Электричество и магнетизм НПФ «Янтарь»

Действие электричества на живое известно давно, однако познание природы его, по существу, только начинается. Вли­яние магнитных полей на живое обнаружено относительно не­давно, точнее, в послевоенные годы, хотя о том, что эти поля существуют, люди знали уже много веков тому назад, и прак­тическое использование магнитных явлений на благо человека началось с создания компаса за 2-3 тысячи лет до нашей эры. 

Давно обнаружена биологическая ориентация развития растений, перелета птиц. Серией наблюдений показано, что при отсутствии каких-либо четко выраженных естествен­ных или искусственных ориентиров животные при свободном перемещении ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли. В 50-х годах эти явления начали получать науч­ное обоснование. Этому способствовали следующие наблюде­ния советских ученых: в зависимости от того, как расположены в почве семена кукурузы и пшеницы относительно силовых линий магнитного поля Земли, существенно изме­няются процессы их прорастания. Как сообщает А. С. Пресман, семена, высаженные корешком зародыша к южному магнит­ному полюсу, прорастают быстрее, чем высаженные кореш­ком к северному. Географические полюсы севера и юга не совпадают с магнитными полюсами. Семена, высаженные перпендикулярно силовым линиям, прорастают хуже, чем при параллельном расположении.

Интересные наблюдения сделаны в районе Курской маг­нитной аномалии — той части территории нашего Союза, где уже давно обнаружено в недрах железо, резко меняющее магнитное поле Земли на поверхности. Урожайность, по данным 1964-1967 гг., в сельских хозяйствах, расположен­ных вблизи зон магнитной аномалии, по сравнению с урожай­ностью в сельских хозяйствах, находящихся в других районах, аналогичных по почвенно-климатическим условиям, но с нор­мальным магнитным полем Земли, оказалась на 10-15% ниже. Сейчас можно считать доказанным, что рост и развитие семян зависят от ориентации их посадки относительно магнит­ного поля Земли.

Несколько слов скажем о магнитном поле окружающей среды. Магнитное поле окружающей человека и животных среды складывается из двух основных составляющих: 1 — маг­нитных полей, создаваемых электрифицированным транспор­том, работающими электродвигателями и генераторами, линиями электропередачи и т.д., и 2 — магнитного поля Земли. 

Магнитное поле характеризуется значением напряженности. Напряженность, поля от искусственных источников можно определить только опытным путем для данной территории при данном числе и расположении электротехнических уста­новок. Магнитное поле Земли характеризуется строго опре­деленными составляющими, хотя тоже по численным значе­ниям может меняться.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими основными параметрами: величинами магнитного склонения и магнитного наклонения и численными значениями напря­женности магнитного поля. Магнитное склонение представ­ляет собой угол между астрономическим (географическим) меридианом и магнитным меридианом. Астрономический меридиан — направление, определяющее истинное положение север — юг в данном месте. Магнитный меридиан — вообра­жаемая линия на земной поверхности, совпадающая с направ­лением земного магнитного поля. Магнитное наклонение ­- угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. За единицу напря­женности магнитного поля принимают ампер на метр (А/м).
Различают вертикальную и горизонтальную составляющие вектора напряженности магнитного поля. На магнитных полюсах вертикальная составляющая и вектор полной напря­женности поля равны друг другу. Горизонтальная составля­ющая равна нулю. У магнитных полюсов свободно подвешен­ная магнитная стрелка принимает вертикальное положение. На магнитном экваторе вектор напряженности магнитного поля направлен горизонтально, т. е. совпадает с горизонталь­ной составляющей по значению и направлению. Аналитический расчет напряженности магнитного поля Земли, за исключением, территории полюсов, дает приближенное значение из-за неучета ряда магнитных аномалий, и особенно, из-за сложности учета влияния магнитного поля верхних слоев атмосферы.

Строгой теории происхождения магнитного поля Земли пока нет. В разное время выдвигались различные гипотезы, которые впоследствии опровергались. Поэтому очень кратко расскажем об одной лишь гипотезе, которая в настоящее время популярна среди метеорологов. 

В толще Земли, в её расплавленной части (ядре), происходит движение зарядоносителей, создающее вихревые токи. Магнитное поле этих токов и образует наблюдаемое земное магнитное поле. Перемещение отдельных замкнутых систем токов в ядре или изменение их интенсивности приводят к изменению магнитного поля во времени, наблюдаемому
на поверхности Земли в виде векового хода.

Подобная точка зрения была впервые высказана в 1947 г. советским физиком Я. И. Френкелем, а позже получила поддержку в работах некоторых зарубежных ученых.

Но следует принять во внимание и следующее. Существует движение зарядоносителей и в атмосфере. Особенно сильно оно в верхних слоях атмосферы, в частности в ее иониза­ционных слоях. Магнитные поля, созданные этими токами, накладываются на магнитные поля вихревых токов массы Земли, в результате чего в атмосфере, во всех ее слоях, существует суммарное единое магнитное поле, в котором возникла жизнь, а затем и человек. Напряженность магнит­ного поля на поверхности Земли в целом невелика. на полю­сах она равна 24-40 А/м. Но напряженность непостоянна: она колеблется по суткам, месяцам, годам. Происходят резкие увеличения напряженности. Причина их — спорадические явле­ния, возникающие на Солнце и сопровождающиеся измене­нием солнечной активности. При этих явлениях от Солнца к Земле устремляются потоки ультрафиолетовой рентгеновской радиации, радиации более жесткого излучения и потоки корпускулярного излучения. Взаимодействие их с элементар­ными частицами в верхних слоях атмосферы приводит к рез­кому увеличению потоков зарядоносителей, магнитные поля которых вызывают увеличение магнитного поля Земли, называемое магнитной бурей. Во время магнитных бурь, продолжающихся от минут до суток, напряженность магнитного поля Земли возрастает в тысячи, а иногда и в десятки тысяч раз.

Исследованиями, проведенными в 50-70-х годах, уста­новлено влияние на человека магнитныx полей вообще и магнитных бурь в частности. Об этом достаточно убедительно и обстоятельно говорится в книгах А. С. Пресмана «Электро­магнитное поле и природа» и «Электромагнитные поля в био­сфере». Приведем некоторые примеры. В 1930 г. А. Л. Чижевский, а затем и другие исследователи обратили внимание на связь между развитием ряда заболева­ний и процессами, происходящими на Солнце. На основе статистических данных, полученных за много лет, А. Л. Чи­жевский показал связь между возрастанием солнечной актив­ности и вспышками эпидемии чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита и даже возвратного тифа. Английскими учеными установлен четко выраженный рост нервно-психи­ческих заболеваний при 67 магнитных бурях. Подобные данные получены на 40 тысячах заболеваний. В период 1957­-
1961 гг. на 30 тысячах заболеваний было прослежено влияние 7, 14, 21, 35-дневных систематических возрастаний магнитной напряженности на тяжесть протекания заболеваний. Обнару­жено подобное влияние на развитие нарушения сердечно­-сосудистой деятельности. В этом плане представляют интерес обстоятельные наблюдения, проведенные В. М. Гнедушевым в Свердловске.

