Что относится к магнитным явлениям примеры
Физические явления примеры магнитных, механических, звуковых, электрических и световых в таблице кратко
Физика — это наука об окружающей нас природе, она устанавливает самые общие закономерности, существующие между материальными объектами, и описывает их в виде физических законов. Любая из таких закономерностей проявляется в виде событий, называемых физическими явлениями. Поговорим об этих явлениях, рассмотрим их разнообразие и виды.
Физические явления в природе
Природа — это всё, что нас окружает. Земля, Солнце, воздух, предметы, люди, космос — всё это природа. Природа вечна и бесконечна.
Формой существования объектов в природе является движение в широком смысле — то есть всевозможные изменения, происходящие с ними. Не существует объектов, в которых бы никогда не происходило никаких изменений. Форма объекта, положение относительно других объектов, внутренняя структура, взаимодействия — хотя бы часть из этих характеристик любого предмета со временем всегда изменяется.
Изменения, происходящие с объектами в природе, объединяются под общим названием «явления». Большинство из них (но не все) изучает физика, поэтому такие явления называются физическими. Физическое явление — это явление, происходящее с материальными объектами, при котором предметы и вещества меняют своё состояние и характеристики, но при этом не появляется новых веществ.
Виды физических явлений
К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые электромагнитные, световые и некоторые другие процессы. Их можно представить в виде таблицы:
Рис. 2. Таблица физических явлений.
Приведём примеры физических явлений разных видов.
Механические явления
Механика изучает движение в узком смысле. То есть изменение положения тел в пространстве со временем и взаимодействие между этими телами.
Примеры механических явлений — это движение и соударение предметов, разгон и торможение, уравновешивание весов, земное притяжение, движения планет, сжатие пружины, всплывание предметов в жидкости.
Тепловые явления
Термодинамика изучает физическую сущность тепла, его источники и перенос между телами.
Примеры тепловых явлений — нагрев и остывание, кипение и конденсация, плавление и затвердевание.
Звуковые явления
Акустика изучает закономерности появления звука и его распространения в различных средах.
К звуковым явлениям относится сам звук, его слышимость, звуковоспроизведение и звукоизоляция.
Электромагнитные явления
Электродинамика изучает все, что относится к особой форме материи — электромагнитному полю.
Примеры электромагнитных явлений — это молния, электризация предметов, работа электрических приборов, движение тока по проводам, магнитные взаимодействия, работа электронных устройств.
Световые явления
Оптика изучает законы распространения света.
К световым явлениям относятся появление теней и полутеней, увеличение линзы, разложение белого света в спектр.
Явления, не изучаемые физикой
В заключение приведём пример явлений, которые физика не изучает. В первую очередь, это явления, относящиеся к смежным наукам. Например, превращения одних веществ в другие изучаются химией. Законы количественных соотношения и закономерностей изучаются математикой. Математика — это фактически «язык физики», физические наблюдения становятся законами только тогда, когда они выражены количественно на языке математики.
Кроме того, вне интересов физики лежат явления, происходящие в обществе, мыслительные процессы, искусство, религия, интересы людей. Эти явления изучаются гуманитарными науками.
Рис. 3. Гуманитарные науки.
Что мы узнали?
Физика изучает природные явления. Природа — это всё, что окружает нас. К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые, электромагнитные, световые процессы, происходящие в природе.
Магнетизм и электричество
Первое практическое применение магнит нашёл в виде кусочка намагниченной стали, плавающего на пробке в воде или масле. В этом случае одним концом магнит всегда указывает на север, а другим — на юг. Это был первый компас, применённый мореплавателями.
Так же давно, за несколько веков до нашей эры, людям было известно, что смолистое вещество — янтарь, если его натереть шерстью, получает на некоторое время способность притягивать лёгкие предметы: обрывки бумаги, кусочки нитки, пушинки. Это явление было названо электрическим («электрон» — по-гречески означает «янтарь»). Позднее было замечено, что наэлектризовываться трением может не только янтарь, но и другие вещества: стекло, сургучная палочка и др.
Долгое время люди не видели никакой связи между двумя необычными явлениями природы — магнетизмом и электричеством. Общим казался лишь внешний признак — свойство притягивать: магнит притягивал железо, а натёртая шерстью стеклянная палочка — кусочки бумаги. Правда, магнит действовал постоянно, а наэлектризованный предмет терял свои свойства через некоторое время, но и то и другое «притягивало».
Но вот, в конце XVII века было замечено, что молния — явление электрическое, — ударившая вблизи стальных предметов, может их намагнитить. Так, например, однажды стальные ножи, лежавшие в деревянном ящике, оказались, к несказанному удивлению хозяина, намагниченными после того, как молния попала в ящик и разбила его.
Со временем похожих случаев наблюдалось всё больше и больше. Однако это ещё не давало основания думать, что между электричеством и магнетизмом существует прочная связь. Такая связь была установлена лишь около 180 лет назад. Тогда было замечено, что магнитная стрелка компаса отклоняется, как только рядом с ней располагался проводник, по которому протекал электрический ток.
Почти в то же время учёные обнаружили другое, не менее поразительное явление. Оказалось, что проволока, по которой протекает электрический ток, в состоянии притягивать к себе мелкие железные опилки. Стояло, однако, прекратить ток в проволоке, как опилки немедленно осыпались, и проводник терял свои магнитные свойства.
Наконец, было обнаружено и ещё одно свойство электрического тока, окончательно утвердившее связь между электричеством и магнетизмом. Оказалось, что стальная игла, помещённая в середину проволочной катушки, через которую проходит электрический ток (такая катушка называется соленоидом), намагничивается так же, как будто её натёрли естественным магнитом.
