Site Loader

Содержание

Взаимодействие токов. Магнитное поле — Магнитное поле

Цели: дать учащимся представление о магнитном иоле.

Демонстрация: демонстрация опыта Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле; демонстрация силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного ноля прямого тока.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

История магнита насчитывает свыше двух с половиной тысяч лет. В VI в. до н.э. древнекитайские ученые обнаружили минерал, способный притягивать к себе железные предметы. В древние времена свойства магнита пытались объяснить, приписывая ему «живую душу». Теперь мы знаем: вокруг любого магнита существует магнитное поле.

В 1820 г. Г.-Х. Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током.

(Проводится демонстрация опыта Эрстеда.)

В 1820 г. Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля

1. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

2. В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).

3. Магнитное поле материально, так как оно действует на тела и, следовательно, обладает энергией.

4. Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Опыт Ампера

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляем вертикально, затем присоединяем их с источниками тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, то есть взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Уильям Дисельберт выпустил в 1600 г. книгу под названием «Новая физиология в магнитах, магнитных силах и великом магните Земли». С этой книги, собственно, и начинается подлинное научное изучение электрических и магнитных явлений. Дисельберт описал в своей книге все свойства магнитов, которые в его эпоху были известны, а также изложил результаты собственных очень важных опытов. Он указал на ряд существенных различий между электрическим и магнитным притяжениями и ввел само слово «электричество».

Хотя после Дюсельберта различие между электрическими и магнитными явлениями было уже всем неоспоримо ясно, тем не менее, ряд фактов указывает на то, что при всем своем различии эти явления каким-то образом тесно и неразрывно связаны друг с другом. Наиболее бросаются в глаза факты намагничивания железных предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний.

Знаменитый французский физик Д. Араго (1786-1853) в своей работе «Гром и молния» описывает интересный случай: «В июне 1681 г.

корабль «Королева», находившийся в сотне миль от берега в открытом море, был поражен молнией, которая причинила значительные повреждения в мачтах, парусах. Когда наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два показывали на юг, а третий — на запад».

Араго описывает также случай, когда молния, ударившаяся в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.

В начале XVIII в. было установлено, что молния представляет собой электрический ток, идущий через воздух. Поэтому факты могли подсказать, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить это удалось только в 1820 г. Эрстеду.

Первые успехи в исследовании магнитных явлений в Средние века

В Средние века изучение магнитных явлений приобретает практическое значение. Это происходит в связи с изобретением компаса.

Уже в XII в. в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света. О компасе европейцы узнали от арабов, которым было уже к этому времени известно свойство магнитной стрелки. Еще раньше, вероятно, такое свойство знали в Китае.

Начиная с XII в. компас все шире применялся в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.

Практическое применение магнитных явлений приводило к необходимости их изучения. Постепенно выяснялся целый ряд свойств магнитов.

В 1600 г. вышла книга английского ученого У. Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия.

Еще раньше узнали, что магнит всегда имеет два полюса. Они были названы по имени частей света — северный полюс и южный полюс. В числе свойств магнита Гильберт указывал на то, что одинаковые полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Гильберт предполагал, что Земля представляет собой большой магнит. Чтобы подтвердить это предположение, Гильберт проделал специальный опыт.

Он выточил из естественного магнита большой шар. Приближая к поверхности шара магнитную стрелку, он показал, что она всегда устанавливается в определенном положении, так же как стрелка компаса на Земле.

Гильберт описал явление магнитной индукции, способы намагничивания железа и стали и т. д. Книга Гильберта явилась первым научным исследованием магнитных явлений.

III. Закрепление материала

— Какие взаимодействия называют магнитными?

— Перечислите основные свойства магнитного поля.

— Опишите опыт Эрстеда.

— Что доказывает опыт Эрстеда?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание

§ 1 учебника.

«Взаимодействие токов. Магнитное поле, его характеристики». 11-й класс

Цель урока:

  • дать учащимся представление о магнитном поле;
  • сформировать представления учащихся о магнитном поле и его свойствах.

Демонстрации:

1. Опыт Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле;
2. Силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока.

Оборудование:

  • источник питания;
  • ключ;
  • переменный резистор;
  • амперметр;
  • катушка на подставке;
  • компас;
  • соединительные провода.

ХОД УРОКА

I. Актуализация знаний

  1. Знакомство с учениками, с классом.
  2. Знакомство с учебником, правилами и требованиями учителя.
  3. Запись учениками школьных принадлежностей для урока физики.

а) учебник;
б) тетрадь 48 л.;
в) тетрадь для лабораторных и практических работ – 12-18 л.;

г) тетрадь для контрольных работ – 12-18 л.;
д) микрокалькулятор
е) линейка, карандаш, ластик, треугольник, транспортир, ручка (синяя и чёрная).

II. Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ.

а) ИОТ – 6;
б) ИОТ – 7;
в) ИОТ – 8;
г) журнал по технике безопасности на уроках физики (роспись учащихся об ознакомлении с правилами по ТБ).

 III. Изучение нового материала.

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле.
Вокруг любого магнита существует магнитное поле.
В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (демонстрация опыта Эрстеда).
В 1820 году Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля.

1. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

  • В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).
  • Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно обладает энергией.
  • Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Опыт Ампера

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляются вертикально, затем присоединяем их к источнику тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Изобретение компаса

В 12 веке в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света.
Применение (12 в.) в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.
Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Эксперимент 1

Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением компаса.
Вывод: вокруг проводника с током существует (возникает) магнитное поле.

Эксперимент 2

Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было около 12 см. замкнём электрическую цепь. В данном случае отклонения стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстоянии 8 см, наблюдается отклонение стрелки (300). Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки. Чем дальше от проводника с током, тем слабее магнитное поле.

Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.
Линии магнитной индукции не пересекаются. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте поля была пропорциональна значению модуля магнитной индукции.
Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле   вихревое.

Правило правого винта: Если вы когда-нибудь закручивали винт или шуруп, то вы наверняка знаете, в какую сторону он закручивается, а в какую выкручивается. Люди унифицировали направление закручивая винтов и шурупов. Это значит, что все шурупы и винты во всем мире закручиваются в одну сторону. То есть, если вы купите некий прибор в другой стране, то в случае его ремонта или сборки вам не потребуются винты с нарезкой в иную сторону, такие, каких не купишь в вашей стране. Нарезка всех винтов в мире совпадает. Это правило нарушают лишь в некоторых особых случаях, когда от нарезки зависит вращение некой части устройства. Но для таких случаев делают специальные детали. Это простое, но гениальное решение избавило от множества потенциальных проблем.