А. С. Пресман обращает внимание на то, что в периоды солнечной активности возрастают размножение и токсичность ряда болезнетворных бактерий, повышается скорость свертывания крови и число лимфоцитов. В. К. Подшебякин в Киеве на очень большом числе случаев установил четкие изменение биопотенциалов по амплитуде, частоте и форме кривых, происходящие во время магнитных бурь. на основе своих данных он классифицирует людей на следующие группы: к первой группе относятся те, которые изменением значения амплитуды биопотенциала головного мозга реагируют на наступающую магнитную бурю за 3-4 дня; ко второй ­- реагирующие за сутки; к третьей — в момент самой бури; к четвертой — по прошествии 2-3 дней после бури и, наконец, к последней (10-15% наблюдаемых) — люди, на состоянии биопотенциала которых магнитная буря не отразилась. Приведенные факты не являются исчерпывающими. Однако полу­ченные в разное время, в разных странах и разными наблюда­телями выводы однозначно доказывают, что факт влияния магнитных полей и магнитных бурь на человека достоверен. Но через какие механизмы осуществляется это влияние? Электрические поля, электрические токи так или иначе про­являют свое влияние через взаимодействие с электрическими параметрами живого организма. Если влияние магнитного поля обнаружено, то можно предположить, что поле взаимо­действует с магнитными свойствами живого организма. Характерная особенность действия магнитного поля на жи­вой организм заключается в том, что он «прозрачен» для поля. От удара палкой жизненно важные органы тела в той или иной степени защищены мускулатурой. Даже силь­ный огонь не сразу приводит к тяжелому исходу. Система кровообращения, мускулатура, обладающие электропровод­ностью, в известной степени могут шунтировать опасный ток. Проникающая радиация частично или полностью по­глощается в поверхностных областях тела. И только маг­нитное поле действует на весь организм сразу в целом: от тела и органа до клетки и отдельных ее молекул и ато­мов.

Присущи ли магнитные свойства живому? Примеры влияния магнитных бурь на живой организм вызвали необходи­мость проведения исследований. Сложность этих исследова­ний состоит в том, что область магнитных измерений малых величин является одной из сложнейших областей измеритель­ной техники. Только в 60-х годах появились протонные магнитометры, обладающие достаточной разрешающей спо­собностью и точностью, а до их появления основным прибо­ром, измеряющим магнитные поля, по существу, являлась подвешенная на нитке магнитная стрелка, поворачивающаяся по направлению силовых линий магнитного поля. Получение железа, обладающего большой магнитной проницаемостью, использование новых физических явлений позволили про­вести первые исследования магнитных свойств живого орга­низма. Установлено наличие переменного магнитного поля возникающего при работе сердечной мышцы, и это сразу нашло практическое применение.  

У нас и за рубежом созданы первые образцы магнитокар­диографов. Использование их в клиниках показало возмож­ность выявления начала серьезных сердечных заболеваний значительно раньше, чем это делается с помощью электро­кардиографа. Открываются большие перспективы в плане предупреждения сердечно-сосудистых заболеваний. Но о них можно будет говорить тогда, когда магнитокардиограф станет простым и несложным прибором. Достаточно сказать, что в первых образцах этих приборов преобразователи пер­вичной информации выполнялись на катушках с несколькими миллионами витков.

Шагом вперед в этом на правлении явился прибор для измерения магнитных полей мозга человека, созданный в лаборатории Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР. Прибор снабжен дву­мя разнесенными в пространстве датчиками, что позволяет избавиться от вредного шумового фона. Магнитоэнцефало­граммы, снимаемые этим прибором, существенно дополняют уже ставшие привычными электроэнцефалограммы. С его помощью уже получены первые положительные результаты в диагностике патологической напряженности мышц, анома­лий магнитных свойств плазмы крови и т.д.

Микроминиатюризация радиотехнических деталей, исполь­зование проводов микронных сечений сделают возможной еще более совершенную приборную реализацию метода магнитной диагностики и, возможно, магнитной терапии сердечно-сосудистой системы.

Где источники магнитных полей живого организма и как они взаимодействуют с магнитными полями атмосферы?
Сначала об источниках. В первых главах книги мы неодно­кратно останавливались на движении зарядоносителей, на сложной природе биоэлектричества, отмечали важнейшую роль в процессах жизнедеятельности биотоков, создаваемых мигрирующими по молекуле электронами и ионами. В первом приближении можно считать, что эти токи, переменные по значению, и являются, по-видимому, источником магнит­ных полей живого организма, в частности магнитных полей сердечной мышцы. Это показывает, что на биоэлектричество распространяются общие законы электромагнетизма: возни­кает и изменяется по значению ток, возникают и изменяются магнитные поля. В контуре, обладающем электропровод­ностью, помещенном в переменное магнитное поле, возникает электрический ток; возникает он и в электропроводящем кон­туре, находящемся в постоянном магнитном поле, если сам контур перемещается. Все это присуще и биоэлектромагнетизму, но магнитные явления, несомненно, отражают очень тон­кие и сложные явления, происходящие в живом организме.

Следующий очень перспективный и весьма сложный этап­ — изучение взаимодействия магнитных полей внешней среды и человека. Характерной особенностью его будет комплекс­ное рассмотрение всех параметров среды, и в первую очередь биоэлектромагнитных явлений.

Важность такого рассмотрения можно проиллюстрировать примером. Л. К. Сапожков под руководством автора данной книги проводил работы по исследованию возможности созда­ния рациобиосферы в замкнутых помещениях, под которой, в отличие от известного понятия биосферы, понимается искус­ственно создаваемая окружающая человека среда, обеспечи­вающая оптимальные условия его пребывания и работы. В процессе проведения этих исследований был сделан сравни­тельный анализ влияния. всех основных факторов окружа­ющей среды на состояние сердечно-сосудистой системы человека. Материалом исследования было число вызовов в сутки скорой медицинской помощи в Ленинграде к людям при острых сердечных приступах. Полученные данные сопо­ставлялись с метеорологическими факторами среды. В ка­честве таких факторов были взяты температура, влажность, атмосферное давление, изменение атмосферного давления, изменение магнитного поля Земли.

