GAUSS O primeiro, e por muitas décadas o único artefato "provando" a existência de " protocolos secretos"- fotocópias nebulosas que o advogado de Hess, Alfred Seidl, tentou sem sucesso anexar ao arquivo do caso em Julgamentos de Nuremberg em março de 1946 o primeiro, e em

Informação geral

De uma forma surpreendente, as ideias de uma pessoa podem influenciar o desenvolvimento subsequente. sociedade humana geralmente. Tal pessoa era Michael Faraday, não muito versado nos meandros da matemática contemporânea, mas perfeitamente entendido significado físico conhecido por aquele tempo informações sobre a natureza da eletricidade e do magnetismo devido ao conceito de interações de campo proposto por ele.

existência sociedade moderna baseado no uso de eletricidade, magnetismo e eletrodinâmica, devemos uma galáxia inteira de cientistas notáveis. Entre eles, Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz e, claro, Maxwell. Em última análise, eles trouxeram a ciência da eletricidade e do magnetismo em um único quadro, que serviu de base para toda uma coorte de inventores que criaram os pré-requisitos para o surgimento da moderna sociedade da informação com suas criações.

Vivemos cercados de motores e geradores elétricos: são nossos primeiros assistentes na produção, transporte e em casa. Qualquer pessoa que se preze não pode imaginar a existência sem geladeira, aspirador de pó e máquina de lavar. Uma prioridade também é um forno de microondas, um secador de cabelo, um moedor de café, uma batedeira, um liquidificador e - o sonho final - um moedor de carne elétrico e uma máquina de pão. Claro, o ar condicionado também é uma coisa muito útil, mas se não houver fundos para comprá-lo, um simples ventilador servirá.

Para alguns homens, os pedidos são um pouco mais modestos: o maior sonho do homem mais inepto é uma furadeira elétrica. Alguns de nós, tentando sem sucesso ligar o carro em quarenta graus de geada e atormentando desesperadamente o motor de partida (também um motor elétrico), sonham secretamente em comprar um carro Tesla Motors com motores elétricos e baterias para esquecer para sempre os problemas da gasolina e motores diesel.

Os motores elétricos estão por toda parte: nos levantam em elevadores, nos transportam em metrôs, trens suburbanos, bondes, trólebus e Trens de alta velocidade. Eles nos trazem água para o chão dos arranha-céus, operam fontes, bombeiam água de minas e poços, rolam aço, levantam pesos, trabalham em vários guindastes. E eles fazem muitas outras coisas úteis, colocando em movimento máquinas-ferramentas, ferramentas e mecanismos.

Até mesmo exoesqueletos para pessoas com deficiente e para os militares são feitos com motores elétricos, para não falar de todo um exército de robôs industriais e de pesquisa.

Hoje, os motores elétricos funcionam no espaço - lembre-se rover curiosidade. Eles trabalham no solo, no subsolo, na água, debaixo d'água e até no ar - se não hoje, então amanhã (artigo escrito em novembro de 2015) a aeronave Solar Impulse 2 finalmente terminará seu viagem ao redor do mundo, e não tripulado aeronave em motores elétricos, simplesmente não há números. Não é de admirar que corporações bastante sérias estejam agora trabalhando em serviços de entrega itens postais utilizando veículos aéreos não tripulados.

Referência do histórico

Construída em 1800 pelo físico italiano Alessandro Volta, a bateria química, mais tarde batizada com o nome do inventor "coluna voltaica", realmente acabou sendo um "chifre de abundância" para os cientistas. Tornou possível colocar em movimento cargas elétricas em condutores, isto é, criar eletricidade. Novas descobertas usando a coluna voltaica seguiram continuamente uma após a outra em várias áreas física e Quimica.

Por exemplo, o cientista inglês Sir Humphry Davy em 1807, estudando a eletrólise da fusão de hidróxidos de sódio e potássio, obteve sódio e potássio metálicos. Anteriormente, em 1801, ele também descobriu o arco elétrico, embora os russos o considerem o descobridor de Vasily Vladimirovich Petrov. Petrov em 1802 descreveu não apenas o arco em si, mas também suas possibilidades aplicação prática para fins de fundição, soldagem de metais e sua recuperação de minérios, bem como iluminação.

Mas a descoberta mais importante foi feita pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted: em 21 de abril de 1820, durante uma demonstração de experimentos em uma palestra, ele notou o desvio da flecha bússola magnética ao ligar e desligar uma corrente elétrica que flui através de um condutor na forma de um fio. Assim, pela primeira vez, a relação entre eletricidade e magnetismo foi confirmada.