«Правило буравчика», направление тока и линий его магнитного поля

Оказывается, что это правило применимо не только в механике к закручиванию винтов. Если мы имеем проводник с током, то это правило помогает нам определить направление линий магнитного поля, образованного этим током. Только это правило в данном случае носит название «правила буравчика». Правило буравчика звучит следующим образом:
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Буравчик это винт или шуруп, который мы ввинчиваем. Направление ручки буравчика это направление вращения нашей руки. Если ток движется от нас, то и шуруп движется от нас, то есть мы его ввинчиваем, так как мы условились считать их направления совпадающими.
Тогда направление вращения нашей руки в процессе ввинчивания это направление магнитных линий. Они будут направлены по часовой стрелке.
В случае противоположного направления электрического тока, линии магнитного поля будут направлены, соответственно, против часовой стрелки. Таким же было бы направление руки в процессе выкручивая винта или направление ручки буравчика в случае его движения к нам.
А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? Очень просто. По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

Правило правой руки

В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, картина будет более сложной. Поэтому для простого нахождения направления линий магнитного поля в таком случае существует правило правой руки. Оно гласит:

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Открытие электромагнетизма:

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.

Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника ∆l, то сила ∆F, действующая со стороны этого элемента на полюс магнита, будет пропорциональна ∆F ~ (∆lr2)sinθ –, где ∆l – элемент проводника, θ – угол, образованный этим элементом и прямой, проведенной из элемента ∆l в точку, в которой определяется сила, а r – кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии, являющейся продолжением элемента проводника.
После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:

где ∆H – напряженность магнитного поля, I – сила тока, а k – коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4π.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером в 1820г.
Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

IV. Закрепление изученного материала.

  1. Какие взаимодействия называются магнитными.
  2. Основные свойства магнитного поля.
  3. Опишите опыт Эрстеда, что доказывает опыт Эрстеда?
  4. Правило правого винта.
  5. От чего зависит магнитная индукция поля внутри вытянутой катушки?

V. Домашнее задание.

§ 1,2  учебника Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б.    Физика – 11 (базовый и профильный уровни),– М.: Просвещение, 2010 г.

Тест по физике «Магнитное поле»

Тест: Магнитное поле

Вариант 1

  1. Какое свойство относится к линиям магнитной индукции?

А) Направлены от северного полюса к южному;

Б) Направлены от южного полюса к северному;

В) Не имеют направления

  1. Как называется сила, действующая на проводник с током в магнитном поле?

А) Сила Лоренца, Б) Сила Ампера, В) Электромагнитная индукция

  1. Определите направление силы Ампера.

А) Вправо; Б) Влево; В) Вверх; Г) Вниз

  1. Определите где находится северный полюс магнита N, а где южный S.

FA

А) Nвверху, Sвнизу; Б) N внизу, Sвверху

  1. Определите, как изменится сила Ампера, если магнитная индукция уменьшится в 2 раза.

А) Увеличится в 2 раза; Б) Уменьшится в 2 раза; В) Не изменится.

Тест: Магнитное поле

Вариант 2

  1. Чем порождается магнитное поле?

А) Неподвижными заряженными частицами.

Б) Электрическим током

В) Нейтральными частицами

2. Как называется сила действующая на движущийся электрический заряд в магнитном поле?

А) Сила Лоренца; Б) Сила Ампера; В) Электромагнитная индукция

3. Определите направление силы Ампера

А) Вверх; Б) Вниз; В) К нам; Г) От нас

4. Определите, как будет направлен ток в проводнике?

А) К нам; Б) От нас

  1. Определите, как изменится сила Ампера, если сила тока в проводнике увеличится в 2 раза.

А) Увеличится в 2 раза; Б) Уменьшится в 2 раза; В) Увеличится в 4 раза.

Ответы к тесту «Магнитное поле»

Вариант 1 Вариант 2

  1. – А 1. – Б

  2. – Б 2. – А

  3. – А 3. – А

  4. – А 4. – Б

  5. – Б 5. — А

физика11 — Основи електродинаміки

Глава 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Неподвижные электрические заряды создают во¬круг себя электрическое поле. Движущиеся заря¬ды создают, кроме того, магнитное поле.
§ 1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ
Между неподвижными электрическими зарядами дей¬ствуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно тео¬рии близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, кото¬рое действует на другой заряд.
Однако между электрическими зарядами могут сущест¬вовать силы и иной природы. Их можно обнаружить с помощью следующего опыта.
Возьмем два гибких проводника, укрепим их верти¬кально, а затем присоединим нижними концами к полю¬сам источника тока . Притяжения или отталкива¬ния проводников при этом не обнаружится .
Если теперь другие концы проводников замкнуть прово¬локой так, чтобы в проводниках возникли токи противопо¬ложного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга. В случае же токов одного направле ния проводники притягиваются.
Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между направленно движущимися элек¬трическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники е током действуют друг на друга, називають магнітними силами.
Магнитное поле. Согласно теории близкодействия, по¬добно тому как и пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в про¬странстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное* поле, которое действует на ток в другом провод¬нике. А поле, созданное электрическим током второго про¬водника, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особую форму мате¬рии, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными части¬цами.
Перечислим основные свойства магнитного поля, кото¬рые установлены экспериментально.
1. Магнитное поле порождается электрическим током (направленно движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды).
Подобно электрическому полю, магнитное поле су¬ществует реально, независимо от нас, от наших знаний
о нем.
Экспериментальным доказательством реальности магнит¬ного поля, как и реальности электрического поля, может служить факт существования электромагнитных волн.
Замкнутый контур с током в магнитном поле. Для изу-чения магнитного поля можно взять замкнутый контур ма¬лых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произволь¬ной формы. Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести их вместе. Тогда результирующая сила, дейст¬вующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.
Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.
Podvesim на тонких гнучких провідників, ткані разом, маленький, плоский кадру, що складається з декількох котушки дроту. На відстані, чим більше разів ваш розмір кадру, перемістити дріт вертикально. Кадр в передачею електричного струму через неї і ЧеRES дроту (повернутий) і розташовані так, що дріт оказывается в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводе рамка поворачивается на 180°.
Опыт показывает, что магнитное поле создается не толь¬ко токами в проводниках. Любое направленное движение электрических зарядов вызывает появление магнитного поля. Так, например, токи в газах, полупроводниках вызы¬вают возникновение в окружающем их пространстве маг¬нитного поля. Смещение связанных электрических зарядов в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, также вызывает появление магнитного поля.
Из курса физики вам известно, что магнитное поле соз¬дается не только электрическим током, но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах плоскую рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плос¬кость не установится перпендику¬лярно линии, соединяющей полюсы магнита. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие .
Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле.
Вокруг любых направленно дви¬жущихся зарядов возникает маг-нитное поле. Оно также появляется в случае, если в пространстве суще¬ствует электрическое поле, изме¬няющееся со временем.
Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.
1. Какие взаимодействия называют магнитными!
2. Перечислите основные свойства магнитного поля.