Аналитическая обработка свыше 100000 вызовов скорой помощи при сердечно-сосудистых заболеваниях показала следующее. Число вызовов по дням к этой категории боль­ных непостоянно — иногда день ото дня оно увеличивается более чем в 2-2,5 раза. Сначала предполагалось, что основ­ным фактором, определяющим увеличение вызовов, были резкие перепады давления или температуры. Дело в том, что суточные колебания магнитного поля Земли невелики. Коле­бания магнитного поля, образующегося за счет промышлен­ных и транспортных электромеханизмов, во много раз боль­ше. По существу, измерить колебания магнитного поля в городах невозможно. Пришлось использовать данные измерений магнитного поля, получаемые из магнитоионо­сферной обсерватории Ленинградского филиала института земного магнетизма, ионосферы и распространения радио­волн АН СССР. Произведенная по составленному Л. К. Сапож­ковым алгоритму статистическая обработка методом иден­тификации процесса дала неожиданный результат. Число вызовов зависит от параметров окружающей среды, и на его увеличении, по-видимому, сказались неблагоприятные изме­нения этих параметров. Из них основными оказались измене­ние магнитного поля и резкие перепады суточной темпера­туры и атмосферного давления при определенном соотношении всех других параметров.

Основной вывод из этого исследования следующий. Сер­дечно — сосудистая система обладает удивительно тонко выра­женной чувствительностью к изменению магнитного поля Земли и частотных составляющих перепада атмосферного давления. При экспериментах на животных, проводимых в магнитных полях значительно большей напряженности по сравнению с магнитным полем Земли и отличных от него по форме изменения, удалось обнаружить влияние полей на животных, но оно оказалось иным, чем на человека. Обсле­дование людей, работающих по условиям профессиональной деятельности вблизи источников магнитного поля, показало наличие жалоб «а ухудшение состояния здоровья; однако это ухудшение не протекает в столь острой форме, с какой приходится сталкиваться врачу скорой помощи. Отсюда напрашивается общий вывод.

Биоэлектрические и биомагнитные явления неразрывно связаны с электричеством и магнетизмом окружающей атмосферы и всеми физическими ее параметрами. Изучение этих связей открывает удивительные перспективы в позна­нии живой материи, а главное, дает возможность регулиро­вать и создавать оптимальные условия среды, окружающей человека, и условия его деятельности.

Основоположником нового направления науки об окру­жающей человека среде, именуемого рациобиосферологией, по праву можно считать замечательного ученого академика Владимира Ивановича Вернадского.

Электричество и магнетизм, существующие в природе, активно участвовали в эволюционном развитии человека. То и другое представляет собой часть биосферы. Что такое биосфера? Слово «биосфера» появилось в литературе в начале XIX века. Этим словом Французский ученый Ламарк назвал «область существования живого». В конце того же века австрийский ученый геолог Эрик Зюсс распространил поня­тие биосферы на геологию, показав, что земные недра в значительной степени обязаны своим происхождением физико-химическим энергетическим процессам живого мира. Био­сфера как область существования живого по Ламарку бытует в печати и до сих пор. 

В 1926 г. В. И. Вернадский по-иному определил понятие «биосфера». Биосфера — не область существования живого, а условия и факторы окружающей среды, в которой благо­даря взаимосвязанным и взаимообусловленным изменениям этих условий и факторов возникла и существует земная жизнь. Приведем его слова: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой, и перед ним, его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человека как единого целого». Подобное положение развивается В. И. Вернадским и далее. Окружающая человека среда не всегда благоприятна для его существования, но она может и должна перестра­иваться в интересах человека. Но в этом плане понятие «биосфера» пока еще не получило широкого распростране­ния и подменяется менее удачным понятием «среда обита­емости».

Под рациобиосферой («рацио» от латинского слова ratio­- разум), следуя учению о биосфере Вернадского, надо пони­мать искусственную, окружающую человека среду, облегча­ющую ему жизнь и создающую оптимальные условия его труда и пребывания. Современные условия значительно отличаются от условий труда и быта людей, живших сотни лет назад. Изменилось соотношение поверхности Земли, занятой лесом и растительностью, изменились величина и спектр радиационных излучений, изменился круговорот влаги, про­исходящий в виде испарений с Земли и падающих на Землю различных осадков. Наиболее существенные изменения начали происходить с конца XIX века, когда в жизни человека активную роль стала играть техника. Воздушная среда загряз­няется отходами от сжигаемого в самолетах топлива, отхо­дами промышленности, возрастают изменения электромагнит­ных полей за счет увеличения количества радиостанций. Изменение окружающей среды прежде всего проявилось в изменении микрофлоры и величин электромагнитных по­лей, взаимодействующих с человеком. Избыток в течение су­ток значительной искусственной освещенности со спектром, отличным от естественного, привел к большому понижению чувствительности зрения у горожан по сравнению с лицами, проживающими в сельской местности. Характерный пример.

Немногим больше 100 лет назад сцена Мариинского театра в Петербурге, ныне Академического театра оперы и балета имени С. М. Кирова, освещалась 40-50 керосиновыми лам­пами, размещенными по внешнему периметру сцены. Осве­щенность сцены не вызывала нареканий. Ныне сцену осве­щают мощнейшие прожекторы из боковых лож, имеются боковые подсветки, отдельно освещается задний фон, однако зритель часто жалуется на тусклое освещение сцены.

Потребность в большей освещенности относится не только к театру. Не случайно за последние 20 лет дважды пересматри­вались государственные нормативы обязательной освещен­ности в сторону значительного их повышения, а свет — это же электромагнитное излучение. Понижение чувствительности зрительного анализатора, определяемой значением электри­ческого импульса, поступающего в центральную нервную систему, несомненно, — явление нежелательное. Но в то же
время это снижение электрической активности зрительного анализатора — своеобразная защитная реакция организма на повышенное действие зрительных раздражителей, своеоб­разная адаптация к ним.

Современныетурбореактивные и реактивные, самолеты за несколько часов перевозят людей из одной климатиче­ской зоны в другую. Эти люди должны находиться, а во многих случаях и работать в условиях, резко отличных от тех, в которых они находились и работали всего несколько часов ранее. К числу изменившихся параметров окружа­ющей среды относятся электромагнитные поля. Постепенной адаптации к окружающей среде, которая происходит хотя бы при переезде на поезде, покрывающем то же расстояние за несколько суток, при этом нет. Естественно возникает вопрос: можно ли ускорить адаптацию к внешней среде? Имеющиеся данные исследований показывают, что да, можно. Работы в этом направлении проводятся на базе рациосфе­рологии.

