GAUSS Primul și, timp de multe decenii, singurul artefact care „demonstrează” existența „ protocoale secrete„- fotocopii tulburi pe care avocatul lui Hess, Alfred Seidl, a încercat fără succes să le atașeze la dosarul cauzei. Procesele de la Nürnbergîn martie 1946 primul, și mai departe

Informatii generale

Într-un mod surprinzător, ideile unei persoane pot influența dezvoltarea ulterioară. societatea umanaîn general. O astfel de persoană a fost Michael Faraday, nu prea versat în complexitatea matematicii contemporane, dar perfect înțelegător sens fizic cunoscute până atunci informații despre natura electricității și magnetismului datorită conceptului de interacțiuni de câmp propus de el.

existenţă societate modernă pe baza utilizării electricității, magnetismului și electrodinamicii, datorăm o întreagă galaxie de oameni de știință remarcabili. Printre aceștia trebuie remarcați Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz și, bineînțeles, Maxwell. În cele din urmă, au adus știința electricității și magnetismului într-o singură imagine, care a servit drept bază pentru o întreagă cohortă de inventatori care au creat premisele apariției societății informaționale moderne cu creațiile lor.

Trăim înconjurați de motoare și generatoare electrice: ei sunt primii noștri asistenți în producție, transport și acasă. Orice persoană care se respectă nu-și poate imagina existența fără frigider, aspirator și mașină de spălat. O prioritate este și un cuptor cu microunde, un uscător de păr, o râșniță de cafea, un mixer, un blender și - visul suprem - o mașină de tocat carne electrică și o mașină de pâine. Desigur, aerul condiționat este, de asemenea, un lucru teribil de util, dar dacă nu există fonduri pentru a-l achiziționa, atunci un simplu ventilator va face.

Pentru unii bărbați, cererile sunt ceva mai modeste: visul suprem al celui mai inept bărbat este o bormașină electrică. Unii dintre noi, încercând fără succes să pornească mașina în patruzeci de grade de îngheț și chinuind fără speranță demarorul (tot un motor electric), visează în secret să achiziționeze o mașină Tesla Motors cu motoare electrice și baterii pentru a uita pentru totdeauna de problemele benzinei. si motoare diesel.

Motoarele electrice sunt peste tot: ne ridică în lifturi, ne transportă în metrouri, trenuri de navetiști, tramvaie, troleibuze și trenuri de mare viteză. Ne aduc apă la podelele zgârie-norilor, funcționează fântâni, pompează apă din mine și fântâni, rulează oțel, ridică greutăți, lucrează în diverse macarale. Și fac o mulțime de alte lucruri utile, punând în mișcare mașini-unelte, unelte și mecanisme.

Chiar și exoschelete pentru persoanele cu handicapat iar pentru militari sunt realizate folosind motoare electrice, ca să nu mai vorbim de o întreagă armată de roboți industriali și de cercetare.

Astăzi, motoarele electrice funcționează în spațiu - nu uitați rover Curiosity. Se lucrează la sol, sub pământ, pe apă, sub apă și chiar în aer - dacă nu astăzi, atunci mâine (articol scris în noiembrie 2015) aeronava Solar Impulse 2 își va termina în sfârșit călătorie în jurul lumii, și fără echipaj aeronave la motoarele electrice, pur și simplu nu există numere. Nu e de mirare că corporații destul de serioase lucrează acum la servicii de livrare trimiteri poştale folosind vehicule aeriene fără pilot.

Referință istorică

Construită în 1800 de fizicianul italian Alessandro Volta, bateria chimică, numită mai târziu după inventatorul „coloana vultaică”, sa dovedit cu adevărat a fi un „corn al belșugului” pentru oamenii de știință. A făcut posibilă punerea în mișcare a sarcinilor electrice în conductori, adică crearea electricitate. Noi descoperiri folosind coloana voltaică au urmat continuu una după alta în diverse zone fizica si chimia.