ВЕКТОР МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.
ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Электрическое поле характеризуется векторной вели¬чиной — напряженностью электрического поля. Надо бы ввести также и величину, характеризующую магнитное поле количественно. Дело это непростое, так как магнитные взаимодействия сложнее электрических. Векторную харак¬теристику магнитного поля называют вектором магнитной
индукции и обозначают буквой В. Сначала мы рассмотрим
вопрос только о направлении вектора В.
Магнитная стрелка. Мы видели, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, препятствующие ориентации рамки, поворачивается до тех пор, пока она не установится определенным образом. Вам известно, что так же ведет себя и магни і ная стрелка маленький продолговатый магнит с двумя полюсами на концах — южным S и северным N.
Направление вектора магнит¬ной индукции. Ориентирующее действие магнитного поля на магнит¬ную стрелку или рамку с током можно использовать для определе¬ния направления вектора магнит¬ной индукции.
За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током. Положи-тельная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается бурав¬чик (с правой нарезкой), если вра¬щать его по направлению тока в рамке.
Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно опреде¬лить направление вектора магнит¬ной индукции в любой точке поля.
Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направле¬ние поступательного движения бу¬равчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направле¬ние вращения ручки буравчика ука¬зывает направление вектора магнитной индукции.
Опыт по определению направле¬ния вектора индукции магнитного 

Земли проводит каждый, кто ориентируется на мест­ности по компасу.

Линии магнитной индукции. Наглядную картину маг­нитного пол» можно получить, если построить так назы­ваемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции налы на ют линии, касательные к которым в любой их точке соипадаю’г с вектором В в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.

Для магнитного поля прямолинейного проводника с то­ком из приведенных ранее опытов следует, что линии маг­нитной индукции — концентрические окружности, лежа­щие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касатель­ный к данной линии.

Если длина соленоида много больше его диаметра, то маг­нитное поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстоя­ниях друг от друга. 

Магнитный северный полюс Nблизок к Южному географическому полюсу, а магнит­ный южный полюс S— к Северному географическому по­люсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вра­щения Земли угол 11,5°. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена про­изошла около 30 ООО лет назад.

Картину линий магнитной индукции можно сделать ви­димой, воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы.

В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как малень­кая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, точнее выяснить распо­ложение линий магнитной индукции.

Вихревое поле. Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электро­статическим полем дело обстоит иначе. Его силовые ли­нии во всех случаях имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрица­тельных.

Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно за ключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.

 

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ДВИЖУЩИЙСЯ ЗАРЯД. СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток — это упорядоченно движущиеся заряженные частицы. Поэтому действие магнитного поля па проводник с током есть результат действия поля на дви­жущиеся заряженные частицы внутри проводника. Най­дем силу, действующую на одну частицу.

Силу, действующую на движущуюся заряженную части­цу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца (1853— 1928) — основателя электронной теории строения вещест­ва. Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной ДI, к числу Nзаряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с то­ком. Пусть длина отрезка ДI и площадь попереч­ного сечения проводника Sнастолько малы, что вектор

индукции магнитного поля В можно считать одинако­вым в пределах этого отрезка проводника. Сила тока I в про­воднике связана с зарядом час­тиц q,концентрацией заряжен­ных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения V следующей формулой:

І= qnvS.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Магнитное поле создается не только электрическими токами, но и постоянными магнитами.

Намагничивание вещества. Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ,

20 по псе вещества, помещенные в магнитное поле, намагничи­ваются, т. е. сами становятся источниками магнитного тши. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индук­ции в вакууме.

Гипотеза Ампера. Причина, вследствие которой тела об- мадлют магнитными свойствами, была установлена фран­цузским ученым Ампером. Сначала, под непосредственным впечатлением от наблюдения за поворачивающейся вблизи проводника с током магнитной стрелкой в опытах Эрстеда Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, проходящими внутри земного шара. Главный шаг был сделан: магнитные свойства тела можно объяснить циркулирую­щими внутри него токами. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определя­ются замкнутыми электрическими токами внутри него.

) гот решающий шаг от возможности объяснения магнит- пых свойств тела токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия то­ков, — свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов цир­кулируют элементарные электрические токи. (Теперь мы хорошо знаем, что эти токи образуются вследствие движе­ния электронов в атомах.) Если плоскости, в которых цир­кулируют эти токи, расположены беспорядочно по отно­шению друг к другу из-за теплового движения молекул, то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В на­магниченном состоянии элементарные токи в теле ориенти­рованы так, что их действия складываются.

Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка (контур) с током в магнитном поле ведут себя одина­ково. Стрелку можно рассматривать как совокупность маленьких контуров с током, ориентированных одинаково.

Наиболее сильные магнитные поля создают вещества, называемые ферромагнетиками. Магнитные поля создают ся ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного

 

вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядер. В ферромаг­нетиках существуют области с параллельными ориента­циями спинов, называемые доменами; размеры доменов порядка 0,5 мкм. Параллельная ориентация спинов обес­печивает минимум потенциальной энергии. Если ферро­магнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках уве­личивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего ПОЛЯ.

 

 

 

Глава 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

До сих пор мы рассматривали электрические и маг­нитные поля, не изменяющиеся с течением време­ни. Было выяснено, что электростатическое поле создается неподвижными заряженными частица­ми, а магнитное поле — движущимися, т. е. элек­трическим током. Теперь познакомимся с элек­трическими и магнитными полями, которые меняются со временем.

Самый важный факт, который удалось обнаружить, — это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнит­ным полями. Оказалось, что изменяющееся во времени маг­нитное поле порождает электрическое поле, а изменяющее­ся электрическое поле — магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно наблюдается на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ  ИНДУКЦИИ

В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике: «Пре­вратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта зада­ча была им решена.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделан осново­положником представлений об электромагнитном поле М. Фарадеем, который был уверен в единой природе элек­трических и магнитных явлений. Благодаря этому он и сделал открытие, вошедшее в основу устройства генерато

ров всех электростанций мира, превращающих механиче­скую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальванические элемен­ты, аккумуляторы и пр., — дают ничтожную долю выра­батываемой электрической энергии.)

Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было до­думаться до главного, а именно: движущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, по­казывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка ко­торого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присо­единены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Кол­ладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попро­сить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

 

МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Для того чтобы дать точную количественную формулиров­ку закона электромагнитной индукции Фарадея, нужно вве­сти новую величину — поток вектора магнитной индукции.