Рациосферология — это наука о рациональной искусствен­ной окружающей человека среде обитаемости, обеспечива­ющей оптимальные условия пребывания и труда человека. Повторение этого определения здесь сделано сознательно, так как рациобиосфера часто подменяется понятием микро­климата. Микроклимат в производственных, жилых помеще­ниях, в кабинах самолетов пытаются сохранить или воссоз­дать по ряду эквивалентных параметров, по уровню климата лесистой местности средней полосы России или берега Чер­ного моря. Жизнь начинает убедительно показывать, что, во-первых, создаваемая существующими кондиционными устройствами среда не воспроизводится полностью с жела­емыми параметрами, а, во-вторых, великолепный для отдыха климат со всеми параметрами среды обитания не всегда обеспечивает оптимальные условия труда.

Что же характеризует окружающую среду? В течение дли­тельного времени общепринято основными параметрами, характеризующими внешнюю среду обитаемости, считать стан­дартный азотно-кислородный состав воздуха, температуру в пределах 18-25 С, относительную влажность 60-80%, атмосферное давление 760 мм рт. ст., постоянный — спектраль­ный состав электромагнитного излучения видимой части спектра. Такая среда возникла около миллиона лет назад, когда наступило равновесие, обусловленное совместным существованием растений и живых организмов, нуждающихся в кислороде. Эту среду и стараются воспроизвести кондици­онированием. До последнего времени перечисленных основ­ных параметров было в основном достаточно для обеспечения искусственной среды в производственных и жилых поме­щениях. Ранее упоминалось, что сейчас в атмосфере содержатся отходы, выделяемые промышленными предприятиями и воздушным транспортом. Настало время учитывать их, а также остальные параметры среды, воздействующие на чело­века, в особенности электромагнитные поля.  

На рис. 1 показана структурная схема, характеризующая рациобиосферу. Как видно из этой схемы, число воздейству­ющих на человека факторов среды значительно больше ранее перечисленных. При создании систем жизнеобеспечения или, что то же самое, систем искусственного климата все они должны в той или иной степени учитываться. Пока это сделать невозможно. Обычно санитарно гигиенические исследования в этом плане ограничиваются изучением влияния на человека одного или двух одновременно воздействующих факторов вне зависимости от остальных. Сейчас становится очевидным, что реакция человека на изменение среды обусловлена дей­ствием всего комплекса факторов. Например, воздействие на человека температуры и влажности неоднозначно при различных напряженностях магнитного и электрического полей. К сожалению, пока еще нет комплексных измеритель­ных систем, оценивающих реакцию человека на изменение среды. Да, пожалуй, и в оценке совокупности параметров, характеризующей оптимальное пребывание человека, нет еще единого мнения. Нет еще и систем искусственного климата с взаимосвязанным регулированием хотя бы 5-6 внешних параметров с учетом реакции человека. Но это будет! Будет обязательно! Пока еще исследования в этом плане проводятся для обеспечения безопасности полета современных летательных аппаратов и космических кораблей, а также для создания условий работы в специальных произ­водственных помещениях. Влияние искусственной среды на человека прямо и косвенно будет проявляться в тех или иных. изменениях электрической активности человека да и любого организма, и, следовательно, эти изменения могут в дальнейшем стать одной из мер оценки оптимизации внеш­ней среды.

При создании искусственной атмосферы возникает мораль­ная проблема, связанная с выбором параметров. Допустим, будет найден состав среды, позволяющий кратковременно или даже длительно повысить работоспособность, увеличить разрешающую способность восприятия информации, но при этом будет снижаться средняя продолжительность жизни, или, наоборот, будут созданы условия физиологического комфорта, сохраняющие и даже повышающие среднюю продолжительность жизни, но резко снижающие возможности перегрузки организма в напряженных ситуациях. Могут быть и иные возможности. Какое же принять решение? Несомненно, одно — надо стремиться к полноценной реализации всех требований. Оптимизация только газовой среды, температу­ры, влажности недостаточна. Надо учитывать все факторы, приведенные на рис. 1.

Этот учет рекомендуется выполнять следующим образом. Прямоугольник в центре схемы символически означает состояние человека, обусловленное факторами среды, пере­численными в прямоугольниках слева и справа. С помощью приборов, характеризующих состояние человека, в частности прибора, описанного в пятой главе, получается общая оценка состояния человека, определяемая тем или иным суммиру­ющим прибором. Сигнал от этого, пока еще не существу­ющего суммирующего прибора передается на системы, регу­лирующие изменение тех или иных параметров, благодаря которому, создается среда, обеспечивающая наилучшие условия труда и пребывания человека. Такая система регулиро­вания среды мыслится как система, суммирующая оценки состояния одного человека и группы людей, находящихся в помещении. Будущие исследования в этой области покажут, что электричество и магнетизм действуют на человека не толь­ко непосредственно, но и через другие факторы, например микрофлору.

Микрофлора характеризуется словом «биоаэрозоль». Био­аэрозоль представляет собой различные микроорганизмы, ­бактерии, вирусы, грибки (плесень). В зависимости от условий среды они существуют в воздухе. Микрофлора наиболее быстро реагирует на изменения, происходящие в атмосфере, включая изменения ее электромагнитных свойств. Микро­организмам, как любым живым организмам, нужна газовая среда, пища, опора для размножения, электромагнитные поля. Пищей являются различные химические субстаторы, опорой для размножения служит пыль (неметаллическая), кожа живого организма, изоляционные материалы, дерево, бумага и т. д. В присутствии людей число микроорганизмов резко возрастает. Продукты жизнедеятельности человека являются для них великолепным питанием. Из воздуха многие из них ассимилируют углекислый газ, кислород и примеси, необхо­димыe для синтеза белков. В результате деятельности микро­организмов возникают промежуточные химические соеди­нения — такие, как водород, муравьиная кислота и другие органические соединения.

Микроорганизмы исключительно гибко реагируют, в част­ности, на появление электромагнитного излучения вне види­мой части спектра изменением своего вида,электромагнитных полей происходят изменения микроорганизмов. Некоторые из них гибнут, у некоторых меняются наследственные свойства. Влияют на них и геомагнитные изменения. Микроорганизмы нужны для жизни человека. Если некоторые из них опасны, то многие необходимы для его существования. Необходи­мость регулирования числа и видов микроорганизмов в воз­духе уже сейчас представляет собой одну из существенных задач при решении проблемы создания рациобиосферы.

