Электрический двигатель
Двигатель использует электрическую энергию для производства механической энергии. Асинхронные двигатели используют переменный ток для преобразования электрической энергии в механическую. Эти двигатели обычно используются в бытовых приборах, таких как вентиляторы, сушилки, стиральные машины и блендеры.
Асинхронный двигатель состоит из вращающейся части (ротора) и неподвижной части (статора). В ротор Он представляет собой железный цилиндр с пазами, по которым прикреплены ребра или медные стержни. Ротор заключен в контейнер из катушек или витков проводящего провода, через который пропускается переменный ток, становясь электромагнитами.
Прохождение переменного тока через катушки создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток и магнитное поле в роторе. Взаимодействие магнитных полей в статоре и роторе вызывает скручивание в роторе, позволяя выполнять работу.
Электрический заряд
Электрический заряд — это фундаментальное свойство частиц, из которых состоит материя. В основе всех электрических зарядов лежит структура атома. Атом концентрирует в ядре положительные протоны, а отрицательные электроны движутся вокруг ядра. Когда количество электронов и протонов равно, у нас есть атом с нейтральным зарядом. Когда атом приобретает электрон, у него остается отрицательный заряд (анион), а когда он теряет электрон, он остается с положительным зарядом (катион).
Тогда считается заряд электрона как основная единица или кванты заряда электрические. Это эквивалентно 1,60 x 10 -19 кулон (C), который является единицей измерения зарядов, в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона.
Теория дальнодействия.
Попробуем понять, как взаимодействуют заряженные тела.
Более старая теория исходит из представления о непосредственном действии тел
друг на друга на расстоянии, без участия каких-либо материальных посредников.
Теория действия на расстоянии господствовала
примерно до последней четверти 19 века. Дело в том, что в механике в это время
безраздельно правили законы Ньютона ( в том числе закон всемирного тяготения),
которые прекрасно объясняли огромное количество наблюдаемых фактов, сами не
поддаваясь какому-либо объяснению. Легко предположить, что тяготение, электрические
и магнитные силы вообще не нуждаются в объяснении, так как являются врожденными
свойствами материи.
Следовательно, задача теории электромагнетизма
заключается лишь в математизации законов природы, и на их основе объяснении
электрических и магнитных явлений. Следует отметить, что часто электромагнитные
законы — калька законов механических (закон Кулона — закон всемирного тяготения
Ньютона).
В математическом отношении теория дальнодействия
благодаря усилиям выдающихся физиков и математиков (Лапласа, Ампера, Гаусса,
Остроградского и т.д. — подробнее о каждом из них расскажем в соответствующем
разделе курса) обладала простотой, ясностью, не использовала
гипотез о физической природе электричества, основывалась только на экспериментальных
фактах и их обобщениях.
Найдет ли Фарадей скрытую связь между электричеством и магнетизмом?
Наш современный мир, полный энергии и движения, родился во вторник, 3 сентября 1822 года. В этот день Майкл Фарадей в своей лондонской лаборатории склонился над деревянным столом — он готовил опыт. Больше десяти лет он старался нащупать нить, связывающую электричество и магнетизм, и уже потерял счет своим попыткам.
Майкл Фарадей был великим ученым-экспериментатором. Этот снимок сделан за несколько лет до его смерти. Высокая колба на столе — лейденская банка, простейший конденсатор, который мог хранить электрический заряд.
Он поставил магнит в середину заполненной ртутью чаши. Один конец медной проволоки он закрепил над магнитом так, чтобы второй ее конец погрузился в ртуть, и подключил ее к одному из двух контактов, или полюсов, электрической батареи. Без особой надежды на успех Фарадей подключил другую проволоку ко второму полюсу батареи и коснулся ей чаши с ртутью. Невидимый и бесшумный электрический ток потек по ртути, потом по проволоке, подсоединенной к магниту, и обратно к батарее. Электричество породило вокруг этого проводника поле, которое взаимодействовало с собственным полем магнита, и проволока пришла в движение. Она кружила вокруг магнита, и Фарадей понял, что доказал наконец свою теорию. Он преобразовал электричество в движение и изобрел электрический мотор!
Фарадей читает одну из своих популярных рождественских лекций в Королевском институте. Эта традиция сохраняется и сегодня, лекции даже транслируют по телевидению.