De exemplu, omul de știință englez Sir Humphry Davy în 1807, studiind electroliza topiturii hidroxizilor de sodiu și potasiu, a obținut sodiu și potasiu metalic. Mai devreme, în 1801, a descoperit și arcul electric, deși rușii îl consideră a fi descoperitorul lui Vasily Vladimirovici Petrov. Petrov în 1802 a descris nu numai arcul în sine, ci și posibilitățile sale aplicație practicăîn scopuri de topire, sudare a metalelor și valorificarea acestora din minereuri, precum și iluminat.

Dar cea mai importantă descoperire a fost făcută de fizicianul danez Hans Christian Oersted: la 21 aprilie 1820, în timpul unei demonstrații de experimente la o prelegere, a observat deviația săgeții Busola magnetică la pornirea si oprirea unui curent electric care trece printr-un conductor sub forma unui fir. Astfel, pentru prima dată, a fost confirmată relația dintre electricitate și magnetism.

Următorul pas a fost făcut fizician francez André Marie Ampère la câteva luni după ce a experimentat experiența lui Oersted. Curios este cursul de raționament al acestui om de știință, expus în mesajele care i-au fost transmise unul după altul în Academia FrancezăȘtiințe. La început, observând rotirea acului busolei la un conductor care transportă curent, Ampere a sugerat că magnetismul Pământului este cauzat și de curenții care curg în jurul Pământului în direcția de la vest la est. Din aceasta au tras concluzia că proprietăți magnetice corpurile pot fi explicate prin circulația unui curent în interiorul lor. În plus, Ampère a concluzionat cu îndrăzneală că proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia și interacțiune magnetică nu datorită specialului sarcini magnetice, ci doar o mișcare sarcini electrice, adică curent.

Amper a preluat imediat controlul studiu pilot a acestei interacțiuni și a constatat că conductorii cu curent care circulă într-o direcție sunt atrași, iar în sens opus sunt respinși. Conductorii reciproc perpendiculari nu interacționează între ei.

E greu să rezisti să nu conduci deschis cu amperi legea în propria formulare:

„Forța de interacțiune a sarcinilor în mișcare este proporțională cu produsul acestor sarcini, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, ca în legea lui Coulomb, dar, în plus, depinde și de vitezele acestor sarcini și de direcția mișcarea lor”.

Deci în fizică au fost descoperite forte fundamentale in functie de viteze.

Dar adevărata descoperire în știința electricității și magnetismului a fost descoperirea de către Michael Faraday a fenomenului inductie electromagnetica- apariţia unui curent electric într-un circuit închis la schimbare flux magnetic trecând prin ea. Indiferent de Faraday, fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit și de Joseph Henry în 1832, care a descoperit pe parcurs fenomenul de autoinducție.

O demonstrație publică a lui Faraday pe 29 august 1831 a fost efectuată pe un dispozitiv inventat de el, constând dintr-un stâlp de volți, un întrerupător, inel de fier, pe care două bobine identice de sârmă de cupru au fost înfăşurate pe părţi opuse. Una dintre bobine a fost conectată la o baterie printr-un întrerupător, iar un galvanometru a fost conectat la capetele celeilalte. Când curentul a fost pornit și oprit, galvanometrul a înregistrat aspectul unui curent directii diferiteîn a doua bobină.

În experimentele lui Faraday, un curent electric, numit curent de inducție, a apărut și atunci când un magnet a fost introdus în bobină sau scos din bobina încărcată pe circuitul de măsurare. În mod similar, curentul a apărut și când o bobină mai mică cu curent a fost introdusă/trasă înăuntru/ieșit. colac mare din experiența anterioară. Și direcția curent de inducție schimbată în sens invers atunci când a fost introdus/prelungit un magnet sau o bobină mică cu curent în conformitate cu regula formulată de omul de știință rus Emil Khristianovici Lenz. în 1833.