НПФ «Янтарь» (www.ionization.ru)
Полное или частичное цитирование данной статьи запрещено

| Электричество и магнетизм — лекция

Глава I

Электрическое поле в вакууме

1.   Краткий исторический обзор развития представлений о природе электричества и магнетизма.

2.   Заряд и поле. Закон Кулона. Напряженность поля.

3.   Теорема Остроградского – Гаусса и ее применение.

4.   Работа электрического поля по перемещению заряда. Потенциал. Потенциальный характер электростатического поля.

Краткий исторический обзор развития представлений о природе электричества и магнетизма[11]

1.1. Представления об электричестве и магнетизме в Древнем мире.

1.2. Период 18-19 веков.

1.3. Вклад отечественных учёных.

1.4. Современный этап.

1.1.  Представления об электричестве и магнетизме в Древнем мире.

Первые сведения об электричестве относятся к эпохе древнего мира. Эти сведения дошли до нас в виде многочисленных легенд. Например, такой легендой является сказание о пастухе Магнуме, который пас своих овец на горе, и однажды подошвы его башмаков прилипли к почве, да так, что он не смог оторвать ног от земли.

Это произошло потому, что в горе было большое месторождение магнитных руд. Магниты были известны также и в странах Древнего Востока. Например, в Китае он был известен под названием “камень материнской любви”. Магнитам в разное время приписывали различные лечебные свойства – они применялись для лечения расстройств желудка, болезней многих внутренних органов и даже для продления жизни. Как известно из современных источников, не все эти представления были лишены смысла. Магнитотерапия активно применяется сейчас во многих серьезных научно-исследовательских центрах при лечении различных тяжелых заболеваний, таких, например, как гемофилия и сахарный диабет.

Другим известным фактом было то, что янтарные веретена, которыми пользовались древнегреческие ткачи, после использования начинали притягивать к себе кусочки нитей и другие маленькие предметы. По греческому названию янтаря (электрон) впоследствии такие явления стали называться электрическими.

1.2.  Период XVIII—XIX веков.

Основные представления об электричестве сложились уже на рубеже XVIII-XIX веков.

В России изучением электричества занимались Ломоносов и Рихман. Последний погиб при проведении эксперимента с атмосферным электричеством.

Интересен знаменитый спор между Гальвани и Вольта. Гальвани исследовал электрические явления и проделал следующий опыт. К железной решетке балкона на медной проволоке была подвешена лягушачья лапка. Когда лапка касалась решетки, она сокращалась. Это привело Гальвани к мысли о том, что источником электричества являются живые существа. Открытие “живого электричества” привело к попыткам продлить человеческую жизнь с помощью “подзарядки”. Другого мнения придерживался Вольта. Он предположил, что электрический ток возникает при влажном контакте двух различных металлов. Он впервые собрал электрическую батарею, известную впоследствии как вольтов столб, а также изобрел прибор, с помощью которого удалось зафиксировать ту малую разность потенциалов, которую давал этот столб.

Именно с этим открытием электричество вышло из стадии забавной игрушки, и начались исследования по практическому применению электрического тока.

В 1802 году академик В. В. Петров открыл, а впоследствии исследовал электрическую дугу.

Проведенные Фарадеем и Ампером опыты показали связь, существующую между электрическими и магнитными явлениями. В 1831 году Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое открыло новую эпоху в развитии науки об электричестве.

В 1864 году Максвеллом была разработана электромагнитная теория поля, завершившая этап классических представлений об электричестве.

Далее Лоренц создал классическую теорию проводимости, согласно которой электроны представляют собой идеальный газ.

1.3. Вклад отечественных учёных.

Новые научные учреждения стали организовываться уже в 1918 году. В результате напряженной работы отечественных ученых была создана новая физика с большим диапазоном научных проблем. Достижения в области изучения электрических и магнитных явлений стали основой для развития различных областей физики и техники: в тематике исследований фигурировали современные проблемы атомной физики, радиоактивности, электроники, радиофизики, физики твердого тела и т.

д. Особое развитие вначале получили радиофизика и электроника.

В истории радиотехники до второй мировой войны выделяются два этапа. Первый этап – искровой радиотехники – начинается непосредственно с открытия А. С. Попова. Вторая мировая война стимулировала развитие микроволновой радиотехники и полупроводниковой электроники.

Электронные лампы конструкции Михаила Александровича Бонч-Бруевича обеспечили развитие радиотехники и радиофизики в нашей стране, кроме того, радиотехнику в нашей стране развивали И. Г. Фрейман, автор первого отечественного курса радиотехники; В. П. Вологдин, конструктор машин высокой частоты; О. В. Лосев, открывший еще в 20-х годах транзисторный эффект.

В 1950 г. Лев Андреевич Арцимович возглавил экспериментальные исследования по управляемому термоядерному синтезу, проводившиеся в основном в Институте атомной энергии им. И. В.Курчатова, где Арцимович работал с 1944 г. В 1952 г. он открыл (совместно с сотрудниками) нейтронное излучение высокотемпературной плазмы, руководил работами на термоядерных установках «ТОКАМАК», результатами которых стало получение физической термоядерной реакции в устойчивой квазистационарной плазме.

ТОКАМАК – устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме в квазистационарном режиме, причем плазма создается в тороидальной камере и стабилизируется магнитным полем. Предназначение установки состоит в преобразовании внутриядерной энергии в тепловую и далее – в электрическую. Слово «ТОКАМАК» является аббревиатурой от названия «тороидальная камера магнитная», однако создатели установки заменили в конце «Г» на «К», чтобы не вызывать ассоциаций с чем-то магическим.

Первая работа (1913 г.) Абрама Федоровича Иоффе, составившая предмет его магистерской диссертации, была посвящена элементарному фотоэлектрическому эффекту и относилась к кругу классических исследований по определению заряда электрона. Он доказал реальность существования электрона независимо от остальной материи, определил абсолютную величину его заряда, исследовал магнитное действие катодных лучей, представляющих собой поток электронов, доказал статистический характер вылета электронов при внешнем фотоэффекте. Следующим обширным исследованием А. И. Иоффе было продолжение его работы (1905 г.), выполненной в лаборатории Рентгена. Оно было посвящено изучению упругих и электрических свойств кварца и легло в основу его докторской диссертации.

Еще одна область исследований А. И. Иоффе, – физика кристаллов. В 1916–1923 гг. он изучал механизм проводимости ионных кристаллов.

В начале 1930-х годов по инициативе А. И. Иоффе начались систематические исследования новых в то время материалов – полупроводников.