Изобретение Фарадея стало первым из череды научных прорывов, которые изменили мир и дали нам электрическую энергию. Без этого у нас не было бы компьютеров, телефонов, автомобилей, самолетов и освещения. Фарадей мог бы стать сказочно богатым человеком, но деньги его не интересовали — радость ему доставляли лишь научные открытия.
Фарадей преуспел и в других областях. Помимо открытий в физике и химии, он изменил преподавание науки, сделав ее популярной и интересной, особенно для молодежи. В 1825 году он организовал рождественские лекции в Королевском институте, которые с тех пор проводятся ежегодно. Фарадей выступал против загрязнения воздуха и много внимания уделял церкви. Он умер в 1867 году, вероятно, от болезней, вызванных применением опасных химикатов в опытах. Но к этому времени он стал одним из знаменитейших людей в стране.
Борьба двух теорий.
Изначально к теории Максвелла отнеслись весьма
настороженно. Дело в том, что тогда электродинамика занималась изучением постоянных
или почти постоянных полей, а в этом случае уравнения Максвелла переходят в
уравнения теории дальнодействия и, конечно, выводы из обеих теорий, поддающиеся
экспериментальной проверке, совпадают.
Ситуация кардинально изменилась, как только
речь зашла о быстро меняющихся полях. Из теории Максвелла следует (мы это покажем
ниже), что электромагнитное поле существует, причем распространяется в вакууме
в виде волны со скоростью
|
|
т.е. со скоростью света. Эта скорость настолько велика,
что огромный круг явлений воспринимается так, как если бы взаимодействия передавались
мгновенно, т.е. по теории дальнодействия.
Опыты Герца и Попова (см. соответствующие
разделы курса) однозначно решили спор в пользу теории Максвелла-Фарадея, теории
близкодействия.
Электродинамика — как наука.
|
def: Классическая электродинамика — теория поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами. |
Пока вряд ли это можно считать определением,
потому что неясно, что такое поле и заряд. Об этом мы поговорим ниже, а здесь
отметим, что среди известных видов взаимодействий электромагнитное занимает
одно из первых мест по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем,
что все тела построены из электрически заряженных частиц, взаимодействие между
которыми на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой
стороны действует на гораздо больших расстояниях, чем сильное взаимодействие.
Электродинамика тесно связана и полностью
совместима c различными областями физики, в том числе с СТО, которая собственно
выросла из классической теории электромагнетизма и связанных с ней экспериментов.
Электродинамика является теоретической основой многих прикладных наук: электро-
и радиотехники, радиоастрономии и т.д.
Законы классической электродинамики не работают
на малых пространственно-временных интервалах, где царит квантовая электродинамика.
Слово «классическая» означает здесь «не квантовая».
Теория близкодействия.
И все же: «Можно ли воздействовать ,
не действуя ?» «Нет !» — ответил Фарадей. Он высказал простую
до гениальности мысль, что действие одного тела на другое возможно либо через
соприкосновение, либо передается через промежуточную среду. Такой средой Фарадей
считал «мировой эфир», заполняющий все пространство. В нем при наличии
заряженных тел возникают изменения типа упругих деформаций, которые и передают
воздействие. Его же можно назвать электромагнитным полем.
Прекрасный экспериментатор, Фарадей не был
таким же математиком, поэтому его качественные объяснения не всегда находили
понимание среди современников.
Максвелл, который был приверженцем Фарадея,
сумел облечь его идеи в математическую форму. Он сформулировал систему уравнений,
в которой содержатся все законы электромагнитных взаимодействий.
Важные изобретения Фарадея
В ходе своих исследований Фарадей открыл многое из того, что мы используем по сей день.
Динамо-машина, или электрогенератор, превращает движение вращающегося сердечника в электричество. Большинство электростанций вырабатывают ток для наших домов по этому принципу.
Этому человеку не страшна искусственная молния, потому что его защищает металлическая клетка Фарадея. Ток стекает по сетке и не проникает за экран. Такие экраны используют для защиты людей и электронного оборудования.
Когда в следующий раз будешь надувать шарики на празднике или дне рождения, вспомни, что воздушные шары изобрел Фарадей для своих опытов.
Поделиться ссылкой
Взаимодействие токов
Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.
В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:
Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.
Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:
Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.
Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Магнитная индукция
Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.
Изображение магнитного поля при помощи силовых линий
Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.
Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.
Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.
Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.
Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!
Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.