O próximo passo foi dado físico francês André Marie Ampère alguns meses depois de vivenciar a experiência de Oersted. Curioso é o raciocínio deste cientista, exposto nas mensagens que lhe são enviadas uma após a outra em Academia Francesa Ciências. A princípio, observando o giro da agulha da bússola em um condutor com corrente, Ampère sugeriu que o magnetismo da Terra também é causado por correntes que fluem ao redor da Terra na direção de oeste para leste. A partir disso, concluíram que Propriedades magneticas corpos podem ser explicados pela circulação de uma corrente dentro dele. Além disso, Ampère concluiu ousadamente que as propriedades magnéticas de qualquer corpo são determinadas por correntes elétricas fechadas dentro dele, e interação magnética não devido a especial cargas magnéticas, mas apenas um movimento cargas eletricas, ou seja, atual.

Amper imediatamente assumiu estudo piloto dessa interação e descobriu que condutores com corrente fluindo em uma direção são atraídos e na direção oposta são repelidos. Condutores mutuamente perpendiculares não interagem entre si.

É difícil resistir a não liderar aberto por ampère lei em sua própria formulação:

"A força de interação de cargas em movimento é proporcional ao produto dessas cargas, inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, como na lei de Coulomb, mas, além disso, também depende das velocidades dessas cargas e da direção de seu movimento."

Então na física foram descobertos forças fundamentais dependendo das velocidades.

Mas o verdadeiro avanço na ciência da eletricidade e do magnetismo foi a descoberta por Michael Faraday do fenômeno Indução eletromagnética- a ocorrência de uma corrente elétrica em um circuito fechado ao mudar fluxo magnético passando por ela. Independentemente de Faraday, o fenômeno da indução eletromagnética também foi descoberto por Joseph Henry em 1832, que acidentalmente descobriu o fenômeno da auto-indução.

Uma demonstração pública de Faraday em 29 de agosto de 1831 foi realizada em um dispositivo que ele inventou, consistindo de um pólo volt, um interruptor, anel de ferro, em que duas bobinas idênticas de fio de cobre foram enroladas em lados opostos. Uma das bobinas foi conectada a uma bateria por meio de um interruptor e um galvanômetro foi conectado às extremidades da outra. Quando a corrente era ligada e desligada, o galvanômetro registrava a aparência de uma corrente direções diferentes na segunda bobina.

Nos experimentos de Faraday, uma corrente elétrica, chamada corrente de indução, também aparecia quando um ímã era inserido na bobina ou puxado para fora da bobina carregada no circuito de medição. Da mesma forma, a corrente também apareceu quando uma bobina menor com corrente foi inserida/puxada para dentro/para fora. bobina grande a partir de experiência anterior. E a direção corrente de indução mudou para o oposto quando um ímã ou uma pequena bobina com corrente foi inserida / estendida de acordo com a regra formulada pelo cientista russo Emil Khristianovich Lenz. em 1833.

Com base nos experimentos realizados, Faraday derivou uma lei para força eletromotriz mais tarde em homenagem a ele.

As ideias e resultados dos experimentos de Faraday foram repensados ​​e generalizados por outro grande compatriota - o brilhante físico inglês e matemático James Clerk Maxwell em seus quatro equações diferenciais eletrodinâmica, mais tarde chamada de equações de Maxwell.

Deve-se notar que em três das quatro equações de Maxwell, a indução magnética aparece na forma de um vetor de campo magnético.

Indução magnética. Definição

A indução magnética é um vetor quantidade física, que é uma força característica do campo magnético (sua ação sobre partículas carregadas) em um determinado ponto do espaço. Ele determina quão forte F campo magnético atua sobre uma carga q, movendo-se com velocidade v. Denotado letra latina NO(pronunciado vetor B) e a força é calculada usando a fórmula:

F = q [v∙B]

Onde Fé a força de Lorentz agindo do lado do campo magnético sobre a carga q; v- velocidade de movimento da carga; B- indução de campo magnético; [ v × B] - produto vetorial vetores v e B.

Algebricamente, a expressão pode ser escrita como:

F = q∙v∙B sinα

Onde α - ângulo entre os vetores velocidade e indução magnética. direção do vetor F perpendicular a ambos e dirigido de acordo com a regra da mão esquerda.