Игорь Васильевич Курчатов до 1932 г. занимался изучением электрических свойств твердых тел, а после 1932 г. – вопросами излучения атомного ядра. Он исследовал электропроводность твердых тел, механизм пробоя твердых диэлектриков; заложил основы учения о сегнетоэлектричестве; внес большой вклад в изучение электрических свойств кристаллов. В 1931–1932 гг. вместе с К. Д.Синельниковым И. В.Курчатов осуществил исследования по физике полупроводников. В 1932 г. научные интересы И. В. Курчатова перемещаются в сферу ядерной физики.

В 1933 г. была построена высоковольтная установка и ускорительная трубка для ускорения протонов до энергии 350 кэВ, сконструированы высоковольтные установки в Харьковском ФТИ. В 1937 г. при прямом руководстве И. В. Курчатова был запущен крупный циклотрон.

В 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция. В начале 1950-х в нашей стране были начаты исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза, которые тоже находились под постоянным контролем И. В. Курчатова.

Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором частота ускоряющего поля и управляющее магнитное поле постоянны во времени. В циклотроне ускоряющее переменное электрическое поле создается между двумя полями электродами (дуантами). Дуанты помещены в замкнутую камеру, расположенную между полюсами сильного магнита.

1.4.  Современный этап.

Хотя в последние тридцать лет в физике наблюдается некоторое затишье, уже намечаются некоторые открытия.

Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространения гравитационного и электромагнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе построен Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить две фундаментальные теории: Суперсимметрия и бозон Хиггса.

В январе 2003 года исследователь Университета штата Миссури Сергей Копейкин и астрофизик Эд Фомалонт измерили скорость распространения гравитации. Она оказалась 0.95 скорости света с погрешностью в 20 % в полном соответствии с теорией относительности Эйнштейна.

Всё большее внимание отводится рассмотрению вопросов, связанных с устройством вещества на субэлементарном уровне (бесконечная вложенность материи).

Крупнейшая АЭС в мире Касивадзаки-Карива по установленной мощности (на 2008 год) находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата — в эксплуатации находятся ядерные реакторы, суммарная мощность которых составляет 8,212 ГигаВатт.

В настоящее время при участии России на юге Франции ведётся строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER.

Без успехов в разработке и исследовании новых материалов для микроэлектроники было бы невозможно создание современных электронных вычислительных машин.

Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму

Справочные материалы

Введение

Введение

Этот ресурс представляет собой введение в различные темы электричества и магнетизма, которые могут оказаться полезными при проведении предварительных исследований для ваших проектов Science Buddies. Информации, которую вы найдете здесь, достаточно для большинства проектов на веб-сайте Science Buddies, но помните, что по каждой теме написано целых книг , так что вам предстоит узнать гораздо больше! Мы рекомендуем читать разделы по порядку, но вы можете щелкнуть ссылки ниже, чтобы сразу перейти к определенной теме:

• Статическое электричество
• Текущее электричество
• Постоянный ток в сравнении с переменным током (постоянный и переменный ток)
• Магнетизм
• Электромагнетизм

Кредиты

Сабина Де Брабандере, доктор философии и Бен Финио, доктор философии, друзья по науке

Статическое электричество

Краткое изложение основных понятий

• Заряженные частицы — часто отрицательно заряженные электроны — являются основой электричества.
• Статическое электричество – это дисбаланс положительных и отрицательных электрических зарядов.
• Противоположные электрические заряды притягиваются; как электрические заряды отталкиваются.

Что такое статическое электричество?

Каждый день мы используем электрические устройства, такие как фонари, радиоприемники, сотовые телефоны, компьютеры и многое другое. Мы подключаем устройства к розетке в стене или заряжаем их батареями, но что такое электричество?

Чтобы понять электричество, нам сначала нужно изучить атом. Атомы являются основными строительными блоками всего окружающего нас материала. Они состоят из нескольких более мелких частиц, включая электроны. Электроны имеют отрицательный электрический заряд и вращаются вокруг положительно заряженных ядер (состоящих из положительно заряженных протонов и нейтронов , которые не несут электрического заряда) внутри атомов. Иногда эти электроны ускользают и перемещаются между атомами или захватываются другим атомом. Эти сбежавшие электроны составляют основу электричества, которое вы используете каждый день.

Некоторые материалы, называемые изоляторами , очень крепко удерживают свои электроны. Электроны не могут легко двигаться через эти материалы. Примерами являются пластик, дерево, ткань, стекло или сухой воздух. В то время как электроны обычно не могут легко проходить через изоляторы, это равно , но все же возможно перенести часть электронов из одного изолятора в другой. Один из распространенных способов — потереть два таких предмета друг о друга. Это создает дисбаланс положительных и отрицательных зарядов, называемый статическим электричеством . Если вы когда-нибудь терли воздушный шар о ткань, а затем прикрепляли его к стене, это пример статического электричества. Волосы, стоячие в холодный зимний день, — еще один пример статического электричества. Статическое электричество может накапливаться практически на любом материале.

Но знаете ли вы почему воздушный шар прилипает к стене, или ваши волосы встают дыбом? Это происходит потому, что они становятся электрически заряженными, а электрические заряды толкают и притягивают друг друга. Противоположные заряды (положительный и отрицательный) притягиваются или притягиваются друг к другу. Одинаковые заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются или отталкиваются друг от друга. На рисунке 1 ниже показано это взаимодействие между зарядами.

Нечто похожее на то, что изображено на рисунке 1 (левый рисунок), происходит, когда волосы встают на голове при снятии шерстяной шапки холодным зимним днем. Трение волос о шерстяную шапку электрически заряжает волосы, а поскольку все волосы имеют «одинаковые» электрические заряды, они отталкиваются друг от друга, поэтому волосы удаляются друг от друга как можно дальше.

Иногда, когда на объекте накапливается достаточно статического электричества, оно создает искру . Искра возникает, когда электроны прыгают по воздуху от одного близлежащего объекта к другому. Это называется статическим разрядом . Вы можете почувствовать небольшой статический разряд, когда шаркаете ногами по ковру, а затем прикасаетесь к металлическому предмету, например к дверной ручке. Молния — пример очень большого (и опасного!) статического разряда.

Технические примечания

Атом, потерявший один или несколько электронов, имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных (электронов). Следовательно, он заряжен положительно. Атом, захвативший один или несколько дополнительных электронов, получает полный отрицательный заряд. Заряженные атомы называются ионами .

Связанные научные проекты

Вот список научных проектов, связанных со статическим электричеством.

Текущая электроэнергия

Текущая электроэнергия

Краткое изложение основных понятий

Что такое электрический ток?