Таблица большая основных формул электричества и магнетизма
| Физические законы, формулы, переменные | Формулы электричество и магнетизм |
|
Закон Кулона:
|
|
|
Напряженность электрического поля, где: F — сила, действующая на заряд q , находящийся в данной точке поля. |
|
| Напряженность поля на расстоянии r от источника поля: | |
| 1) точечного заряда | |
| 2) бесконечно длинной заряженной нити с линейной плотностью заряда τ: | |
| 3) плоскости с поверхностной плотностью заряда σ (не зависит от расстояния): | |
| 4) между двумя разноименно заряженными плоскостями с поверхностной плотностью заряда σ (во вне такого «суперконденсатора» поле равно нулю по принцину суперпозиции): |
|
| Потенциал электрического поля: где W — потенциальная энергия заряда q . | |
| Потенциал поля точечного заряда на расстоянии r от заряда: | |
| По принципу суперпозиции полей, | |
|
|
|
|
|
Работа сил электрического поля по перемещению заряда q из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 : |
|
| Связь между напряженностью и потенциалом | |
| 1) для неоднородного поля: | |
| 2) для однородного поля: | |
| Электроемкость уединенного проводника, где φ — потенциал проводника | |
| Электроемкость конденсатора: где U = φ1 — φ2 — напряжение. | |
|
Электроемкость плоского конденсатора, где: S — площадь пластины (одной) конденсатора, d — расстояние между пластинами. |
|
| Энергия заряженного конденсатора: | |
| Сила тока: | |
| Плотность тока: где S — площадь поперечного сечения проводника. | |
|
Сопротивление проводника: ρ — удельное сопротивление; l — длина проводника; S — площадь поперечного сечения. |
|
| Закон Ома | |
| 1) для однородного участка цепи: | |
| 2) в дифференциальной форме: | |
|
3) для участка цепи, содержащего ЭДС, где: ε — ЭДС источника тока, R и r — внешнее и внутреннее сопротивления цепи; |
|
| 4) для замкнутой цепи: | |
| Закон Джоуля-Ленца | |
| 1) для однородного участка цепи постоянного тока: где Q — количество тепла, выделяющееся в проводнике с током, t — время прохождения тока; |
|
| 2) для однородного участка цепи постоянного тока: | |
| Мощность тока: | |
|
Связь магнитной индукции и напряженности магнитного поля: где B — вектор магнитной индукции, |
|
| Магнитная индукция (индукция магнитного поля): | |
| 1) в центре кругового тока где R — радиус кругового тока, |
|
| 2) поля бесконечно длинного прямого тока где r — кратчайшее расстояние до оси проводника; |
|
| 3) поля, созданного отрезком проводника с током где α1 и α2 — углы между отрезком проводника и линией, соединяющей концы отрезка и точкой поля; |
|
| 4) поля бесконечно длинного соленоида где n — число витков на единицу длины соленоида. |
|
|
Сила Лоренца: по модулю где F — сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле, v — скорость заряда q, α — угол между векторами v и B. |
|
| Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток через площадку S): | |
|
1) для однородного магнитного поля , |
|
|
2) для неоднородного поля |
|
|
Потокосцепление (полный поток): где N — число витков катушки. |
|
|
Закон Фарадея-Ленца: где εi — ЭДС индукции. |
|
|
ЭДС самоиндукции: где L — индуктивность контура. |
|
|
Индуктивность соленоида: где n — число витков на единицу длины соленоида, V — объем соленоида. |
|
| Энергия магнитного поля: | |
|
Заряд, протекающий по замкнутому контуру при изменении магнитного потока через контур, где: ΔΦ = Φ2 – Φ1 — изменение магнитного потока, R — сопротивление контура. |
|
| Работа по перемещению замкнутого контура с током I в магнитном поле: |
Маглев: парящие в воздухе поезда
Магнитно-левитирующие поезда используют электромагнетизм для подъема, направления и движения по специальному рельсу. Япония и Германия первыми начали использовать эти поезда как транспортное средство. Есть две технологии: электромагнитная подвеска и электродинамическая подвеска.
В электромагнитная подвеска он основан на силах притяжения между мощными электромагнитами у основания поезда и рельсового пути. Магнитная сила регулируется таким образом, чтобы поезд оставался подвешенным на пути, в то время как он приводится в движение магнитным полем, которое движется вперед за счет взаимодействия боковых магнитов на поезде.