A indução magnética é a principal característica fundamental de um campo magnético, semelhante ao vetor de intensidade do campo elétrico.

NO sistema internacional Unidades SI, a indução magnética do campo é medida em teslas (T), no sistema CGS - em gauss (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Outras grandezas de medição de indução magnética utilizadas em diversas aplicações, e sua conversão de uma grandeza para outra, podem ser encontradas no conversor de grandezas físicas.

Os instrumentos de medição para medir a magnitude da indução magnética são chamados de teslâmetros ou gaussímetros.

Indução de campo magnético. Física dos fenômenos

Dependendo da reação a um campo magnético externo, todas as substâncias são divididas em três grupos:

• Diamagnets
• Paraímãs
• ferromagnetos

Os termos diamagnetismo e paramagnetismo foram introduzidos por Faraday em 1845. Por quantificação essas reações introduziram o conceito de permeabilidade magnética. No sistema SI introduzido absoluto permeabilidade magnética, medida em H/m, e relativo permeabilidade magnética adimensional, igual à razão a permeabilidade de um determinado meio à permeabilidade do vácuo. Para diamagnetos, a permeabilidade magnética relativa é um pouco menos de um, para paramagnets - um pouco mais do que a unidade. Em ferromagnetos, a permeabilidade magnética é muito maior que a unidade e não é linear.

Fenômeno diamagnetismo Consiste na capacidade de uma substância de neutralizar a influência de um campo magnético externo devido à magnetização contra sua direção. Ou seja, os diamagnetos são repelidos por um campo magnético. Neste caso, os átomos, moléculas ou íons do diamagneto adquirem momento magnético, dirigido contra o campo externo.

Fenômeno paramagnetismoé a capacidade de uma substância se tornar magnetizada quando exposta a um campo magnético externo. Ao contrário dos diamagnets, os paramagnets são atraídos por um campo magnético. Neste caso, os átomos, moléculas ou íons do paraímã adquirem um momento magnético na direção que coincide com a direção do campo magnético externo. Quando o campo é removido, os paraímãs não retêm a magnetização.

Fenômeno ferromagnetismoé a capacidade de uma substância magnetizar espontaneamente na ausência de um campo magnético externo ou ser magnetizada sob a influência de um campo magnético externo e reter a magnetização quando o campo é removido. Neste caso, a maioria dos momentos magnéticos de átomos, moléculas ou íons são paralelos entre si. Essa ordem é mantida até temperaturas abaixo de uma certa temperatura crítica, chamada de ponto de Curie. Em temperaturas acima do ponto de Curie para dada substância, os ferromagnetos tornam-se paramagnetos.

A permeabilidade magnética dos supercondutores é zero.

A permeabilidade magnética absoluta do ar é aproximadamente igual à permeabilidade magnética do vácuo e em cálculos técnicos é igual a 4π 10 ⁻⁷ H/m

Peculiaridades do Comportamento do Campo Magnético em Diamagnetos

Como mencionado acima, os materiais diamagnéticos criam um campo magnético induzido direcionado contra um campo magnético externo. O diamagnetismo é um efeito da mecânica quântica inerente a todas as substâncias. Em paramagnets e ferromagnets, é nivelado devido a outros efeitos mais fortes.

Diamagnetos incluem, por exemplo, substâncias como gases inertes, nitrogênio, hidrogênio, silício, fósforo e carbono pirolítico; alguns metais - bismuto, zinco, cobre, ouro, prata. Muitos outros compostos inorgânicos e orgânicos também são diamagnéticos, incluindo a água.

Em um campo magnético não homogêneo, os diamagnetos são deslocados para uma região mais campo fraco. Magnético linhas de força como se fosse empurrado para fora do corpo por materiais diamagnéticos. O fenômeno da levitação diamagnética é baseado nesta propriedade. Em um campo magnético suficientemente forte criado por ímãs modernos, é possível levitar não apenas vários diamagnetos, mas também pequenas criaturas vivas, consistindo principalmente de água.

Cientistas da Universidade de Niemingen, na Holanda, conseguiram pendurar um sapo no ar em um campo com indução magnética de cerca de 16 T, e pesquisadores de um laboratório da NASA usando um ímã supercondutor - levitação de um camundongo, que, como objeto biológico, está muito mais próximo de uma pessoa do que um sapo.

Todos os condutores exibem diamagnetismo quando expostos a um campo magnético alternado.

A essência do fenômeno é que sob a influência de um campo magnético alternado, correntes parasitas - correntes de Foucault - direcionadas contra a ação de um campo magnético externo são induzidas nos condutores.