Заряженные частицы лежат в основе всего электричества. Статическое электричество — это явление, вызванное покоящимися электрическими зарядами. В этом разделе вы изучите, что происходит, когда заряженные частицы начинают двигаться коллективно. В этом разделе мы обсудим электроны как носители заряда, но другие типы частиц также могут нести заряд. Дополнительные сведения см. в Техническом примечании: направление электрического тока.

В некоторых материалах есть несколько свободно удерживаемых электронов, которые могут вырваться из одного атома и легко перемещаться между другими атомами. Мы называем эти электроны свободные электроны . Материалы с большим количеством свободных электронов называются проводниками . Они хорошо проводят электричество. Большинство металлов являются хорошими проводниками.

Когда множество свободных электронов движется в одном направлении, мы называем это электрическим током . Величина электрического тока относится к числу электронов (точнее, их зарядов), проходящих через площадь в единицу времени, и измеряется в ампер (обычно называется ампер 9).0048 для краткости, сокращенно с большой буквы А). Один ампер равен примерно 6,24 × 10 ¹⁸ или 6,24 квинтиллионов электронов, проходящих за 1 секунду. Поскольку электрон имеет такой небольшой заряд, кулонов (сокращенно заглавная C) часто используется как единица заряда для 6,24 × 10 ¹⁸ электронов. В этих единицах 1 ампер (А) – это ток, создаваемый 1 куловом (Кл), проходящим в секунду. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, а кулон относится к положительному заряду, необходимы некоторые определения. Они объясняются в Техническом примечании: Направление электрического тока.

Точно так же, как воде нужна разница давлений, чтобы начать течь, электронам требуется разность электрических потенциалов , чтобы они двигались. Разность потенциалов обеспечивает энергию для создания движения. Разность электрических потенциалов также называется напряжением и измеряется в вольт (сокращенно В). В случае с водой давление может создаваться водяным насосом или перепадом высот, как в водонапорной башне. В электронике обычными источниками напряжения являются батареи и электрические генераторы. Наличие двух разных зарядов также создает напряжение; он дает электрическим зарядам энергию для движения.

Проводники позволяют току легко течь через них, и заряды не теряют много энергии при протекании через эти материалы. Подобно тому, как вода замедляется, когда она сталкивается с меньшим участком трубы, электрический ток может столкнуться с материалами, через которые труднее пройти. Это препятствие потоку количественно определяется переменной, называемой , сопротивлением , и измеряется в Ом (сокращенно Ом ). Чем выше значение сопротивления, тем больше материал препятствует (или сопротивляется) току и тем больше энергии теряется при протекании через него тока. Напряжение, генерируемый им ток и сопротивление взаимосвязаны; эта связь теперь известна как Закон Ома и утверждает, что напряжение равно произведению силы тока на сопротивление, или в виде уравнения:

Уравнение 1:

[Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Общая электрическая энергия , обеспечиваемая источником, равна количество заряда, умноженное на напряжение. Источник, обеспечивающий большее напряжение или большее количество зарядов (больше электронов), приведет к доставке большего количества электроэнергии, что, в свою очередь, позволяет ему питать «более тяжелые» электрические устройства или приборы. Техническое примечание: потребляемая энергия объясняет это более подробно.

Техническое примечание: Направление электрического тока

Электроны, будучи маленькими и легкими, легко перемещаются и создают большую часть электрического тока, с которым мы сталкиваемся, подобно току, получаемому от настенных розеток или производимому большинством аккумуляторов. По этой причине мы будем продолжать обсуждать электричество как поток электронов. Иногда электрический ток создается потоком других заряженных частиц, таких как ионов (атомов, которые имеют суммарный электрический заряд из-за недостатка или избытка электронов). Чтобы учесть все варианты, электрический ток более точно определяется как количество электрического заряда, проходящего в единицу времени, независимо от того, какие частицы несут электрический заряд.

До сих пор мы описали только сумму тока. Направление задается знаком (положительным или отрицательным) тока. Условно положительный электрический ток противоположен направлению потока электронов. Это называется обычным током . Это означает, что если вы нарисуете стрелку в направлении, в котором электроны движутся по проводу, обычный ток указывает в противоположном направлении.

Батареи часто используются в качестве источника электрического тока. Батарея имеет положительную клемму, отмеченную символом «+», и отрицательную клемму (хотя «-» — это отрицательный символ, он обычно не печатается на батарее). Отрицательная клемма имеет избыток электронов, что придает ей чистый отрицательный заряд. Эти электроны текут от отрицательной клеммы к положительной клемме, когда их соединяет проводящий путь. Направление условного тока противоположно этому— от к положительной клемме от до к отрицательной клемме, как показано на рисунке 3.

Техническое примечание: Потребляемая энергия

Для большинства наших приборов указано, сколько электроэнергии им требуется в секунду во время их использования. Это называется мощностью , выраженной в Вт (сокращенно Вт). Мощность представляет собой количество электроэнергии (или напряжение, умноженное на заряд), потребляемое приборами за секунду их работы. Если вы запишете эти отношения в виде уравнения: 9[0003

Уравнение 2:

[Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Уравнение 3:

[Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Включите JavaScript 4 для просмотра уравнения 4:

]

А затем немного измените уравнения (попробуйте это, если вы знаете, как делать алгебру), вы можете увидеть, что электрическая мощность равна напряжению, умноженному на ток:

Уравнение 5:

[Включите JavaScript для просмотра уравнения]

И эта энергия равна мощности, умноженной на время:

Уравнение 6:

[Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Ваш счет за электроэнергию выражает потребление электроэнергии в киловатт-часах. 1 киловатт-час представляет собой использование 1000 ватт (Вт) в течение 1 часа (ч). Однако обратите внимание, что электричество, подаваемое в ваш дом по линиям электропередач, представляет собой переменного тока , что означает, что напряжение и ток изменяются со временем, а не остаются постоянными. Это объясняется в следующем разделе.

Связанные научные проекты

Вот список научных проектов, связанных с электрическим током.

Постоянный ток и переменный ток

Постоянный ток и переменный ток

Краткое изложение основных понятий

• Ток может течь только в замкнутой цепи из проводящего материала.
• В постоянном токе (DC) все электроны движутся в одном направлении. В переменном токе (AC) электроны движутся вперед и назад с определенной частотой, измеряемой в герц (Гц).
• Предупреждение : Никогда не подключайте самодельную схему непосредственно к настенной розетке; переменный ток из розетки может сильно вам навредить.

Как течет ток: постоянный и переменный ток

В разделе «Электричество» вы узнали об электрическом заряде, силе тока, напряжении и других связанных темах. Но то, что у вас есть напряжение, не означает, что будет течь электрический ток. Электронам также нужна замкнутая петля из проводящего материала, называемая замкнутой цепью 9.0048 .