Электромагниты и их использование
Из опыта со стальной иглой и родился электромагнит. Помещая в середину проволочной катушки вместо иглы стержень из мягкого железа, учёные убедились, что при пропускании тока через катушку железо приобретает свойство магнита, а после прекращения тока теряет это свойство. При этом было замечено, что чем больше витков проволоки в соленоиде, тем сильнее электромагнит.
Под влиянием движущегося магнита в проволочной катушке возникает электрический ток
Принцип действия электромагнитного реле
После того как было установлено, что электрический ток придаёт проводнику магнитные свойства, учёные задались вопросом: а не существует ли обратной связи между электричеством и магнетизмом? Не вызовет ли, например, сильный магнит, помещённый внутрь проволочной катушки, электрический ток в этой катушке?
В самом деле, если бы электрический ток возникал в проводнике под действием неподвижного магнита, то это полностью противоречило бы закону сохранения энергии. Согласно этому, закону для получения электрического тока необходимо затратить другую энергию, которая превращалась бы в электрическую. При получении электрического тока с помощью магнита в электрическую энергию и превращается энергия, затрачиваемая на передвижение магнита.
Изучение магнитных явлений
Еще в середине Х III века пытливые наблюдатели заметили, что магнитные стрелки компаса взаимодействуют между собой: концы, указывающие одно и тоже направление, отталкиваются, а указывающие разное — притягиваются.
Этот факт помог учёным объяснить действие компаса. Было высказано предположение, что земной шар представляет собой огромный магнит, и концы компасных стрелок упорно поворачиваются в нужном направлении, потому, что они отталкиваются от одного магнитного полюса Земли и притягиваются к другому. Это предположение оказалось верным.
В изучении магнитных явлений сильно помогли мелкие железные опилки, прилипающие к магниту любой силы. Прежде всего было замечено, что больше всего опилок прилипает к двум определённым местам магнита или, как их стали называть, — полюсам магнита. Выяснилось, что любой магнит всегда имеет, по меньшей мере, два полюса, из которых один стали называть северным (С), а другой — южным (Ю).
Железные опилки показывают расположение магнитных силовых линий в пространстве вокруг магнита
У магнита, имеющего вид полоски, его полюсы чаще всего располагаются на концах полоски. Особенно яркая картина предстала перед глазами наблюдателей, когда они догадались посыпать железные опилки на стекло или бумагу, под которой лежал магнит. Густо расположились опилки у полюсов магнита. Затем в виде тонких линий — сцепившихся между собой частиц железа — они потянулись от одного полюса к другому.
Дальнейшее изучение магнитных явлений показало, что в пространстве вокруг магнита действуют особые, магнитные силы, или, как говорят, магнитное поле. Направление и интенсивность магнитных сил и показывают железные опилки, расположенные над магнитом.
Опыты с опилками научили многому. Например, к полюсу магнита приближается кусочек железа. Если при этом бумагу, на которой лежат опилки, немного потрясти, рисунок из опилок начинает меняться. Становятся как бы видимыми магнитные линии. Они идут от полюса магнита к куску железа и становятся всё гуще и гуще по мере приближения железа к полюсу. Одновременно с этим возрастает и сила, с которой магнит тянет к себе кусочек железа.
На каком конце железного бруска электромагнита образуется при прохождении тока через катушку северный полюс, а на каком южный? Это легко определить по направлению электрического тока в катушке. Известно, что ток (поток отрицательных зарядов) течёт от отрицательного полюса источника к положительному.
Зная это и глядя на катушку электромагнита, можно представить, в каком направлении пойдёт ток в витках электромагнита. У того конца электромагнита, где ток будет совершать круговое движение по направлению движения часовой стрелки, образуется северный полюс, а у другого конца бруска, где движение тока будет противоположно движению часовой стрелки, — южный. Если переменить направление тока в обмотке электромагнита, то переменятся и его полюсы.
Далее, было замечено, что как постоянный магнит, так и электромагнит притягивают значительно сильнее, если они имеют форму не прямого бруска, а согнуты так, что их разноимённые полюсы близки друг к другу. В этом случае притягивает не один полюс, а два, и кроме того, магнитные силовые линии меньше рассеиваются в пространстве — они оказываются сосредоточенными между полюсами.
Когда притягиваемый железный предмет прилипает к обоим полюсам, подковообразный магнит почти перестаёт рассеивать в пространстве силовые линии. Это легко увидеть при помощи тех же опилок на бумаге. Магнитные силовые линии, ранее тянувшиеся от одного полюса к другому, теперь проходят через притянутый железный предмет, словно им легче проходить через железо, чем через воздух.
Исследования показали, что это действительно так. Появилось новое понятие — магнитная проницаемость, которым обозначается величина, указывающая, во сколько раз магнитным линиям легче проходить через какое-либо вещество, чем через воздух. Самая большая магнитная проницаемость оказалась у железа и у некоторых его сплавов. Этим и объясняется, что из металлов именно железо лучше всего притягивается магнитом.
С меньшей магнитной проницаемостью оказался другой металл — никель. И он хуже притягивается магнитом. Было обнаружено, что и некоторые другие вещества обладают магнитной проницаемостью, большей, чем воздух, и, следовательно, притягиваются магнитами.
Но магнитные свойства этих веществ выражены очень слабо. Поэтому все электротехнические приборы и машины, в которых так или иначе работают электромагниты, по сию пору не могут обойтись без железа или без специальных сплавов, в которые входит железо.
Естественно, что исследованию железа и его магнитных свойств почти с самого зарождения электротехники было уделено огромное внимание. Однако настоящие, строго научные расчёты в этой области стали возможны лишь после исследований русского учёного Александра Григорьевича Столетова, произведённых в 1872 году. Он нашёл, что магнитная проницаемость какого-либо куска железа — величина не постоянная. Она меняется от степени намагничивания этого куска.
Способ испытания магнитных свойств железа, предложенный Столетовым, имеет большую ценность и в наше время он применяется учёными и инженерами. Более глубокие исследования природы магнитных явлений стали возможны лишь после развития учения о строении вещества.