Características do comportamento de um campo magnético em paramagnetos

A interação de um campo magnético com paramagnetos é completamente diferente. Como os átomos, moléculas ou íons dos paraímãs têm seu próprio momento magnético, eles se alinham na direção do campo magnético externo. Isso cria um campo magnético resultante que é maior que o campo original.

Paramagnetos incluem alumínio, platina, alcalino e metais alcalinos terrestres lítio, césio, sódio, magnésio, tungstênio, bem como ligas desses metais. Paramagnetos também são oxigênio, óxido nítrico, óxido de manganês, cloreto férrico e muitos outros compostos químicos.

Os paraímãs são substâncias fracamente magnéticas, sua permeabilidade magnética é ligeiramente maior que a unidade. Em um campo magnético não homogêneo, os paraímãs são atraídos para uma região mais campo forte. Na ausência de um campo magnético, os paraímãs não retêm a magnetização, porque devido à movimento térmico próprios momentos magnéticos de seus átomos, moléculas ou íons são direcionados aleatoriamente.

Características do comportamento de um campo magnético em ferromagnetos

Devido à sua propriedade inerente de magnetizar espontaneamente, os ferromagnetos formam ímãs naturais, que conhecido da humanidade Com tempos antigos. Os ímãs foram atribuídos propriedades mágicas, foram utilizados em diversos rituais religiosos e até na construção de edifícios. O primeiro protótipo da bússola, inventado pelos chineses no segundo ou primeiro séculos aC, foi usado por ancestrais curiosos para construir casas de acordo com as regras do Feng Shui. O uso da bússola como meio de navegação começou no século 11 para viajar pelos desertos ao longo do Grande Rota da Seda. Mais tarde, o uso da bússola nos assuntos marítimos desempenhou um papel significativo no desenvolvimento da navegação, na descoberta de novas terras e no desenvolvimento de novas rotas comerciais marítimas.

O ferromagnetismo é uma manifestação das propriedades mecânicas quânticas dos elétrons que possuem spin, ou seja, próprio momento magnético de dipolo. Simplificando, os elétrons se comportam como pequenos ímãs. Para cada concluído escudo do elétron um átomo só pode ter um par de elétrons com spins opostos, ou seja, o campo magnético desses elétrons é direcionado em lados opostos. Devido a isso, os átomos que têm um número de pares de elétrons têm um momento magnético total zero Portanto, apenas átomos com uma camada externa não preenchida e um número desemparelhado de elétrons são ferromagnetos.

Os materiais ferromagnéticos incluem metais do grupo de transição (ferro, cobre, níquel) e metais de terras raras (gadolínio, térbio, disprósio, hólmio e érbio), bem como ligas desses metais. Ligas dos elementos acima com materiais não ferromagnéticos também são ferromagnetos; ligas e compostos de cromo e manganês com elementos não ferromagnéticos, bem como alguns dos metais do grupo dos actinídeos.

Os ferroímãs têm um valor de permeabilidade magnética muito maior que a unidade; a dependência de sua magnetização sob a ação de um campo magnético externo é não linear e são caracterizadas pela manifestação de histerese - se a ação do campo magnético for removida, os ferroímãs permanecem magnetizados. Para remover essa magnetização residual, é necessário aplicar um campo reverso.

O gráfico da dependência da permeabilidade magnética μ da força do campo magnético H em um ferroímã, chamado de curva de Stoletov, mostra que na força do campo magnético zero H = 0, a permeabilidade magnética tem pequeno problemaµ₀; então, à medida que a intensidade aumenta, a permeabilidade magnética aumenta rapidamente até um máximo μ max , depois cai lentamente para zero.

O pioneiro no estudo das propriedades dos ferromagnetos foi o físico e químico russo Alexander Stoletov. Agora, a curva de dependência da permeabilidade magnética da força do campo magnético leva seu nome.

Os materiais ferromagnéticos modernos estão encontrando ampla aplicação em ciência e tecnologia: muitas tecnologias e dispositivos são baseados em seu uso e no uso do fenômeno da indução magnética. Por exemplo, em Ciência da Computação: as primeiras gerações de computadores tinham memória em núcleos de ferrite, as informações eram armazenadas em fitas magnéticas, disquetes e discos rígidos. No entanto, estes últimos ainda são usados ​​em computadores e são produzidos em centenas de milhões de peças por ano.