Pe baza experimentelor efectuate, Faraday a derivat o lege pentru forta electromotoare ulterior numit după el.

Ideile și rezultatele experimentelor lui Faraday au fost regândite și generalizate de un alt mare compatriot - genialul fizician englezși matematicianul James Clerk Maxwell în patru ecuatii diferentiale electrodinamică, numită mai târziu ecuațiile lui Maxwell.

Trebuie remarcat faptul că în trei dintre cele patru ecuații Maxwell, inducția magnetică apare sub forma unui vector de câmp magnetic.

Inductie magnetica. Definiție

Inducția magnetică este un vector cantitate fizica, care este o forță caracteristică câmpului magnetic (acțiunea acestuia asupra particulelor încărcate) într-un punct dat din spațiu. Ea determină cât de puternic F câmpul magnetic acţionează asupra unei sarcini q, deplasându-se cu o viteză v. Notat Literă latină LA(pronunțat vector B) și forța se calculează folosind formula:

F = q [v∙B]

Unde F este forța Lorentz care acționează din partea câmpului magnetic asupra sarcinii q; v- viteza de miscare a incarcarii; B- inducţia câmpului magnetic; [ v × B] - produs vectorial vectori vși B.

Din punct de vedere algebric, expresia poate fi scrisă astfel:

F = q∙v∙B sinα

Unde α - unghiul dintre vectorii viteză și inducția magnetică. direcția vectorială F perpendicular pe amândouă și îndreptat după regula mâinii stângi.

Inducția magnetică este principala caracteristică fundamentală a unui câmp magnetic, similar cu vectorul intensității câmpului electric.

LA sistem international Unități SI, inducerea magnetică a câmpului se măsoară în tesla (T), în sistemul CGS - în gauss (Gs)

1 T = 10⁴ Gs

Alte mărimi de măsurare a inducției magnetice utilizate în diverse aplicații și conversia lor de la o mărime la alta, pot fi găsite în convertorul de mărimi fizice.

Instrumentele de măsurare pentru măsurarea mărimii inducției magnetice se numesc teslametre sau gausmetre.

Inducerea câmpului magnetic. Fizica fenomenelor

În funcție de reacția la un câmp magnetic extern, toate substanțele sunt împărțite în trei grupe:

• Diamagneți
• Paramagneți
• feromagneți

Termenii diamagnetism și paramagnetism au fost introduși de Faraday în 1845. Pentru cuantificare aceste reacții au introdus conceptul de permeabilitate magnetică. În sistemul SI introdus absolut permeabilitatea magnetică, măsurată în H/m, și relativ permeabilitatea magnetică adimensională, egal cu raportul permeabilitatea unui mediu dat la permeabilitatea vidului. Pentru diamagneți, permeabilitatea magnetică relativă este oarecum mai putin de unul, pentru paramagneți - puțin mai mult decât unitate. La feromagneți, permeabilitatea magnetică este mult mai mare decât unitatea și este neliniară.

Fenomen diamagnetism Constă în capacitatea unei substanțe de a contracara influența unui câmp magnetic extern datorită magnetizării împotriva direcției sale. Adică, diamagneții sunt respinși de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii diamagnetului dobândesc moment magnetic, îndreptată împotriva câmpului extern.

Fenomen paramagnetism este capacitatea unei substanțe de a se magnetiza atunci când este expusă la un câmp magnetic extern. Spre deosebire de diamagneți, paramagneții sunt atrași de un câmp magnetic. În acest caz, atomii, moleculele sau ionii paramagnetului capătă un moment magnetic în direcția care coincide cu direcția câmpului magnetic extern. Când câmpul este îndepărtat, paramagneții nu rețin magnetizarea.