В электродинамический подвес Он основан на силе отталкивания между магнитами на поезде и наведенном магнитном поле на железной дороге. Этот тип поезда нуждается в колесах, чтобы иметь возможность развивать критическую скорость, как у самолетов при взлете.
Вакуум и вещество.
Следует отметить, что с точки зрения классической
электродинамики, вакуум и вещество не являются равноправными средами. Для нас
вполне достаточно считать, что вакуум — это состояние, в котором отсутствуют
реальные частицы (не говорим о физическом вакууме, а лишь о термодинамическом).
Это универсальная среда, в которой существует и распространяется электромагнитное
поле.
Вещество же будем рассматривать как вакуум,
«испорченный» вкраплениями атомных ядер и электронов, собственные
поля которых искажают внешнее электромагнитное поле.
def (сокр. лат. definitio) — определение,
lex (лат.) — закон,»lex non scripta» — неписанный закон.
rem (сокр. фр. remarque) — ремарка, замечание, уточняющее детали.
Изучение электромагнитных явлений
Началом научного изучения электрических и магнитных явлений считается работа Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните, новая физиология» (1600 г.), в которой он объяснил поведение стрелки компаса. Он открыл эффект усиления магнитного действия железным якорем и объяснил его намагничением железа. Гильберт ввел понятие «электричество» (это термин произведен от греческого названия янтаря). Гильберт исследовал множество различных тел с точки зрения электризации их трением. Разделил все вещества на электрические и неэлектрические. Изобрел прообраз современного электроскопа. Он разделил электрические и магнитные явления. В сочинениях Гильберта присутствует смесь интересных наблюдений, научных предположений и объяснений в стиле алхимиков. Но именно работы Гильберта дали отправную точку для интенсивного развития электромагнетизма как важнейшего раздела науки и техники.
Эклектическими опытами занимались многие ученые, состоявшие в Лондонском Королевском обществе. Ньютон рассматривал «электрическую пляску» кусочков бумаги под стеклом, положенных на металлическое кольцо, в 1716 г. получил искровой разряд между острием иглы и наэлектризованным телом. Бойль исследовал свойства притяжения наэлектризованных тел. Грэй открыл электропроводность тел, рассматривал вопросы, связанные с сохранением заряда (1730-1731 г.г.).
Чуть позже (1733 г) французский естествоиспытатель Дюфэ создал первую теорию электрических явлений. Он выделил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. С открытия лейденской банки началось повальное увлечение электрическими опытами в Европе, а позднее Америке и России. Крупные вклады в изучение электромагнитных явлений внесли: Рихман (электрический указатель — родоначальник современных электрометров), Франклин (теория положительного и отрицательного электричества), Кавендиш (эмпирическое доказательство того, что силы взаимодействия электрических зарядов подчиняются закону $\frac{1}{r^n},\ где\ n=2\pm \frac{1}{50}$), Кулон (закон кручения, методы измерения количества электричества и количества магнетизма, база для системы электрических и магнитных единиц), Вольта (связь между количеством электричества, емкостью и напряжением, электроскоп, первый генератор электрического тока), Эрстед (магнитное действие тока), Ампер (механическое взаимодействие токов, эмпирическая теория электродинамических явлений, создание электродинамики), Фарадей (исследования в области индукции, первая модель трансформатора), Максвелл (электромагнитная теория света, физико — математическая теория электромагнитного поля) и многие другие.
Электрическое поле и магнитное поле
А электрическое поле Это силовое поле, окружающее заряд или заряженную частицу.То есть заряженная частица воздействует или оказывает силу на другую заряженную частицу, которая находится поблизости. Электрическое поле — это векторная величина, представленная буквой И единицы измерения — вольт на метр (В / м) или ньютон на кулон (Н / Кл).
С другой стороны, магнитное поле Это происходит, когда есть поток или движение зарядов (электрический ток). Тогда мы можем сказать, что это область, в которой действуют магнитные силы. Таким образом, электрическое поле окружает любую заряженную частицу, и движение заряженной частицы создает магнитное поле.
Каждый движущийся электрон создает крошечное магнитное поле в атоме. В большинстве материалов электроны движутся в разных направлениях, поэтому магнитные поля компенсируются. В некоторых элементах, таких как железо, никель и кобальт, электроны движутся в предпочтительном направлении, создавая чистое магнитное поле. Материалы этого типа называются ферромагнитный.
