Использование явления
На применении закона ЭМИ создано большое количество различных устройств и приборов. Наиболее распространенными и важными для промышленности являются электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы.
В статоре электродвигателя переменного тока, например, создается переменное магнитное поле, которое генерирует ток в роторе.
При взаимодействии МП статора и ротора возникает вращающий момент
В трансформаторе переменный ток создает изменяющееся МП, которое пронизывает вторичную обмотку. В результате этого во вторичной обмотке генерируется ЭДС. Изменяя соотношение числа витков обмоток можно получить повышающий или понижающий напряжение трансформатор.
Явление ЭМИ используется также в индукционных печах, различных электромагнитных датчиках. На основе этого явления создан магнитный газовый генератор, в котором в качестве замкнутой рамки используется токопроводящий газ.
ЭМИ, связанная с воздействием изменяющегося магнитного поля на проводник, была открыта Фарадеем еще в девятнадцатом веке. На использовании этого явления построены различные электротехнические устройства и приборы, которые широко применяются в современном мире.
XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2023
Читаю и читаю не могу остановиться, это просто шедовриально, без сомнения можно оценить её как наилучшую статью по этой теме, автор реально мега мозг, желаю не терять хватку и продолжать в том же духе, всем рекомендую к прочтению!
Перечитываю это 10й раз, явно это лучшее что я читал за последние 10 лет, 100 из 10 однозначно
Спасибо большое)) меня это мотивирует!
Очень информативная и увлекательная статься, спасибо!
Отличная статья! Очень познавательно)
Спасибо за статью! Тема действительно важна, даже если не для нашего поколения, то для наших потомков уж точно. Существует множество способов бережно относиться к окружающей среде, для начала каждый из нас может выключать воду во время того, как чистит зубы! Начнём с малого и сбережем планету!
Очень интересная статья, спасибо!
Содержательная и познавательная статья, очень интересно, спасибо!
Очень информативная и увлекательная статься, спасибо!
Применение электромагнитной индукции в технике
В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах [1].
Начнем с определения электромагнитной индукции.
Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле [2].
То есть благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, и это замечательно. Ведь до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока [1].
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого проводящего контура в нем возникает электрический ток, который назвали индукционным током [1].
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
В 1833-1834 годах ученый установил законы электролиза. Затем заменил проводящую жидкость в электролитической ванне непроводящей и на опытах доказал, электростатическая индукция зависит от среды. Аналогично, установил он, от среды зависит и взаимодействие магнитных полюсов. Доказывая, что все без исключения вещества в природе приобретают компоненту намагниченности против направления внешнего магнитного поля, открыл явление диамагнетизма. И, наконец, Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле. В каждом случае он устанавливал факт взаимодействия между сущностями, до того не связанными между собой [4].
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции [5].
Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.
При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки [5].
Вот, что показали эти опыты:
Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле [5].
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Наиболее популярными направлениями, где используются законы ЭМИ, считается область работы большинства двигателей, а также генераторов тока. В вышеназванные устройства закладывается достаточно простой принцип действия, который без применения ЭДС был бы недоступен [3].
Применение электромагнитной индукции позволяет создавать различные по конструкции, но схожие по принципу действия механизмы. Вышеупомянутые электродвигатели и генераторы также отличаются конструктивно, но имеют подобное внутреннее устройство. Они оснащаются статором, а ещё подвижным ротором, взаимодействующим друг с другом благодаря вращающимся электромагнитным полям [3].
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
РАДИОВЕЩАНИЕ
Электромагнитная волна — это обоюдно порождающие себя поля, которые в итоге формируют единое переменное электромагнитное поле [3].
Оно в свою очередь возбуждается изменяющимся током, образует в своём окружении электрополе, которое в дальнейшем возбуждает магнитное поле. В случае возникновения в зоне, где располагается провод с электротоком, электромагнитное поле способно распространяться по пространству со скоростью света [3].
Рис. 1. Радиоприемник
МАГНИТОТЕРАПИЯ
Радиоволны, излучение рентгена, а ещё свет занимают различные позиции в спектрах частот [3].
К этому перечню причисляются всевозможные электромагнитные излучения. Как правило, они характеризуются магнитными, электрическими полями, что в непрерывном режиме обоюдно связаны [3].
СИНХРОФАЗОТРОНЫ
Электромагнитная индукция находит своё применение и в таких видах устройств, как синхрофазотроны [3].