Fenomen feromagnetism este capacitatea unei substanțe de a magnetiza spontan în absența unui câmp magnetic extern sau de a fi magnetizată sub influența unui câmp magnetic extern și de a reține magnetizarea atunci când câmpul este îndepărtat. În acest caz, majoritatea momentelor magnetice ale atomilor, moleculelor sau ionilor sunt paralele între ele. Această ordine este menținută până la temperaturi sub o anumită temperatură critică, numită punctul Curie. La temperaturi peste punctul Curie pt substanță dată, feromagneții se transformă în paramagneți.

Permeabilitatea magnetică a supraconductorilor este zero.

Permeabilitatea magnetică absolută a aerului este aproximativ egală cu permeabilitatea magnetică a vidului și în calculele tehnice este luată egală cu 4π 10 ⁻⁷ H/m

Particularități ale comportamentului câmpului magnetic în Diamagneți

După cum sa menționat mai sus, materialele diamagnetice creează un câmp magnetic indus îndreptat împotriva unui câmp magnetic extern. Diamagnetismul este un efect mecanic cuantic inerent tuturor substanțelor. În paramagneți și feromagneți, este nivelat datorită altor efecte, mai puternice.

Diamagneţii includ, de exemplu, substanţe precum gaze inerte, azot, hidrogen, siliciu, fosfor şi carbon pirolitic; unele metale - bismut, zinc, cupru, aur, argint. Mulți alți compuși anorganici și organici sunt, de asemenea, diamagnetici, inclusiv apa.

Într-un câmp magnetic neomogen, diamagneții sunt deplasați mai mult într-o regiune câmp slab. Magnetic linii de forță parcă ar fi împins afară din corp de materiale diamagnetice. Fenomenul de levitație diamagnetică se bazează pe această proprietate. Într-un câmp magnetic suficient de puternic creat de magneții moderni, este posibil să levitați nu numai diamagneți, ci și mici creaturi vii, constând în principal din apă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Niemingen, Țările de Jos, au reușit să atârne o broască în aer într-un câmp cu o inducție magnetică de aproximativ 16 T, iar cercetătorii de la un laborator NASA folosind un magnet supraconductor - levitația unui șoarece, care, ca un obiect biologic, este mult mai aproape de o persoană decât de o broască.

Toți conductorii prezintă diamagnetism atunci când sunt expuși la un câmp magnetic alternativ.

Esența fenomenului este că sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ, în conductori sunt induși curenți turbionari - curenți Foucault - dirijați împotriva acțiunii unui câmp magnetic extern.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în paramagneți

Interacțiunea unui câmp magnetic cu paramagneții este complet diferită. Deoarece atomii, moleculele sau ionii materialelor paramagnetice au propriul lor moment magnetic, ei se aliniază în direcția câmpului magnetic extern. Acest lucru creează un câmp magnetic rezultat care este mai mare decât câmpul original.

Paramagneții includ aluminiu, platină, alcalin și metale alcalino-pământoase litiu, cesiu, sodiu, magneziu, wolfram, precum și aliaje ale acestor metale. Paramagneții sunt, de asemenea, oxigen, oxid nitric, oxid de mangan, clorură de fierși mulți alți compuși chimici.

Paramagneții sunt substanțe slab magnetice, permeabilitatea lor magnetică este puțin mai mult decât unitatea. Într-un câmp magnetic neomogen, paramagneții sunt atrași într-o regiune mai mult câmp puternic. În absența unui câmp magnetic, paramagneții nu rețin magnetizarea, deoarece datorită mișcarea termică momentele magnetice proprii ale atomilor, moleculelor sau ionilor lor sunt direcționate aleatoriu.