Вектор магнитной индукции В характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Можно ввести еще одну

величину, зависящую от значении вектора В не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плос­ким замкнутым контуром.

Для этого рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур), ограничивающий поверхность площадью Sи по­мещенный в однородное магнитное поле. Нор­маль п (вектор, модуль которого равен единице) к плоско­сти проводника составляет угол а с направлением вектора

Магнитной индукции В. Магнитным потоком Ф (потоком вектора магнитной индукции) через поверхность площа­дью Sназывают величину, равную произведению модуля 30 шчстора магнитной индукции В на пло­щадь Sи косинус угла а между векторами В и п:

Ф = BScosа.                      

Произведение Вcosа = Вппредставля­ет собой проекцию вектора магнитной ин­дукции на нормаль п к плоскости конту­ра. Поэтому  Ф = B„S.

 

НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ТОКА.

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Присоединив катушку, в которой возникает индукци­онный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что на­правление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или уда­ляется от нее.

Возникающий индукционный ток того или иного на­правления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнит­ной индукции выходят из него). На основе закона сохране­ния энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.

Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индук­

ционный ток такого направле­ния, что магнит обязательно отталкивается. Для сближе­ния магнита и катушки нужно совершить положительную ра­боту. Катушка становится по­добной магниту, обращенному одноименным полюсом к при­ближающемуся к ней магни­ту. Одноименные же полюса отталкиваются.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Сформулируем закон электромагнитной индукции количественно. Опыты Фарадея показали, что сила индукци-
 онного тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции В,
пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие «магнитный поток». Магнитный поток можно графически представить как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S. Чем больше индукция магнитного поля, тем большее число линий магнитной индукции пронизывает эту поверхность. Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время At.магнитный поток меняется на АФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитное поле Теоретическое занятие 20 по дисциплине

Магнитное поле Теоретическое занятие № 20 по дисциплине «Физика»

Магнитотерапия

Магнитное поле • Движущиеся электрические заряды создают в пространстве вокруг себя магнитное поле • Магнитное поле – это поле, создаваемое электрическим током • Магнитное поле осуществляет взаимодействие электрических токов • Магнитное поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами

Магнитное поле • Основные свойства магнитного поля: • порождается электрическим током (движущимися зарядами) • обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды) • существует в пространстве, окружающем электрический ток

Опыт Ампера • При пропускании электрического тока по проводникам: • проводники отталкиваются, если токи в разных направлениях • Проводники притягиваются, если токи в одном направлении

Опыт Ампера

Магнитное поле • Магнитное поле создаётся не только электрическим током, но и постоянными магнитами • Магнитная стрелка – продолговатый магнит с двумя полюсами на концах (S – южный, N – северный)

Магнитное поле • Вектор магнитной индукции – характеристика магнитного поля • В – магнитная индукция (Тл – Тесла) • За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле

Магнитное поле

Правило буравчика • Если направление поступательного вращения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции

Правило буравчика

Магнитное поле • Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке

Магнитное поле

Неоднородное магнитное поле • Неоднородное магнитное поле – это поле, линии которого искривлены, их густота меняется от точки к точке

Однородное магнитное поле • Однородное магнитное поле – поле, линии которого параллельны другу и расположены с одинаковой частотой

Однородное магнитное поле

Сила Ампера • На проводник длиной ∆l с электрическим током I, помещённый в однородное магнитное поле, со стороны поля будет действовать сила Ампера • FA — модуль силы Ампера (Н), • В – модуль вектора магнитной индукции (Тл), • между вектором магнитной индукции и участком – угол проводника

Сила Ампера

Сила Ампера • Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы пальцы левой руки были направлены по направлению электрического тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входил в ладонь, то отогнутый на 90ᵒ большой палец покажет направление силы Ампера

Сила Ампера

Сила Ампера • Определите направление силы Ампера:

Сила Лоренца • Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц • Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы • Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца

Сила Лоренца • q – модуль электрического заряда частицы (Кл), • – скорость движения положительно заряженной частицы (м/с), • между вектором магнитной индукции и вектором – угол скорости положительно заряженной частицы

Сила Лоренца • Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения положительного заряда, а вектор магнитной индукции входил в ладонь, то отогнутый на 90ᵒ большой палец покажет направление силы Лоренца

Сила Лоренца

Сила Лоренца • Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию заряженной частицы и модуль скорости её движения в магнитном поле • Под действием силы Лоренца меняется лишь направление движения заряженной частицы в магнитном поле

Сила Лоренца • Определите направление силы Лоренца:

Самостоятельная работа

Самостоятельная работа • Определите направление силы Лоренца:

Домашнее задание • Подготовить реферат на тему «Влияние магнитного поля на здоровье человека» или сообщение «Применение магнитов в медицине» • Прочесть конспект в рабочей тетради • Знать ответы на вопросы: — Что такое магнитное поле? — Каковы основные свойства магнитного поля? — Какие линии называют линиями индукции магнитного поля? — В каком случае магнитное поле является однородным? неоднородным? Приведите примеры.

Магнитное поле Теоретическое занятие № 20 по дисциплине «Физика»

Генерация электрического тока, Рон Куртус

SfC Главная > Физика > Электричество >

Рона Куртуса (обновлено 24 июня 2018 г.)

Электрический ток может быть генерирован перемещением металлической проволоки через магнитное поле. Это относится как к электричеству переменного тока (AC), так и к электричеству постоянного тока (DC). Это другой метод, чем тот, где постоянный ток создается батареей, в которой используются химические реакции.Это также отличается от статического электричества, которое представляет собой накопление зарядов на поверхности.

Электрические генераторы вращают катушку проводов через магнитное поле. Разница между генератором переменного тока и генератором постоянного тока заключается в том, что генератор переменного тока использует контактные кольца для передачи тока в электрическую цепь, а генератор постоянного тока использует коммутатор с разъемным кольцом. Генераторы могут быть очень маленькими или довольно огромными. Очень большие из них производят электроэнергию для сообщества. Электродвигатель очень похож на генератор, за исключением того, что мощность подается на вращение роторов.

Возможные вопросы:

  • Что происходит, когда провод проходит через магнитное поле?
  • Как используется проволочная петля в электрогенераторе?
  • Как выглядят коммерческие генераторы?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения



Движение провода через магнитное поле

Когда провод из проводящего материала пересекает магнитное поле, в проводе возникает электрический ток.

Провод должен быть частью цепи

Обратите внимание, что провод должен быть частью электрической цепи. В противном случае электронам некуда деваться. Другими словами, в проводе с открытыми концами не возникает электрического тока. Но если концы присоединить к лампочке, к электросчетчику или даже друг к другу, то цепь замыкается и возникает электрический ток.