Современное представление о магнетизме
Теперь мы знаем, что любой химический элемент состоит из атомов — необычайно маленьких сложных частичек. В центре атома находится ядро, заряженное положительным электричеством. Вокруг него вращаются электроны, частицы, несущие в себе отрицательный электрический заряд. Число электронов неодинаково у атомов различных химических элементов. Например, у атома водорода вокруг ядра вращается всего один электрон, а у атома урана — девяносто два.
Путём внимательных наблюдений за различными электрическими явлениями учёные пришли к выводу, что электрический ток в проводнике есть не что иное, как перемещение электронов. Теперь вспомним, что вокруг проводника, в котором протекает электрический ток, то есть перемещаются электроны, всегда возникает магнитное поле.
Из этого следует, что магнитное поле всегда появляется там, где существует движение электронов, иными словами, существование магнитного поля есть следствие движения электронов.
Возникает вопрос: в любом веществе электроны постоянно вращаются вокруг своих атомных ядер, почему же в таком случае не всякое вещество образует вокруг себя магнитное поле?
Современная наука даёт на это следующий ответ. Каждый электрон не только обладает электрическим зарядом. Он обладает и свойствами магнита, является маленьким элементарным магнитиком. Таким образом создаваемое электронами магнитное поле при их движении вокруг ядра складывается с их собственным магнитным полем.
При этом у большинства атомов магнитные поля, складываясь, нацело уничтожают, поглощают друг друга. И только у немногих атомов — железа, никеля, кобальта и в гораздо меньшей степени у других, магнитные поля оказываются неуравновешенными, и атомы представляют собой крошечные магнитики. Эти вещества носят название ферромагнитных («феррум» значит железо).
Если атомы ферромагнитных веществ расположены беспорядочно, то магнитные поля разных атомов, направленные в разные стороны, в конечном итоге уничтожают друг друга. Но если их повернуть так, чтобы магнитные поля складывались,— а именно это мы и делаем при намагничивании — магнитные поля будут уже не погашаться, а складываться друг с другом.
Всё тело (кусок железа) будет создавать вокруг себя магнитное поле, становиться магнитом. Точно так же в случае, когда электроны перемещаются в одном направлении, что, например, имеет место при электрическом токе в проводнике, магнитное поле отдельных электронов складывается в общее магнитное поле.
В свою очередь электроны, попавшие во внешнее магнитное поле, всегда подвергаются воздействию последнего. Это позволяет управлять движением электронов с помощью магнитного поля.
Всё сказанное выше является лишь приближённой и очень упрощённой схемой. В действительности атомные явления, происходящие в проводниках и магнитных материалах, более сложны.
Наука о магнитах и магнитных явлениях — магнитология — очень важна для современной электротехники. Большой вклад в дело развития этой науки сделал магнитолог Николай Сергеевич Акулов, открывший важный закон, известный во всём мире как «закон Акулова». Этот закон позволяет заранее установить, как при намагничивании изменяются такие важные свойства металлов, как электропроводность, теплопроводность и пр.
Целые поколения учёных работали над тем, чтобы проникнуть в тайну магнитных явлений и поставить эти явления на службу человечеству. В наше время миллионы самых разнообразных магнитов и электромагнитов работают на благо человека в разнообразнейших электрических машинах и аппаратах. Они освобождают людей от тяжёлого физического труда, а подчас являются незаменимыми слугами.
Смотрите другие интересные и полезные статьи про магниты и их применение:
Содержание:
Магнитные явления:
В 8-м классе вы изучали явления, связанные с взаимодействием электрических зарядов с электрическим полем. Электрическое взаимодействие является составляющей более широкого класса электромагнитных взаимодействий, к которому относится также магнитное взаимодействие.
В технике и в лабораторной практике часто используют полосовые (прямые) и подковообразные магниты (рис. 1).
Опыт 1. Положим на стол предметы, изготовленные из разных веществ. Приблизим к ним магнит. Циркуль, гвозди, иглы, стальная пластинка притягиваются к магниту (рис. 2), а резинка, спички, алюминиевая фольга, пластиковые колпачки от ручек останутся лежать на столе.
Магниты могут притягивать предметы через лист картона или стекло (рис. 3).
Опыт 2. На столе лежат гвозди и скрепки. Поднесем к ним магниты. Как видим, больше всего гвозди и скрепки притягиваются к концам магнитов (рис. 4).
Места магнита, где магнитное действие оказывается сильнее, называют полюсами магнита.
Чем дальше от полюсов расположен участок магнита, тем слабее его магнитное действие, тем меньше гвоздей и скрепок к нему притягивается, а в средней части их совсем нет.
Участок магнита, где не проявляется его магнитное действие, называют средней линией магнита.
Опыт 3. Подвесим на нити магнит так, чтобы он был в горизонтальном положении и мог свободно вращаться. Если рядом нет предметов, изготовленных из ферромагнетиков, сильно взаимодействующих с магнитами, то магнит будет всегда занимать одно и то же положение в направлении север-юг (рис. 5). Это связано с тем, что Земля имеет два магнитных полюса. На этом основано действие компаса.
Опыт 4. Разрежем магнит на две части, разделяя южный полюс и северный. В результате получили два магнита, опять с двумя полюсами (рис. 6). Это объясняется тем, что каждый магнит состоит из большого количества маленьких магнитов, всегда имеющих два полюса (рис. 7). 
Любой магнит обязательно имеет два полюса: северный и южный.
В технике используют сложные магниты, имеющие четное число чередующихся полюсов (N—S—N—S). Например, магнит велосипедного генератора имеет 8 полюсов (4 северных и 4 южных, рис. 8).