Caracteristici ale comportamentului unui câmp magnetic în feromagneți

Datorită proprietății lor inerente de a magnetiza spontan, feromagneții formează magneți naturali, care cunoscută omenirii Cu cele mai vechi timpuri. Au fost atribuiți magneți proprietăți magice, au fost folosite în diferite ritualuri religioase și chiar în construcția de clădiri. Primul prototip al busolei, inventat de chinezi în secolele II sau I î.Hr., a fost folosit de strămoșii iscoditori pentru a construi case după regulile Feng Shui. Utilizarea busolei ca mijloc de navigație a început încă din secolul al XI-lea pentru a călători prin deșerturi de-a lungul Marelui. Drum de mătase. Mai târziu, utilizarea busolei în afacerile maritime a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea navigației, descoperirea de noi terenuri și dezvoltarea de noi rute comerciale maritime.

Ferromagnetismul este o manifestare a proprietăților mecanice cuantice ale electronilor care au spin, adică. propriul moment magnetic dipol. Mai simplu spus, electronii se comportă ca niște magneți minusculi. Pentru fiecare finalizat învelișul de electroni un atom poate avea doar o pereche de electroni cu spini opuși, adică. câmpul magnetic al unor astfel de electroni este direcționat în părți opuse. Din această cauză, atomii care au un număr de perechi de electroni au un moment magnetic total zero Prin urmare, doar atomii cu o înveliș exterioară neumplută și un număr nepereche de electroni sunt feromagneți.

Materialele feromagnetice includ metale din grupul de tranziție (fier, cupru, nichel) și metale din pământuri rare (gadoliniu, terbiu, disproziu, holmiu și erbiu), precum și aliaje ale acestor metale. Aliajele elementelor de mai sus cu materiale neferomagnetice sunt, de asemenea, feromagneți; aliaje și compuși ai cromului și manganului cu elemente neferomagnetice, precum și unele dintre metalele grupei actinide.

Feromagneții au o valoare a permeabilității magnetice mult mai mare decât unitatea; dependența magnetizării lor sub acțiunea unui câmp magnetic extern este neliniară și se caracterizează prin manifestarea histerezisului - dacă acțiunea câmpului magnetic este îndepărtată, feromagneții rămân magnetizați. Pentru a elimina această magnetizare reziduală, este necesar să se aplice un câmp invers.

Graficul dependenței permeabilității magnetice μ de puterea câmpului magnetic H într-un feromagnet, numit curbă Stoletov, arată că la intensitatea câmpului magnetic zero H = 0, permeabilitatea magnetică are Treabă măruntăμ₀; apoi, pe măsură ce intensitatea crește, permeabilitatea magnetică crește rapid până la un maxim μ max , apoi scade încet la zero.

Pionierul în studiul proprietăților feromagneților a fost fizicianul și chimistul rus Alexander Stoletov. Acum, curba de dependență a permeabilității magnetice de puterea câmpului magnetic îi poartă numele.

Se găsesc materiale feromagnetice moderne aplicare largăîn știință și tehnologie: multe tehnologii și dispozitive se bazează pe utilizarea lor și pe utilizarea fenomenului de inducție magnetică. De exemplu, în informatică: primele generații de calculatoare aveau memorie pe miezuri de ferită, informațiile erau stocate pe benzi magnetice, dischete și hard disk-uri. Cu toate acestea, acestea din urmă sunt încă folosite în calculatoare și sunt produse în sute de milioane de bucăți pe an.

Utilizarea inducției magnetice în inginerie electrică și electronică

LA lumea modernă Există multe exemple de utilizare a inducției câmpului magnetic, în primul rând în inginerie electrică de putere: în generatoare de electricitate, transformatoare de tensiune, în diverse acționări electromagnetice ale diferitelor dispozitive, instrumente și mecanisme, în tehnologia de măsurare și în știință, în diverse instalatii fizice pentru experimente, precum și în mijloace protectie electricași oprire de urgență.

Motoare electrice, generatoare si transformatoare

În 1824, fizicianul și matematicianul englez Peter Barlow a descris motorul unipolar pe care l-a inventat, care a devenit prototipul motoarelor electrice moderne. curent continuu. Invenția este de asemenea valoroasă pentru că a fost realizată cu mult înainte de descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică.