Движение провода через магнитное поле создает электрический ток,
измеряется метражом, прикрепленным к концам провода

Направление тока

Направление магнитного поля и направление провода будут определять направление тока через провод.По соглашению направление магнитного поля от северной до южной.

лет назад Бенджамин Франклин определил направление электрического тока как движение от плюса (+) к минусу (-). В то время ученые не знали о существовании отрицательно заряженных электронов и их роли в электрическом токе.

Таким образом, по соглашению ток идет от плюса (+) к минусу (-). Но обратите внимание, что в действительности отрицательно заряженные электронов движутся в направлении, противоположном направлению тока .Электроны движутся от (-) к (+).

Вам просто нужно помнить, что электроны движутся в направлении, противоположном направлению тока.

Другие конфигурации

Помимо перемещения провода через магнитное поле, вы также можете создать электрический ток в проводе, перемещая магниты и удерживая провод неподвижно.

Другой метод создания тока состоит в том, чтобы оставить оба неподвижными, но изменить магнитное поле. Этот метод используется для изменения напряжения переменного тока в электрических трансформаторах.

(дополнительную информацию см. в разделе «Трансформаторы переменного тока»).

Петля закручена

Если из провода сделать петлю, которая затем закручивается или вращается в магнитном поле, вы можете получить непрерывный ток. Поскольку каждая сторона петли движется в другом направлении в магнитном поле, ток течет по петле в зависимости от того, в каком направлении она вращается.

Ток передачи

Также должен быть какой-то способ передачи тока на остальную часть цепи.В генераторе переменного тока это достигается наличием кольца на каждом конце провода. Металлический контакт или щетка трется или скользит по каждому кольцу, позволяя электричеству течь по цепи. В генераторе постоянного тока это делается с помощью одного разъемного кольца, называемого коммутатором. Генератор переменного тока использует два контактных кольца.

Сравнение контуров и колец постоянного и переменного тока

Генератор в действии

Следующая анимация показывает генератор переменного тока в действии. При перемещении одной стороны петли к другому полюсу магнитного поля ток в ней меняет направление.Два токосъемных кольца генератора переменного тока позволяют току менять направление и становиться переменным током.

Простой генератор переменного тока

(Изображение из серии передач PBS American Experience: Внутри генератора переменного тока)

В генераторе постоянного тока коммутатор с разъемным кольцом приспосабливается к изменению направления тока в контуре, создавая таким образом постоянный ток, проходящий через щетки и выходящий в цепь.

Обратите внимание, что постоянный ток не является постоянным значением.Скорее это «ухабистый» сигнал, с нулевым напряжением при обрыве кольца. Мощность от тока может быть математически описана как квадрат синусоиды. Поскольку большинство генераторов постоянного тока имеют более одного контура, «удары» выравниваются и не замечаются.

Чем быстрее провод проходит через магнитное поле, тем больше сила тока.

Полноразмерные генераторы

Генераторы, используемые для подачи электроэнергии в дома и предприятия, вместо одного контура имеют несколько магнитов и контуров, состоящих из проводов, намотанных на железный сердечник, подобно электромагниту.Чем больше витков провода проходит через магнитное поле, тем выше создаваемое напряжение.

Большой генератор с несколькими обмотками

Генераторы, используемые для обеспечения населения электроэнергией, огромны. Ротор может быть более 10 футов в диаметре.

Может использоваться как двигатель

Обратите внимание, что когда провод генератора намотан на железный сердечник, его также можно использовать в качестве электродвигателя. Вместо того, чтобы вращать петли в магнитном поле для создания электричества, по проводам проходит ток, создавая электромагниты.Затем внешние магниты будут отталкивать электромагниты и вращать вал как электродвигатель.

Если ток постоянный, коммутаторы с разъемным кольцом необходимы для создания двигателя постоянного тока. Если ток переменный, два токосъемных кольца необходимы для создания двигателя переменного тока.

Осмотрите отключенный от сети электродвигатель, чтобы увидеть, как мотор и генератор выглядят внутри.

Резюме

Движение провода через магнитное поле генерирует электрический ток. Электрические генераторы вращают катушку проводов через магнитное поле.Разница между генератором переменного тока и генератором постоянного тока заключается в том, что генератор переменного тока использует контактные кольца для передачи тока в электрическую цепь, а генератор постоянного тока использует коммутатор с разъемным кольцом. Очень большие генераторы производят электроэнергию для населения. Электродвигатель очень похож на генератор, за исключением того, что мощность подается на вращение роторов.


Осознание того, что вы сделали все возможное, заставляет вас чувствовать себя хорошо


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

веб-сайтов

Источники электроэнергии постоянного и переменного тока

Ресурсы по физике

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные за покупку книг)

Книги с самым высоким рейтингом по производству электроэнергии

.

Поделиться этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
electric_current_generation.htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа Чемпионов

Темы по физике

Генерация электрического тока

Сделай сам: вырабатывай собственное электричество — OpenLearn

Сделай сам

Генератор — это просто устройство, которое преобразует механическую энергию (полученную из угля, нефти, природного газа, ветра, воды, ядерных реакций или других источников) в электрическую энергию.Здесь мы опишем, как использовать легкодоступные материалы для изготовления простого генератора. Хотя его мощности будет достаточно только для того, чтобы зажечь небольшую лампочку, он работает по тем же основным принципам, что и генераторы электростанций, которые снабжают электричеством дом.

Как работает генератор

Когда электрический ток течет по проводу, он создает вокруг провода трехмерное магнитное силовое поле, подобное тому, которое окружает стержневой магнит. Магниты также окружены подобным трехмерным полем.Это можно «увидеть» в двух измерениях, если на лист бумаги, помещенный над магнитом, насыпать железные опилки. Опилки выстраиваются вдоль линий магнитной силы, окружающих магнит.

Двумерное представление магнитного поля вокруг стержневого магнита. Стрелки указывают направление силовых линий магнитного поля. N (север) и S (юг) указывают на полюса магнита, где сосредоточены силовые линии.Северный полюс магнита будет отталкивать северный полюс компаса или другого стержневого магнита, а его южный полюс будет притягивать северный полюс компаса или другого стержневого магнита.

Простейший генератор состоит всего лишь из катушки с проволокой и стержневого магнита. Когда вы проталкиваете магнит через середину катушки, в проводе возникает электрический ток. Ток течет в одном направлении, когда магнит вдавливается, и в другом направлении, когда магнит удаляется. Другими словами, вырабатывается переменный ток.Если вы держите магнит абсолютно неподвижно внутри катушки, ток вообще не генерируется. Другой способ получения тока состоит в том, чтобы магнит вращался внутри катушки или катушка вращалась вокруг магнита.