Ориентирование кусков природных магнитов и постоянных искусственных магнитов в направлении с севера на юг свидетельствует о том, что Земля обладает магнитными свойствами. Об этом узнали из данных, собранных в течение многих веков, на протяжении которых мореплаватели и путешественники изучали магнитные свойства Земли в разных географических пунктах. Путешествуя, люди постепенно собрали обширные сведения о направлении стрелки компаса в разных местах земной суши и Мирового океана.
Опыт 5. Поднесем к полюсам магнита магнитную стрелку. Северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса и притягивается к северному (рис. 9).
Разноименные магнитные полюса двух магнитов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить разными способами. Один из них заключается в использовании мелких железных опилок (метод спектров). 
Опыт 7. Подковообразный магнит накроем куском стекла или картона. На стекло насыпем тонкий слой железных опилок и легонько постучим по стеклу. Под действием магнитного поля магнита железные опилки размещаются рядом с магнитом не беспорядочно, а в виде замкнутых линий, которые называют линиями магнитного поля, или магнитными линиями (рис. 11, а).
Линии магнитного поля — это воображаемые замкнутые линии, которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита (рис. 11, б). 
Еще в 1269 г. француз Пьер Перегрин написал трактат «Послание о магните». В нем были описаны почти все известные на то время свойства
магнитов. Ученый установил, что если стальную спицу потереть природным магнитом, то она станет магнитом, или, как говорят, намагнитится. Такие тела также называют магнитами.
Каждый из вас может сделать магнит у себя дома. Для этого необходимо магнитом провести несколько раз вдоль железного стержня (рис. 13, а). Стержень окажется намагниченным. Так же можно намагнитить отвертку, положив ее на полосовой магнит (рис. 13, б). Она намагнитится и будет притягивать железные предметы (рис. 13, в). 
Железные или стальные тела также становятся магнитами, если их поместить в катушку изолированного провода, по которому проходит электрический ток. Что при этом происходит, рассмотрим позднее.
В 1595 г. английский физик Уильям Гильберт изготовил из природного магнита (магнетита, рис. 14) шар и пришел к выводу, что у него есть два полюса, а магнитная стрелка вблизи шара устанавливается в направлении с севера на юг. Тогда ученый предположил, что Земля является большим магнитом (рис. 15). Последующие исследования подтвердили это предположение. 
Вокруг Земли существует магнитное поле, которое условно изображают магнитными линиями. В каждой точке однородного магнитного поля магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий, а в неоднородном — по касательным к ним.
На этом явлении основано использование компаса. Каждый компас состоит из магнитной стрелки, свободно вращающейся на оси (рис. 16), и шкалы с нанесенными делениями и сторонами света. Стрелка компаса окрашена в сине-красный цвет или на ней может быть нанесена метка (синий конец и метка указывают северное направление). 
На рисунке 15 схематически изображены магнитные линии поля Земли. Как видно из рисунка, возле Северного географического полюса размещается Южный магнитный полюс, в котором линии сходятся, а возле Южного географического полюса — Северный магнитный полюс, из которого линии расходятся. Согласно исследованиям намагниченности горных пород магнитные полюса, как и магнитное поле Земли, с течением времени перемещаются, причем это перемещение очень сложное.
Магнитные полюса Земли не совпадают с ее географическими полюсами.
В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.
Когда активность Солнца повышается, то с его поверхности в космос выбрасываются потоки заряженных частиц. Магнитное поле, образующее эти подвижные частицы, меняет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Как следствие нарушается радиосвязь, у людей может ухудшаться самочувствие, на севере наблюдаются полярные сияния и т. п.
Земной магнетизм еще полностью не изучен, поэтому исследованию магнитного поля Земли уделяется большое внимание во время полетов искусственных спутников и космических кораблей. Установлено, что земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы часто является разрушительным.
Опыт Эрстеда и индукция магнитного поля
Долгое время электрические и магнитные явления рассматривали как независимые.
Впервые связь между ними установил датский физик Ханс Кристиан Эрстед. В 1820 г. в ходе опыта он заметил, что магнитная стрелка, размещенная либо над, либо под проводником (рис. 19, а), при замыкании цепи поворачивается и размещается почти перпендикулярно к проводнику (рис. 19, б).
Если электрическую цепь разомкнуть, то стрелка принимает прежнее положение.
Этот опыт свидетельствует о том, что электрический ток каким-то образом действует на магнитную стрелку. Следовательно, между электрическими и магнитными явлениями существует определенная связь.
В опыте Эрстеда впервые было выявлено магнитное поле тока. Действительно, если проводник с электрическим током действует на магнитную стрелку, то, вероятнее всего, вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.
Для исследования магнитного поля тока воспользуемся методом спектров, которым мы выявляли магнитное поле постоянных магнитов.
Опыт 1. Через отверстие в горизонтально размещенном листе картона пропустим вертикальный проводник с током (рис. 20). Картон посыпаем металлическими опилками и замыкаем цепь. В результате видим, что опилки образовали вокруг проводника концентрические окружности. Если опилки заменить магнитными стрелками, то они размещаются так, как показано на рисунке 20, а. 
Из опыта следует, что свойства магнитного поля тока такие же, как у магнитного поля постоянного магнита. Поэтому можно повторить выводы о графическом изображении магнитного поля. При этом необходимо помнить, что его источником могут быть и постоянный магнит, и электрический ток.
Воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок, называют линиями магнитного поля (магнитными силовыми линиями).
Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление линии магнитного поля. В магнитном поле железные или стальные опилки показывают форму магнитных линий этого поля.
Линии магнитного поля тока — это замкнутые линии, окружающие проводник с током.
Выполним предыдущий опыт, изменив ток в проводнике на противоположное направление. Оказывается, что все магнитные стрелки поворачиваются на 180° (рис. 20, б). Направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, на практике его можно установить по правилу буравчика (рис. 20, в).
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных силовых линий.
Опыт 2. Длинный прямой изолированный провод намотаем на деревянную или пластмассовую катушку. Присоединим ее к источнику тока. В катушке будет проходить электрический ток, а к ее концам притягиваются железные предметы, например винт (рис. 21). 