В данном подходе магнитным полем считают специфичную форму материи, которая состоит из заряженных частиц. Для доступа вглубь атомов со стремлением их исследования применяют заряженные частицы. Вводится определение силы Лоренца. Это сила, с которой некое магнитное поле воздействует на отдельную заряженную частицу в момент движения [3].
Рис. 2. Синхрофазотрон
РАСХОДОМЕРЫ — СЧЁТЧИКИ
Применяется рассматриваемый принцип в некоторых измерительных приборах. Алгоритм работы основывается на задействовании закона Фарадея непосредственно для проводника, пребывающего в магнитном поле [3].
ЭДС наводится в массиве электропроводящего вещества, что движется в магнитном поле. Она пропорциональна скорости потока и преобразуется электроникой в электронный сигнал (аналоговый либо же цифровой). Далее необходимые сведения отображаются на экране или циферблате [3].
ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Это устройство создаётся достаточно просто. Прежде всего, понадобится спровоцировать изменение магнитного поля, как вариант при помощи перемещаемого магнита. Этого можно добиться сторонним воздействием на магнит, находящийся в пределах замкнутой цепи. Подобные манипуляции спровоцируют образование электрического тока в системе. Созданный таким образом генератор позволит в дальнейшем при его применении на электростанциях трансформировать механическую энергию в электрическую. После этого выработанное электричество направляется к пользователям. Передача осуществляется по проводам, энергия может быть использована для различных нужд [3].
Источниками механической энергии могут быть следующие явления:
Сгорание дизельного топлива.
Это наиболее распространённые источники механической энергии, в действительности их может быть гораздо больше [3].
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформаторы имеют широкое применение. Они задействуются в процессе передачи электричества на большие дистанции и его распределения между приёмниками [3].
Находят трансформаторы применение в таких категориях механизмов:
Главным свойством, на котором основывается вся работа трансформаторных устройств, считается именно взаимоиндукция. Принцип действия трансформатора базируется на видоизменении энергии переменным магнитным полем [3].
Рис. 3. Схема трансформатора
Внутри конструкции расположен сердечник, состоящий из изолированных между собой пластин. На него помещаются несколько обмоток в виде катушек изготовленных из изолированного провода. Выделяется понятие первичной и вторичной обмотки. Первичная — это та, к которой непосредственно подключается переменный электроток. Количество витков на вторичной обмотке может в несколько раз повысить электронапряжение, либо понизить. Это происходит благодаря тому, что в сердечнике первичной обмотки создаётся магнитное поле, которое непосредственно пересекает витки вторичной [3] .
ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ
Свойства электромагнитной индукции находят применение не только в области использования проводов, обмоток. Оно также проявляет себя внутри разных массивных металлических объектов. Возникающие в таких предметах электротоки называют вихревыми. В момент работы некоторых видов оборудования они могут провоцировать нагрев как магнитопровода, так и всего корпуса в целом [3].
Чтобы предотвратить подобное негативное явление, требуются сердечники из тонколистного металла. Дополнительно используется изолирование при помощи нанесения слоя лака, что препятствует проникновению наведенных токов. Для индукционного нагрева можно не лимитировать вихревые электротоки, а создавать условия для их полноценного прохождения. Это помогает в создании повышенных температур, необходимых для промышленных нужд [3].
Явление электромагнитной индукции имеет широкое применение в техники и различных областях промышленности. Для преобразования механической энергии в энергию электрического тока используются синхронные генераторы. Для повышения или понижения напряжения переменного тока применяются трансформаторы. Использование трансформаторов позволяет экономично передавать электроэнергию от электрических станций к узлам потребления.
Это объясняется простотой воссоздания необходимых условий для полноценной работы данного принципа, возможностью его применения, как в компактных, так и массивных конструкциях [3].
Список литературы
Явление электромагнитной индукции // ФОКСФОРД URL : https://foxford.ru/wiki/fizika/yavlenie-elektromagnitnoy-induktsii (дата обращения: 13.12.2022).
Электромагнитная индукция // Википедия Свободная энциклопедия URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная_индукция (дата обращения: 13.12.2022).
Где находит применение явление электромагнитной индукции // проФазу.ру URL : https://profazu.ru/knowledge/electrical/primenenie-elektromagnitnoj-induktsii.html (дата обращения: 13.12.2022).
17.10.2021 23:30 // КАИ URL : https :// kai . ru / web / naucno — tehniceskaa — biblioteka / events / event ? id =12139442 (дата обращения: 13.12.2022).