Этот метод получения электричества, называемый индукцией, был открыт Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что чем сильнее магниты, чем больше витков проволоки в катушке, и чем быстрее движется магнит или катушка, тем больше производимое напряжение.Фарадей также заметил, что катушка наматывается на металлический сердечник более эффективно, так как это помогает концентрировать магнитное поле.

Напряжение и ток

Что означают электрические термины напряжение (измеряется в вольтах) и ток (измеряется в амперах, часто сокращается до ампер)? Представьте, что электрический ток, протекающий по токопроводящему проводу, подобен автомобилям, движущимся по автомагистрали. Автомагистраль — это провод, а напряжение — скорость, с которой движутся автомобили. Ток соответствует количеству автомобилей, проезжающих данную точку каждую секунду.

Когда ток течет по проводу, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии, такие как тепло в нагревательном элементе, свет от нити накаливания лампы или звук из громкоговорителя. Электрический ток можно также заставить производить механическую энергию, что и происходит в электродвигателе. Таким образом, двигатель — это просто генератор, работающий в обратном направлении.

Создание собственного генератора

Что вам понадобится
  • картон
  • Железный гвоздь длиной 15 см, диаметром 6 мм и большой шляпкой
  • Болт длиной 8–10 см и диаметром 6 мм и гайка
  • 25-метровый эмалированный медный провод (30 swg или прибл.диаметр 0,3 мм)*
  • Магнит кнопки E825 Eclipse (с крепежным отверстием)*
  • Лампа фонарика 6 В, 0,06 А и держатель лампы*
  • рулон изоляционной ленты*
  • ручная дрель

* Можно приобрести в магазинах «Сделай сам» или в магазинах электроники.

 

простой генератор

Что делать

Ваш генератор будет состоять из катушки, прикрепленной к вращающемуся магниту.

  1. Вырежьте два картонных диска диаметром примерно 3 см и проделайте в центре каждого отверстие диаметром 4–5 мм. Вставьте гвоздь в отверстие и подтолкните один диск к его головке. Следующие 2–3 см поверхности ногтя покройте парой слоев изоляционной ленты.
  2. Наденьте другой диск, пока он не упрется в ленту, а затем намотайте еще ленты на другую сторону, чтобы зафиксировать положение таким образом, чтобы расстояние между картонными дисками не превышало 2–3 см. Размотайте примерно 30 см провода с катушки, чтобы сформировать провод от катушки, и начните наматывать оставшийся провод на изоляционную ленту между двумя картонными дисками.Для отслеживания может быть полезно делать отметку на листе бумаги после каждых 100 оборотов. Количество витков не критично, но чем больше, тем лучше; 1 500 должно хватить.
  3. Покрыв ноготь одним слоем витков, продолжайте наращивать слои один поверх другого. Вам не нужно делать особенно аккуратную работу.
  4. После примерно 1 500 витков оставьте около 30 см провода свободным на другом конце, а затем накройте обмотки изоляционной лентой. Удалите около сантиметра изоляции с двух концевых проводов, соскоблив эмаль, и подсоедините их к патрону лампы.Вставьте лампочку в держатель.
  5. Пропустите болт через отверстие, просверленное в основании магнита, и закрепите его, затянув гайку. Закрепите болт в патроне ручной дрели. Далее закрепите острый конец гвоздя в тисках (или между двумя тяжелыми книгами) так, чтобы он располагался горизонтально. Поднесите магнит примерно на 1 мм к шляпке гвоздя, которая должна быть немного смещена от центра вращающегося магнита. Убедитесь, что зазор между магнитом и шляпкой гвоздя как можно меньше, но не настолько, чтобы они соприкасались. Совет здесь — положите руку, удерживающую неподвижную часть дрели, на столешницу, чтобы она была как можно более устойчивой.

     

    Как можно быстрее поверните ручку дрели, и лампочка должна загореться. Генерировать электричество действительно так просто!

Генераторы для велосипедов и автомобилей

Автомобили нуждаются в источнике постоянного тока для управления зажиганием, освещением, стеклоочистителями и т. д. Он генерируется генератором переменного тока, который механически соединен с двигателем.Устройство, называемое выпрямителем, используется для преобразования выходного переменного тока в постоянный. Регулятор также должен быть установлен для управления током, чтобы выходное напряжение генератора продолжало соответствовать напряжению аккумуляторной батареи автомобиля при изменении частоты вращения двигателя.

Динамо-машина на велосипеде, которая вырабатывает электричество во время езды, является еще одним примером генератора. Его основная конструкция точно такая же, как и у описанного выше самодельного генератора.

динамо-машина для велосипеда

 

 

Изучите бесплатный научный курс

  • Наука о ядерной энергии

    Этот бесплатный курс «Наука о ядерной энергии» углубится в науку, лежащую в основе ядерной энергетики, и объяснит, что происходит внутри ядерного реактора и что означает радиоактивность элемента.В нем будут рассмотрены некоторые риски производства ядерной энергии и рассмотрены аргументы за и против включения ее в будущее энергетическое планирование, а также рассмотрены другие потенциальные будущие решения.

    Узнать больше чтобы получить более подробную информацию о науке о ядерной энергии
  • Этика в науке?

    Этот бесплатный курс «Этика в науке»? обсуждает, как ученые несут моральную и этическую ответственность за рассмотрение вопроса о том, следует ли им проводить эксперимент.В этом кратком курсе вы узнаете о первых клинических испытаниях, предпринятых для цинге и оспе и понять, насколько более строгими являются сегодняшние клинические испытания. Вы проведете собственное онлайн-исследование неэтичного ученого и, наконец, рассмотрите некоторые современные моральные дилеммы в науке.

    Узнать больше получить доступ к более подробной информации об этике в науке?
  • Оценка современной науки

    В нем будут рассмотрены способы развития научных знаний, их рецензирования и распространения. Вторая половина курса будет более подробно посвящена конкретной научной теме — пластику — и даст вам возможность попрактиковаться в этих навыках, рассмотрев социальное влияние темы, составив глоссарий незнакомых терминов и оценив соответствующие источники информации.

    Узнать больше чтобы получить доступ к более подробной информации об оценке современной науки

Новый материал, изготовленный из углеродных нанотрубок, может генерировать электричество, забирая энергию из окружающей среды — ScienceDaily

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или нанороботов, говорят исследователи.

«Этот механизм является новым, и этот способ получения энергии совершенно новый», — говорит Майкл Страно, профессор химической технологии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте. «Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет вам заниматься электрохимией, но без проводов.»

В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.

Страно — старший автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Communications . Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян Лю и бывший исследователь Массачусетского технологического института Юитиро Кунаи. Среди других авторов — бывший аспирант Антон Коттрилл, постдоки Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.