Катушка с током имеет два магнитных полюса: северный N и южный S.
Опыт 4. На пластинку из оргстекла (рис. 23, а) кладем железные опилки, по катушке пропускаем электрический ток. Опилки ориентируются в определенном порядке. Линии магнитного поля катушки с током также являются замкнутыми кривыми. Считают, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (рис. 23, б). Магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю полосового магнита (рис. 23, в).
На рисунке 22, б показано, как отталкиваются постоянный магнит и катушка с током, поскольку они размещены одноименными полюсами друг к другу. 
Выясним теперь, от чего зависит сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Опыт 5. Прикрепим катушку 1 (рис. 24) к чувствительному динамометру 3, разместив ее внутри неподвижной катушки 2 с сильным постоянным магнитным полем. Пропустим по обеим катушкам токи одинакового направления. Катушка 1 будет втягиваться внутрь катушки 2, пружина динамометра будет растягиваться, измеряя силу взаимодействия токов.
I. 
Изменяя длину проводника, намотанного на катушку 1, аналогично можно убедиться, что F
Кроме того, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, зависит от свойств самого поля. Эта зависимость характеризуется величиной, получившей название индукции магнитного поля (обозначают буквой В). Чем больше индукция магнитного поля, тем с большей силой оно действует на перпендикулярный проводник с током: F
В. Объединяя результаты опытов, получаем:
Из этого соотношения определяем индукцию магнитного поля: 
Таким образом, индукция магнитного поля определяется силой, с которой магнитное поле действует на проводник длиной 1 м, по которому проходит ток 1 А. Тогда единицей индукции магнитного поля в СИ является:
1 Н/1 А • 1 м = 1 Н/А • м = 1 Тл.
За единицу индукции магнитного поля 1 тесла (1 Тл) принимается индукция такого магнитного поля, которое на каждый 1 м длины проводника с током 1 А действует с силой 1 Н.
Единица индукции магнитного поля названа в честь сербского физика и электротехника Николы Теслы (1856-1943).
Индукция магнитного поля является величиной векторной: она имеет не только числовое значение, но и направление. Определение направления индукции магнитного поля основывается на следующем опытном факте.
Как известно, магнитная стрелка в магнитном поле поворачивается под действием на нее сил. В состоянии покоя эти силы направлены по одной прямой, но в противоположные стороны. Поэтому за направление индукции магнитного поля принимают направление силы, действующей со стороны магнитного поля в направлении северного полюса магнитной стрелки.
Магнитные свойства веществ и гипотеза Ампера
Согласно гипотезе Ампера, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые образуются вследствие движения электронов в атомах, каждый атом обладает магнитными свойствами. Если атомы внутри тела ориентированы хаотически вследствие теплового движения, то действия внутриатомных токов взаимно компенсируются, и магнитных свойств тело не проявляет (рис. 25, а). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия суммируются (рис. 25, б).
Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка с током в магнитном поле ведут себя одинаково. Стрелку (постоянный магнит) можно рассматривать как большую сложную совокупность небольших рамок с током, ориентированных одинаково.
В ферромагнетиках (веществах, в состав которых входят Fe, Со, Ni и др.) элементарные магнитики-атомы образуют участки спонтанной (произвольной) намагниченности (с линейными размерами 0,001-0,01 мм), которые называют доменами. В доменах размещается множество одинаково ориентированных атомов, поэтому намагниченность домена максимальна. В ненамагниченном ферромагнетике соседние домены расположены таким образом, что их намагниченности взаимно компенсируются (рис. 26, а). Если образец такого ферромагнетика поместить в магнитное поле постоянного магнита или внутри катушки с током, то под влиянием внешнего магнитного поля атомы в разных доменах преимущественно начинают ориентироваться так, что направление их магнитного поля совмещается с направлением внешнего (рис. 26, б). При этом магнитное поле внутри образца может увеличиться тысячекратно (рис. 26, в). Говорят, что образец стал магнитом.
Если постоянный магнит нагревать, то при определенной температуре (для железа 769 °С) домены разрушаются и его намагниченность утрачивается. 
Температуру, при которой ферромагнетик теряет намагниченность, называют температурой, или точкой, Кюри в честь выдающегося французского физика Фредерика Жолио-Кюри, открывшего и исследовавшего это явление.
Магнитные свойства веществ широко применяются. Одним из интересных примеров использования действия магнитного поля на вещество является «омагничивание» воды. Такая вода не создает накипи в паровых котлах, что позволяет использовать ее без дополнительной химической обработки. Бетон, замешанный на такой воде, крепче. Явление усиления магнитного поля магнитными веществами (ферромагнетиками) применяется в различных электротехнических устройствах: электромагнитных кранах, реле, электродвигателях, трансформаторах. Для этого используют специальные сорта электротехнической стали.
Магнитные лекарственные препараты содержат магнитный наполнитель. Создание таких препаратов является новым перспективным научным направлением развития современной фармакологии. Среди них можна выделить жидкости, микрокапсулы, пластыри, мази.
Пример №1
Можно ли изготовить магнит с одним полюсом?
Ответ: нет, поскольку магнит может иметь только четное число полюсов (2, 4, 6 и т. д.).
Пример №2
Вспомните, как взаимодействуют магниты, и объясните, где расположены магнитные Северный и Южный полюса Земли.
Ответ: в Северном полушарии все магнитные силовые линии Земли сходятся в точке, расположенной на 70°50′ северной широты и 96° западной долготы. Эта точка и является Южным магнитным полюсом Земли. Северный магнитный полюс расположен в Южном полушарии. Его координаты: 70°10′ южной широты и 150°45′ восточной долготы.
Пример №3
Как с помощью магнитной стрелки определить, намагничена ли стальная спица?