O uso da indução magnética em engenharia elétrica e eletrônica

NO mundo moderno Existem muitos exemplos do uso da indução de campo magnético, principalmente na engenharia elétrica de potência: em geradores de eletricidade, transformadores de tensão, em vários acionamentos eletromagnéticos de vários dispositivos, ferramentas e mecanismos, na tecnologia de medição e na ciência, em vários instalações físicas para experimentos, bem como nos meios proteção elétrica e desligamento de emergência.

Motores elétricos, geradores e transformadores

Em 1824, o físico e matemático inglês Peter Barlow descreveu o motor unipolar que ele inventou, que se tornou o protótipo dos motores elétricos modernos. corrente direta. A invenção também é valiosa porque foi feita muito antes da descoberta do fenômeno da indução eletromagnética.

Hoje em dia, quase todos os motores elétricos usam a força Ampere, que atua em um circuito condutor de corrente em um campo magnético, fazendo com que ele se mova.

Até Faraday, para demonstrar o fenômeno da indução magnética em 1831, foi criado configuração experimental, parte importante que era o dispositivo agora conhecido como o transformador toroidal. O princípio de operação do transformador de Faraday ainda é usado em todos os modernos transformadores de tensão e corrente, independentemente da potência, design e escopo.

Além disso, Faraday comprovou cientificamente e provou experimentalmente a possibilidade de converter movimento mecânico em eletricidade usando o gerador DC unipolar que ele inventou, que se tornou o protótipo de todos os geradores DC.

Primeiro gerador corrente alternada foi criado pelo inventor francês Hippolyte Pixie em 1832. Mais tarde, por sugestão de Ampere, foi complementado por um dispositivo de comutação, que possibilitou a obtenção de uma corrente contínua pulsante.

Quase todos os geradores de energia elétrica que utilizam o princípio da indução magnética são baseados na ocorrência de uma força eletromotriz em um circuito fechado, que está em um campo magnético variável. Neste caso, ou o rotor magnético gira em relação às bobinas fixas do estator em geradores de corrente alternada, ou os enrolamentos do rotor giram em relação aos ímãs fixos do estator (yoke) em geradores CC.

O gerador mais potente do mundo, construído em 2013 para a usina nuclear de Taishan pela empresa chinesa DongFang Electric, pode gerar uma potência de 1.750 MW.

Além de geradores do tipo convencional e motores elétricos associados à conversão energia mecânica dentro energia elétrica e vice-versa, existem os chamados geradores e motores magnetohidrodinâmicos que operam com um princípio diferente.

Relés e eletroímãs

Inventado pelo cientista americano J. Henry, o eletroímã tornou-se o primeiro atuador elétrico e o precursor da conhecida campainha elétrica. Mais tarde, com base nisso, Henry criou um relé eletromagnético, que se tornou o primeiro dispositivo de comutação automática com um estado binário.

Microfone dinâmico Shure usado em um site de estúdio de vídeo

Ao transmitir um sinal de telégrafo a longas distâncias, os relés eram usados ​​como amplificadores DC, alternando a conexão de baterias externas de estações intermediárias para transmissão de sinal adicional.

Cabeças e microfones dinâmicos

Na moderna tecnologia de áudio, os alto-falantes eletromagnéticos são amplamente utilizados, cujo som aparece devido à interação de uma bobina móvel conectada a um difusor através do qual flui a corrente. frequência de áudio, com um campo magnético no intervalo de um estacionário ímã permanente. Como resultado, a bobina junto com o difusor se move e cria ondas sonoras.

Os microfones dinâmicos usam o mesmo design que a cabeça dinâmica, mas em um microfone, pelo contrário, uma bobina móvel com um minidifusor no intervalo de um ímã permanente fixo oscila sob a influência de um sinal acústico e gera uma frequência de som elétrica sinal.

Instrumentos de medição e sensores

Apesar da abundância de tecnologia digital moderna medindo instrumentos, dispositivos do tipo magnetoelétrico, eletromagnético, eletrodinâmico, ferrodinâmico e de indução ainda são usados ​​na tecnologia de medição.

Todos os sistemas dos tipos acima usam o princípio de interação de campos magnéticos ou um ímã permanente com o campo de uma bobina com corrente, ou um núcleo ferromagnético com campos de bobinas com corrente, ou campos magnéticos de bobinas com corrente.

Devido à relativa inércia de tais sistemas de medição, eles são aplicáveis ​​para medir os valores médios das variáveis.