Уникальные свойства

Новое открытие стало результатом исследования Страно углеродных нанотрубок — полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами. В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «термоэлектрические волны». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС проходят по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок.Они обнаружили, что когда часть нанотрубки покрыта тефлоновым полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, жадный до электронов.

Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, путем измельчения углеродных нанотрубок и формирования из них листа материала, похожего на бумагу.Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоновым полимером, после чего исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут быть любой формы и размера. Для этого исследования они создали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Растворитель забирает электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая электроны», — говорит Страно.«Внутри нет сложной химии батареи. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольта электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для запуска химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон.Обычно эту реакцию не проводят с помощью электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он более универсален с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор, — говорит Чжан. «Частицы можно сделать очень маленькими, и им не нужны никакие внешние провода для запуска электрохимической реакции».

В будущей работе Strano надеется использовать этот вид генерации энергии для создания полимеров, используя в качестве исходного материала только углекислый газ.В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут регенерировать себя, используя углекислый газ в качестве строительного материала в процессе, питаемом солнечной энергией. Эта работа вдохновлена ​​​​фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахаров из углекислого газа, используя энергию солнца.

В долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или нанороботов. Лаборатория Страно уже приступила к созданию роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды.По его словам, идея получения энергии из окружающей среды для питания таких роботов привлекательна.

«Это означает, что вам не нужно размещать на борту энергоаккумулятор», — говорит он. «Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете брать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды».

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и начальным грантом от MIT Energy Initiative.

Как вращение турбины генерирует энергию?

Хотя электричество было открыто еще в 18 веке, с тех пор люди добились значительных успехов в производстве электроэнергии с помощью различных средств.Одним из наиболее распространенных способов получения энергии являются турбины различных типов, в том числе газовые и паровые турбины. В основе работы турбины по производству энергии лежит вращение ее роторов. Вот разбивка того, как это вращение генерирует большое количество электроэнергии.

Основы производства электроэнергии

Проще говоря, генераторы преобразуют кинетическую энергию, основанную на движении, в электрическую энергию. Однако существует ряд различных способов получения этой кинетической энергии.Чаще всего эта электрическая генерация создается с помощью электромагнитной индукции и использования механической энергии, которая заставляет генератор вращаться. Поэтому одной из самых основных операций генератора является создание кинетической энергии.

Как работают газовые турбины

Газовые турбины, также известные как турбины внутреннего сгорания, состоят из газового компрессора, расположенной ниже по потоку турбины и камеры сгорания, известной как камера сгорания. Воздух всасывается в компрессор, где встречается с топливом, чаще всего с природным газом.Это приводит к сгоранию, и газ с высокой температурой и высоким давлением затем вращает вращающиеся лопасти, которые втягивают больше сжатого воздуха в камеру сгорания и вращают генератор.

Как работают паровые турбины

Работая по тому же принципу, паровые турбины вместо этого используют чрезвычайно высокую температуру и пар высокого давления для извлечения тепловой энергии. При этом вода нагревается в котле для создания пара, который затем закачивается в турбину для вращения лопастей турбины. После этого пар часто снова охлаждают до жидкого состояния, а затем используют для создания большего количества пара.Как и в газовой турбине, вращающийся генератор имеет решающее значение для производства электроэнергии.

Как вращение создает электричество

Современные генераторы работают на тех же принципах электромагнитной индукции, которые были открыты в 1832 году. В этом году человек по имени Майкл Фарадей обнаружил, что электрические заряды могут создаваться при перемещении электрического проводника в магнитном поле. Это движение привело к разнице напряжений между двумя концами провода или проводника, что привело к потоку электрического заряда и, наконец, к электрическому току.В современных генераторах вращающиеся элементы окружены большим магнитом и катушками из медной проволоки. Магнит вращается за счет вращения колес, в результате чего возникает мощный поток электронов, превращающий механическую энергию в электрическую.

Эффективность турбин

Поскольку спрос на нефть и газ в глобальном масштабе растет, энергетические компании вынуждены учитывать эффективность турбин. Из-за множества факторов, участвующих в производстве энергии с помощью турбин, существует ряд стадий, на которых эффективность теряется.Хотя на этапе прядения вырабатывается само электричество, предыдущие этапы, требующие большого количества тепла и сгорания, могут привести к потере эффективности. В целом, паровые турбины являются более эффективной моделью, чем газовые турбины, поскольку в среднем они требуют меньше затрат на техническое обслуживание и оборудование. Кроме того, поскольку для них требуется источник постоянного тепла, операции обычно включают постоянный источник тепла, что приводит к более высокой эффективности. Однако они также требуют большого количества времени для достижения рабочего уровня.Процессы сгорания в газовых турбинах означают значительные колебания температуры, что приводит к снижению эффективности. Однако многие заводы компенсируют эту потерю эффективности, используя систему с комбинированным циклом. В этой системе горячий выхлопной газ из газовой турбины передается в паровую турбину, что значительно повышает эффективность операций в целом.

Поскольку стадия вращения турбины очень важна для выработки энергии, для электростанций важно иметь последовательные операции управления турбинами, роторами и оборудованием.Для получения дополнительной информации о том, как Petrotech предоставляет интеллектуальные системы управления для электростанций, изучите наши рекомендуемые официальные документы.

инженеров Массачусетского технологического института открыли совершенно новый способ производства электроэнергии

Инженеры Массачусетского технологического института открыли способ выработки электроэнергии с использованием крошечных частиц углерода, которые могут создавать электрический ток, просто взаимодействуя с органическим растворителем, в котором они плавают. Частицы состоят из измельченных углеродных нанотрубок (синие), покрытых тефлоновым полимером (зеленые).Фото: Хосе-Луис Оливарес, Массачусетский технологический институт. На основе рисунка, предоставленного исследователями.

Сила крошечных частиц в химических реакциях

Новый материал, изготовленный из углеродных нанотрубок, может генерировать электричество, забирая энергию из окружающей среды.

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ выработки электроэнергии с использованием крошечных частиц углерода, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или нанороботов, говорят исследователи.

«Этот механизм является новым, и этот способ получения энергии совершенно новый», — говорит Майкл Страно, профессор химической технологии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте. «Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет заниматься электрохимией, но без проводов».

В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.

Страно — старший автор статьи, опубликованной сегодня (7 июня 2021 г.) в Nature Communications . Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян Лю и бывший исследователь Массачусетского технологического института Юитиро Кунаи. Среди других авторов — бывший аспирант Антон Коттрилл, постдоки Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.