Ответ: необходимо поднести конец спицы к середине стрелки. Если стрелка притягивается, то спица намагничена.
Кстати:
Магнитное поле Земли является ориентиром для улиток. Если на пути моллюска положить магнит, действие которого сильнее воздействия магнитного поля Земли, то, поворачивая магнит в ту или иную сторону, можно изменять направление движения улитки. Известно, что даже мухи в определенной степени ощущают магнитное поле Земли. Немецкий ученый Э. Гюнтер заметил, что в 90 случаях из ста они садятся на горизонтальную поверхность точно в направлении север-юг или восток-запад. Такую же особенность он обнаружил у майских жуков и термитов.
Магнитное поле проводника с током. Электромагниты
Открытие Эрстеда ознаменовало начало ряда исследований по электромагнетизму. В 1820 г. Андре-Мари Ампер и Франсуа Араго исследовали магнитное поле катушки. В 1825 г. британский физик Уильям Стерджен заметил, что магнитное поле катушки значительно усиливается, если в середину ее вставить стальной сердечник. Так он изобрел простейший электромагнит.
В 1828 г. Джозеф Генри использовал многослойную обмотку из изолированного провода и получил более мощный электромагнит.
Любой электромагнит состоит из (рис. 32): стального сердечника 1, катушки (обмотки) 2 и якоря 3, который притягивается к сердечнику. Выясним, от чего зависит сила, с которой магнитное поле катушки электромагнита действует на его якорь.
Опыт 1. Замкнем цепь из электромагнита и реостата, с помощью которого будем изменять силу тока в катушках. При определенной силе тока электромагнит удерживает определенный груз (рис. 33 а), а если увеличить силу тока в два раза, то электромагнит может удержать груз приблизительно в два раза тяжелее (рис. 33, б). 
Чем больше ток проходит в катушке электромагнита, тем с большей силой притягивается к нему якорь.
Опыт 2. Повторим опыт 1 при начальной силе тока, когда электромагнит удерживал меньший груз. Теперь возьмем катушку, содержащую в два раза больше витков. Убедимся, что в этом случае электромагнит способен удерживать такой же большой груз, как и в опыте 1, когда в два раза увеличили ток.
Чем больше витков в катушке электромагнита, тем с большей силой притягивается к нему якорь.
Итак, «грузоподъемность» электромагнита зависит от «ампер-витков» его обмотки, то есть от произведения силы тока в катушке и количества витков в ней.
Электромагниты широко применяют в технике, быту, медицине и т. п. благодаря своим особенностям: электромагниты быстро размагничиваются, если выключить ток; в зависимости от назначения их изготавливают разных размеров; при работе электромагнита можно регулировать его магнитное действие, изменяя силу тока в обмотке.
На рисунке 35, б в разрезе показан магнитный сепаратор для очистки зерна от семян сорняков. В зерно подмешивают измельченные железные опилки, которые не прилипают к гладкому зерну, а только к ворсистым семенам сорняков. При вращении барабана с электромагнитом внутри происходит распределение зерна и семян сорняков с железными опилками.
Если в глаз человека попадают тела, на которые действует магнит, то в больницах для их удаления наряду с постоянными магнитами используют электромагниты. Изменяя силу тока в обмотке, регулируют интенсивность магнитного поля и удаляют постороннее тело с глубины до 2,5 мм.
Горизонтальное перемещение поезда магнитной левитацией тоже происходит за счет электромагнитов, которые управляются автоматикой (рис. 36, б). Она по заданному алгоритму отключает одни и подключает другие магниты. В результате спереди поезда образуется магнитная сила, тянущая его. Чем скорее переключаются магниты, тем большую скорость можно развить. В результате такой транспорт оказывается на 30 % эффективнее колесного на рельсах. 
Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решит серьезную проблему износа исходного материала.
Благодаря магнитной левитации были выращены искусственные ткани легкого (рис. 36, г). Несмотря на то что это звучит фантастично, группа ученых под руководством Глук Соуза в 2010 г. наглядно продемонстрировала, что это возможно. Исследователи задались целью в лабораторных условиях вырастить бронхиолу. Для эксперимента использовались крохотные магниты, вводящиеся в клетки. В результате получили реальные синтетически выращенные ткани легких.
Для любознательных:
Наполните железными опилками пробирку и закройте ее так, чтобы опилки были хорошо уплотнены. Вставьте пробирку с опилками в катушку, по которой проходит постоянный электрический ток. Разомкните цепь. С помощью магнитной стрелки убедитесь, что пробирка с опилками имеет свойства постоянного магнита. Объясните намагничивание железных опилок. Откройте пробирку и хорошо встряхните опилки. С помощью магнитной стрелки исследуйте, сохранили ли опилки магнитные свойства. Объясните результаты опыта.
Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера
Вам уже известно, что два проводника, по которым проходит электрический ток, взаимодействуют между собой с определенной силой. Это объясняется тем, что на каждый проводник с током действует магнитное поле тока второго проводника.
Магнитное поле действует с определенной силой на любой проводник с током, размещенный в этом поле. Такую силу называют силой Ампера в честь французского ученого, который исследовал и определил зависимость значения и направления этой силы от условий эксперимента.
Опыт 1. Подвесим на подсоединенных к источнику тока гибких проводниках отрезок толстого медного провода АВ. Разместим его горизонтально между полюсами подковообразного магнита (рис. 38, а). В этом случае проводник АВ будет размещаться в магнитном поле, которое образует вокруг себя магнит. Если замкнуть электрическую цепь, то проводник АВ начнет перемещаться, втягиваясь внутрь магнита (рис. 38, б).
Если изменить направление электрического тока, то проводник АВ будет выталкиваться из магнита (рис. 38, в). Проводник также выталкивается, если поменять местами полюса магнита.
Направление движения проводника в магнитном поле определяется направлением силы Ампера, действующей на него, и зависит от направления тока в проводнике и размещения относительно полюсов магнита.