În zilele noastre, aproape toate motoarele electrice folosesc forța Amperi, care acționează asupra unui circuit purtător de curent într-un câmp magnetic, determinându-l să se miște.

Chiar și Faraday, pentru a demonstra fenomenul inducției magnetice în 1831, a fost creat setare experimentala, parte importantă care era dispozitivul cunoscut acum sub numele de transformator toroidal. Principiul de funcționare al transformatorului Faraday este încă utilizat în toate transformatoarele moderne de tensiune și curent, indiferent de putere, design și domeniu.

În plus, Faraday a fundamentat științific și a demonstrat experimental posibilitatea conversiei mișcare mecanicăîn electricitate folosind generatorul unipolar de curent continuu pe care l-a inventat, care a devenit prototipul tuturor generatoarelor de curent continuu.

Primul generator curent alternativ a fost creat de inventatorul francez Hippolyte Pixie în 1832. Mai târziu, la sugestia lui Ampere, a fost completat de un dispozitiv de comutare, care a făcut posibilă obținerea unui curent continuu pulsatoriu.

Aproape toate generatoarele de energie electrică care utilizează principiul inducției magnetice se bazează pe apariția unei forțe electromotoare într-un circuit închis, care se află într-un câmp magnetic în schimbare. În acest caz, fie rotorul magnetic se rotește în raport cu bobinele statorului fixe în generatoarele de curent alternativ, fie înfășurările rotorului se rotesc în raport cu magneții statori fix (jug) în generatoarele de curent continuu.

Cel mai puternic generator din lume, construit în 2013 pentru centrala nucleară Taishan de către compania chineză DongFang Electric, poate genera o putere de 1.750 MW.

În plus față de generatoarele de tip convențional și motoarele electrice asociate conversiei energie mecanicăîn energie electricași invers, există așa-numitele generatoare și motoare magnetohidrodinamice care funcționează pe un principiu diferit.

Relee și electromagneți

Inventat de omul de știință american J. Henry, electromagnetul a devenit primul dispozitiv de acționare electric și precursorul familiarului clopoțel electric. Mai târziu, pe baza sa, Henry a creat un releu electromagnetic, care a devenit primul dispozitiv de comutare automată cu o stare binară.

Microfon dinamic Shure utilizat într-un site de studio video

La transmiterea unui semnal telegrafic pe distanțe lungi, releele au fost folosite ca amplificatoare de curent continuu, schimbând conexiunea bateriilor externe ale stațiilor intermediare pentru transmiterea ulterioară a semnalului.

Capete și microfoane dinamice

În tehnologia audio modernă, sunt utilizate pe scară largă difuzoarele electromagnetice, sunetul în care apare datorită interacțiunii unei bobine mobile atașate la un difuzor prin care curge curentul. frecventa audio, cu un câmp magnetic în golul unui staționar magnet permanent. Ca rezultat, bobina împreună cu difuzorul se mișcă și creează unde sonore.

Microfoanele dinamice folosesc același design ca și capul dinamic, dar într-un microfon, dimpotrivă, o bobină mobilă cu un mini-difuzor în golul unui magnet permanent fix oscilează sub influența unui semnal acustic și generează o frecvență electrică a sunetului. semnal.

Instrumente de masura si senzori

În ciuda abundenței digitale moderne instrumente de masura, dispozitivele de tip magnetoelectric, electromagnetic, electrodinamic, ferodinamic și de inducție sunt încă utilizate în tehnologia de măsurare.

Toate sistemele din tipurile de mai sus folosesc principiul interacțiunii câmpurilor magnetice sau a unui magnet permanent cu câmpul unei bobine cu curent, sau un miez feromagnetic cu câmpuri de bobine cu curent sau câmpuri magnetice ale bobinelor cu curent.

Datorită inerției relative a unor astfel de sisteme de măsurare, acestea sunt aplicabile pentru măsurarea valorilor medii ale variabilelor.