Уникальные свойства

Новое открытие стало результатом исследования Страно углеродных нанотрубок — полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами.В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «термоэлектрические волны». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС проходят по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что когда часть нанотрубки покрыта тефлоновым полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток.Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, жадный до электронов.

Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, путем измельчения углеродных нанотрубок и формирования из них листа материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоновым полимером, после чего исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут быть любой формы и размера. Для этого исследования они создали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Растворитель забирает электроны, и система пытается уравновесить движение электронов», — говорит Страно. «Внутри нет сложной химии батареи. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».

«Это исследование ловко показывает, как извлекать вездесущую (и часто незамеченную) электрическую энергию, хранящуюся в электронном материале, для электрохимического синтеза на месте», — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета в Амхерсте. , который не участвовал в исследовании.«Прелесть в том, что он указывает на общую методологию, которую можно легко расширить для использования различных материалов и приложений в различных синтетических системах».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольта электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для запуска химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон.Обычно эту реакцию не проводят с помощью электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он более универсален с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор, — говорит Чжан. «Частицы можно сделать очень маленькими, и им не нужны никакие внешние провода для запуска электрохимической реакции».

В будущей работе Strano надеется использовать этот вид генерации энергии для создания полимеров, используя в качестве исходного материала только углекислый газ.В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут регенерировать себя, используя углекислый газ в качестве строительного материала в процессе, питаемом солнечной энергией. Эта работа вдохновлена ​​​​фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахаров из углекислого газа, используя энергию солнца.

В долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или нанороботов. Лаборатория Страно уже приступила к созданию роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды.По его словам, идея получения энергии из окружающей среды для питания таких роботов привлекательна.

«Это означает, что вам не нужно размещать на борту энергоаккумулятор, — говорит он. «Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете брать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды».

Ссылка: «Индуцированная растворителем электрохимия на электрически асимметричной углеродной частице Янус» Альберта Тяньсяна Лю, Юичиро Кунаи, Антона Л. Коттрилла, Амира Каплана, Ге Чжана, Хюна Кима, Рафида С.Молла, Янник Л. Итмон и Майкл С. Страно, 7 июня 2021 г., Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-021-23038-7

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и начальным грантом от MIT Energy Initiative.

Электрические токи в космической плазме

Подобно тому, как электрические токи генерируют магнитные поля, описываемые законом Ампера, изменяющиеся магнитные поля в плазме (состоящей из заряженных частиц) генерируют электрические токи, описываемые законом Фарадея.Характеристики электрического тока и магнитного поля зависят от характеристик и природы плазмы.

Другими словами, электрические токи создают магнитные поля, которые, в свою очередь, производят электрические токи. Их иногда описывают как самогенерируемых электрических и магнитных полей, а также токи Биркеланда и направленные по полю токи.

Вращающаяся плазма в магнитном поле генерирует электрические токи, потому что она ведет себя как униполярный генератор , также известный как диск Фарадея или магнитное динамо .

Типичные космические электрические токи

Солнце и звезды

Гелиосферная токовая цепь с Солнцем в качестве униполярного индуктора.

Известно, что плазма высокой плотности на Солнце (и в звездах) создает токовые петли в солнечных вспышках, [6] и общая спиральность закручивания электрического тока в солнечной атмосфере. [7] Электрические токи также были предложены в качестве основной причины корональной и вспышечной активности на Солнце. [8]

Ионосфера

Известно, что земные и планетарные ионосферы средней плотности создают токи Биркеланда в полярных сияниях Земли, Юпитера, Сатурна и Марса. (Основная статья: ток Биркеланда) Планетарные магнитосферы, такие как Земля, [9] Сатурн, Юпитер и его спутник Ио, также производят электрический кольцевой ток; кольцевой ток Земли стабилен и не вращается, а кольцевой ток Сатурна неравнобоко вращается вместе с планетой. [10]

Виды тока в планетарных магнитосферах

Арт. [11]

  • Градиентный дрейфовый ток (преобладает во внутренней магнитосфере Земли/области кольцевого тока)
  • Ток дрейфа кривизны.
  • Центробежный дрейфовый ток (преобладает в быстровращающихся магнитосферах Юпитера и Сатурна.)
  • Дрейфовый ток ускорения (преобладает в областях высокоскоростного течения (пограничные слои, хвост магнитосферы))
  • Кондукция (Педерсен + Холл)

Межпланетная среда (Солнечный ветер)

Известно, что разреженная межпланетная среда (между Солнцем и планетами) создает гелиосферный токовый слой, токи которого представлены гелиосферной токовой цепью.(Основная статья: гелиосферный токовый лист)

Более разреженная межзвездная среда (между солнечными системами) создает токовый слой, [12] и электрические токи также были описаны в межзвездных молекулярных облаках. [13]

В 2007 году спутник «Фемида» «обнаружил свидетельства наличия магнитных канатов, соединяющих верхние слои атмосферы Земли непосредственно с Солнцем, [в которых] всплеск электрического тока в солнечном ветре ударит по носовой ударной волне и — бац! Получаем взрыв» [14] [15]

Межгалактическая среда

По расчетам, самая разреженная межгалактическая среда (между галактиками) пропускает ток силой 10 17 – 10 19 Ампер. [16] В 2011 году сообщалось, что ток силой около 10 18 ампер исходит от космического джета, простирающегося на 150 000 световых лет через галактику 3C303. [17] [18] [19]

Форсунки

Электрические токи были также предложены в астрофизических струях (пучках частиц) [20] [21] , включая внегалактические струи, [22] включая:

«.. радиоджет галактики 3С303.Из этих данных мы получаем магнитоплазменные и электродинамические параметры этой струи длиной 50 кпк. Для одного компонента этой струи впервые получено прямое определение электрического тока галактического масштаба (∼3 × 10 18 А), а его направление — положительное в сторону от активного ядра галактики. Наш анализ убедительно поддерживает модель, в которой поток энергии струи в основном электромагнитный.» [23]

История

В 1942 году Ханнес Альфвен написал в журнале письмо Nature :

.
«Если проводящую жидкость поместить в постоянное магнитное поле, то каждое движение жидкости порождает E.М.Ф. который производит электрический ток. Благодаря магнитному полю эти токи создают механические силы, которые изменяют состояние движения жидкости».
«Таким образом получается своего рода комбинированная электромагнитно-гидродинамическая волна [..]
«Волны такого рода могут иметь значение в физике Солнца. Так как Солнце имеет общее магнитное поле и так как солнечное вещество является хорошим проводником, то условия для существования электромагнитно-гидродинамических волн выполняются». [24]

Примечания

  1. ↑ Израильевич, П.Л., и др. , «МГД моделирование трехмерной структуры гелиосферного токового слоя