Направление силы Ампера, действующей на проводник с током, удобно определять с помощью правила левой руки (рис. 38, г). 
Если ладонь левой руки разместить так, чтобы четыре выпрямленных пальца указывали направление тока в проводнике, а линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник с током.
Решая задачи для определения силы Ампера, необходимо воспользоваться формулой:
Если а = 90°, то формула приобретает вид:
Вам уже известно, что ток в цепи направлен от положительного полюса источника к отрицательному, следовательно, в частях рамки АС и BD он имеет противоположное направление, поэтому эти части проводника будут перемещаться в противоположные стороны, и рамка будет поворачиваться. Присоединенные к ее концам полукольца повернутся вместе с ней, и каждое прижмется к другой щетке, поэтому ток в рамке изменит направление на противоположное. Поскольку после поворота рамки на 180° одновременно поменялись на противоположные относительно нее и направление магнитного поля и направление тока, то направления сил Ампера, действующих на части АС и BD рамки, не изменятся, а рамка продолжит вращаться в том же направлении. Если бы коллектор 2 не переключал автоматически направление тока в рамке на противоположное, то она останавливалась бы после каждого полуоборота.
Электрические двигатели
Вращения катушки с током в магнитном поле используют в электрических двигателях и электроизмерительных приборах.
Без электрических двигателей невозможно представить жизнь современного человека. Вот далеко не полный перечень известных вам устройств, механизмов и машин, в которых используются электрические двигатели: самолет, автомобиль, трактор, трамвай, троллейбус, лифт и т. д.
Существует множество конструкций разных электродвигателей, но мы будем изучать устройство и принцип действия широко распространенного коллекторного электродвигателя (рис. 40). Он состоит из следующих основных узлов:
Принцип работы двигателя рассмотрим на примере простого двигателя (рис. 41, а). К щеткам 1 и 2 подается необходимое для работы электродвигателя напряжение. 
При взаимодействии тока, проходящего по обмотке, с магнитным полем статора 6 ротор 5 поворачивается таким образом, что рамка оказывается в вертикальном положении, и тока в ней нет, так как щетки касаются не пластин коллектора 3 и 4, а изоляции между ними. Однако благодаря инерции ротор проходит это положение, и щетки снова касаются коллекторных пластин. Каждые пол-оборота коллектор автоматически переключает полярность напряжения источника на концах обмотки на противоположное, поэтому направление тока в обмотке всегда соответствует вращению ротора в одну сторону.
Электрические двигатели имеют ряд преимуществ. При одинаковой мощности их размеры меньше, чем у тепловых двигателей. Они не выделяют газов, дыма и пара. Электродвигатели можно установить в любом месте. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности. Например, двигатель, изображенный на рисунке 41, б, имеет мощность 890 кВт, работает при напряжении 1400 Вив нем проходит ток 635 А.
Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, изобрел знаменитый электротехник Борис Якоби.
Громкоговоритель — устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство, которое конструктивно имеет одну либо несколько излучающих головок и, по необходимости, акустическое оформление и дополнительные электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и др.).
Электродинамический громкоговоритель — громкоговоритель, в котором преобразование электрического сигнала в звук происходит благодаря перемещению катушки с током в магнитном поле постоянного магнита (изредка — электромагнита) с последующим преобразованием полученных механических колебаний в колебания окружающего воздуха при помощи диффузора. 
Существует несколько систем электро-измерителей магнитного действия: в приборах электромагнитной системы стрелка-указатель связана с ферромагнитным сердечником, который втягивается в катушку, где проходит измеряемый ток; в приборах магнитоэлектрической системы указатель связан с легкой рамкой с током, который вращается в поле магнита на угол, пропорциональный значению этого тока; в приборах электродинамической системы алюминиевый диск вращается в магнитном поле переменного тока.
Рассмотрим подробнее устройство и действие наиболее распространенных приборов магнитоэлектрической системы.
Они состоят из подковообразного магнита 1 (рис. 43), возле полюсов которого размещаются наконечники 6, между которыми на двух полуосях вращается легкая алюминиевая рамка 3. На рамку наматывают тонкий изолированный проводник. Для усиления магнитного поля в пространстве между полюсами размещают неподвижный железный цилиндр 2.
К передней полуоси рамки прикрепляют легкую алюминиевую стрелку 4. Концы проводника, намотанного на рамку, припаивают к двум пружинам 5, по которым подается ток к обмотке рамки.
При прохождении тока по обмотке рамки Чем больше сила тока проходит через рамку, тем на больший угол поворачивается стрелка. Если электрическую цепь разомкнуть, то пружины под действием сил упругости, возникающих при повороте рамки, возвращают стрелку в нулевое положение шкалы 7.
С помощью приборов магнитоэлектрической системы можно измерять такие электрические величины, как сила тока, напряжение.
Пример №4
В произведении французского физика Франсуа Араго «Гром и молния» приводится много случаев перемагничивания компасной стрелки, намагничивания стальных предметов под действием молнии. Как можно объяснить эти явления?
Пример №5
Объясните результаты опыта (рис. 44).
Ответ: если электрическая цепь не замкнута, все магнитные стрелки размещаются в направлении север-юг. Если цепь замкнуть, вокруг проводника с током возникает магнитное поле, катушка становится магнитом, и поэтому магнитные стрелки взаимодействуют с ней. 
Пример №6
Рамка с током размещена между полюсами подковообразного магнита так, что ее плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля. Будет ли поворачиваться рамка?
Ответ: нет, поскольку в этом случае у рамки отсутствует вращательный момент.
Явление электромагнитной индукции. Опыты фарадея
Если электрический ток создает магнитное поле, то логично предположить существование обратного явления: возникновение электрического тока в проводнике при помещении его в магнитное поле. Многочисленные попытки обнаружить явление не принесли ожидаемых результатов. В неподвижных замкнутых проводниках, помещенных в наиболее мощные на то время магнитные поля, электрический ток не возникал.
В 1831 г. выдающийся английский физик Майкл Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции, ставшее почвой для создания всей современной электротехники и радиотехники. Его нельзя было предсказать на основе известных в то время сведений о магнитных полях и электрических токах. Выяснилось, что электрический ток все-таки возникает в неподвижном замкнутом проводнике, помещенном в магнитное поле, но лишь при изменении этого магнитного поля.
Опыты Фарадея, которые привели к открытию явления электромагнитной индукции, достаточно просты, их легко провести в условиях школы.
Опыт 1. Присоединим к гальванометру длинный гибкий проводник и поместим его между полюсами магнита (рис. 58). Если проводник и магнит неподвижны, то тока в проводнике нет. При перемещении проводника гальванометр сразу фиксирует в нем наличие тока.
Если при перемещении проводника в одном направлении стрелка гальванометра отклоняется, например вправо, то при движении в обратном направлении стрелка будет отклоняться влево, что свидетельствует об изменении направления тока в проводнике.
Ток в проводнике возникает и в случае перемещения магнита относительно проводника. 
Опыт 3. Закрепим полосовой магнит в штативе и наденем катушку, присоединив ее к гальванометру, на магнит (рис. 60). В катушке снова возникает электрический ток. Этот ток протекает только при движении катушки относительно магнита и изменяет свое направление при изменении направления движения катушки. 
Явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре, который либо неподвижен в переменном магнитном поле, либо перемещается в постоянном магнитном поле так, что количество линий магнитной индукции, которые пересекают плоскость, ограниченную контуром, меняется, называют электромагнитной индукцией.
Индукционный ток — электрический ток, возникающий в проводящем контуре при изменении индукции магнитного поля через этот контур вследствие явления электромагнитной индукции.
Из данных примеров следует, что индукционный электрический ток возникает при изменении в пространстве или во времени интенсивности магнитного поля, линии которого окружают проводник замкнутого контура. Изучая свойства электромагнитов, мы узнали, что интенсивность магнитного поля катушки с током можно менять, регулируя в ней силу тока. Видим, что такие изменения можно выполнить разными способами.
Оказалось, что в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только при изменении плотности магнитных линий, пронизывающих этот контур. При этом чем больше скорость изменения магнитного поля, тем больше значение индукционного тока. Проводник, перемещаясь, обязательно должен пересекать магнитные линии. Если проводник контура движется вдоль магнитных линий, или катушка перемещается поступательно в однородном магнитном поле, то индукционный ток не возникает.
Индукционный ток, возникающий в проводнике, может иметь разные направления. Опыты и наблюдения показывают, что направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, зависит от направления линий магнитного поля и направления движения проводника.
На практике направление индукционного тока в подвижном проводнике определяют по правилу правой руки (рис. 62).
Если ладонь правой руки разместить так, чтобы в нее входили линии магнитного поля, а отведенный под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца руки укажут направление индукционного тока в проводнике.
Генераторы индукционного тока
Генераторы постоянного тока широко применяются в современной электротехнике. Например, в технике больших токов генераторы постоянного тока используются в трамваях, на электрических железных дорогах и в других специальных электротехнических установках, где переменный ток использовать нельзя.
Технический индукционный генератор устроен следующим образом.
Если виток разрежем и концы его соединим с концами внешней цепи с помощью двух изолированных друг от друга колец, по которым скользят щетки внешней цепи (рис. 63, б), то получим схему простейшего генератора.
Существенные изменения структура топливно-энергетического баланса мирового хозяйства испытала на протяжении последних ста лет.
Если в первой половине XX в. в энергобалансе мирового хозяйства преобладал уголь и имели важное значение дрова, то в последние десятилетия ведущую роль играют нефть и газ. Несколько десятилетий на их долю приходилось 3/5 объема энергопотребления. По прогнозам специалистов, в XXI в. их часть снизится, в то же время сохранит значение потребление угля и несколько увеличится роль ядерной энергетики и нетрадиционных (альтернативных) источников энергии.
Невзирая на гидроэнергетическое строительство (рис. 65) во всем мире, роль ГЭС в энергоснабжении постоянно уменьшается. Это объясняется большими темпами сооружения ТЭС (рис. 66), которые работают на минеральном топливе.
Ветряные электростанции (ВЭС) используют энергию ветра, которая вращает ротор генератора (рис. 68).
Гелиоэлектростанции (ГелиоЭС) преобразуют энергию Солнца в электрическую энергию (рис. 69).
Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) преобразуют тепловую энергию Земли в электрическую (рис. 70). 
Пример №7
Если разместить проволочный прямоугольник в плоскости магнитного меридиана и перемещать его в этой плоскости, будет ли в нем возникать индукционный ток?
Ответ: нет, поскольку стороны прямоугольника не пересекают магнитных линий магнитного поля Земли.
В 1825 г. возглавил лабораторию в Королевском институте, с 1827 г. работал профессором кафедры химии.
Выполнил фундаментальные исследования по электромагнетизму. Поставил перед собой задачу «преобразовать магнетизм в электричество» и получить электрический ток из магнитного поля.
В 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции.
Фарадей детально исследовал явления электромагнитной индукции и самоиндукции, высказал предположение, что электрические и магнитные действия не передаются от тела к телу непосредственно, а переносятся в диэлектрической среде, размещенной между ними.
В 1833-1834 гг. открыл законы электролиза и ввел основную терминологию этого явления. Ввел понятия электрического и магнитного поля, сформулировал понятие об электрических и магнитных силовых линиях. После исследований Фарадея материю начали рассматривать не только в форме вещества, но и в форме поля. В 1843 г. экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда. Сделал открытия в области магнетизма (1845) и действия магнитного поля на свет (1846).
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.