Посмотрим на выключатель. Когда вы включаете переключатель, он создает путь, по которому проходит электричество, и электроны начинают двигаться, то есть течет электрический ток, и включается свет. Как только вы переводите переключатель в положение «выключено», путь прерывается, и электроны больше не могут течь. Переключатель подобен разводному мосту; включение его означает опускание моста, чтобы электроны могли пересечься (точно так же, как автомобили, пересекающие мост) и обеспечить энергией лампочку.

Итак, помните, для того, чтобы протекал электрический ток, должна быть замкнутая петля из проводящего материала. Есть два разных способа, которыми электроны могут двигаться через петлю из проводящего материала и создавать электрический ток: постоянный ток и переменный ток.

В случае постоянного тока (сокращенно DC ) электроны всегда движутся по контуру в одном и том же направлении (поэтому обычный ток также имеет постоянное направление). На рисунке 5 ниже показан постоянный ток или электроны, движущиеся в одном направлении в проводящем проводе. Все устройства с батарейным питанием, такие как сотовые телефоны и фонарики, работают от постоянного тока. Обратите внимание, что постоянное напряжение создаст постоянный ток.

Рисунок 5. В случае постоянного тока (DC) свободные электроны всегда коллективно движутся в одном и том же направлении. Важно : Это значение не в масштабе. Прочтите техническое примечание ниже, чтобы получить более точное описание.

В случае переменного тока ( переменного тока ) электроны перемещаются вперед и назад. На рис. 6 ниже показана анимация переменного тока. В один момент они все вместе движутся в одном направлении, а в следующий момент все вместе движутся в противоположном направлении, создавая колебательный электрический ток. Одно возвратно-поступательное колебание называется циклом, , а количество циклов, совершаемых в единицу времени, называется частотой . Частота измеряется в герц (Гц). Один цикл в секунду — это 1 Гц, десять циклов в секунду — это 10 Гц и т. д. Обратите внимание, что напряжение, создающее этот ток, будет чередоваться с той же частотой.

Рисунок 6. В случае переменного тока (AC) свободные электроны коллективно перемещаются вперед и назад. Помните, что, как и на рисунке 5, этот рисунок не в масштабе. Прочтите техническое примечание ниже, чтобы получить более точное представление.

Линии электропередач снабжают наши дома переменным током. В зависимости от того, в какой стране вы находитесь, переменный ток от электрических розеток обычно составляет 50 или 60 циклов в секунду (Гц). Большинство электроприборов, которые мы «подключаем к стене», работают от переменного тока. Некоторым приборам требуется «адаптер» или «преобразователь» для преобразования переменного тока в постоянный, например, зарядное устройство для сотового телефона.

Техническое примечание

Глядя на приведенные выше цифры, всегда помните, что для тока в 1 ампер (А) на самом деле имеется квинтиллионов электронов, проходящих через проводник в секунду. Кроме того, эти электроны на самом деле не движутся по прямой линии. На самом деле электроны прыгают между атомами в проводнике, как показано на рисунке 7 ниже. Общий дрейф в одном направлении создает электрический ток. Помните, что направление обычного тока противоположно направлению движения электрона, как показано на рисунке.

Чтобы понять разницу между переменным и постоянным током, вы также можете построить график зависимости электрического тока от времени. Для постоянного тока ток постоянен (прямая линия). Для переменного тока ток колеблется взад и вперед:

Советы по безопасности

Электричество может быть опасным для человека. На самом деле наш мозг, мышцы и нервы работают на крошечных электрических сигналах. Небольшой и короткий удар от небольшого количества электрического заряда, проходящего через ваше тело, не причинит вам вреда. Однако большое количество электричества может мешать электрическим сигналам в вашем теле (например, сигналу, который заставляет ваше сердце биться регулярно) и может создавать тепло, которое может сжечь ткани, поэтому всегда будьте осторожны с электричеством. В большинстве домашних научных проектов используются схемы с батарейным питанием. Несмотря на то, что при использовании аккумуляторов необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности (например, в случае короткого замыкания аккумуляторы и подключенные к ним провода могут сильно нагреться, а аккумуляторы могут даже взорваться), в целом аккумуляторы не являются серьезная опасность поражения электрическим током. Однако переменный ток от настенных розеток в вашем доме составляет очень опасно . Вы должны никогда не пытаться использовать электроэнергию непосредственно из настенной розетки для питания самодельной цепи, если только у вас нет помощи взрослого, вы используете преобразователь переменного тока в постоянный (устройство, которое преобразует переменный ток из настенной розетки в безопасные уровни постоянного тока, например, зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков).

Связанные научные проекты

Вот список научных проектов, связанных с изготовлением схем, и перечень проектов, связанных с электрическим током.

Магнетизм

Магнетизм

Краткое изложение основных понятий

• У каждого магнита есть северный полюс и южный полюс. Северный и южный полюса притягиваются друг к другу, тогда как аналогичные полюса (север-север или юг-юг) отталкивают друг друга.
• Магниты окружены магнитным полем, которое создает толчок или притяжение других магнитов или магнитных материалов в поле.
• Магниты (особенно неодимовые или редкоземельные магниты) могут быть опасны; всегда читайте меры предосторожности, прежде чем прикасаться к ним.

Что такое магнетизм?

На следующих страницах объясняются научные принципы работы магнитов . Прежде чем продолжить чтение, посмотрите наше короткое видео о магнетизме:

Играя с магнитами, вы, наверное, замечали, что магнит может притягивать одни материалы или предметы, но не другие. На рис. 9 ниже показано, как магнит захватывает металлические винты и скрепки, но не действует на дерево, резину, пенополистирол или бумагу.

Если вы когда-либо играли с двумя или более магнитами одновременно, вы, вероятно, замечали, что магниты могут либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга, в зависимости от того, как они расположены. Это потому, что каждый магнит имеет северный полюс и южный полюс . Противоположные полюсов притягиваются (север и юг) и подобных полюсов отталкиваются (север-север или юг-юг). Магниты часто обозначаются буквой N для северного полюса и буквой S для южного полюса, как показано на рисунке 10.

Если вы смотрели видео выше, то могли заметить, что магнитные полюса могут толкать и тянуть друг друга , не касаясь друг друга . Магниты могут сделать это, потому что они окружены магнитное поле . Именно магнитное поле создает силу (толчок или притяжение) на другие магниты или магнитные материалы в поле. Магнитное поле становится слабее по мере удаления от магнита; поэтому магниты могут быть очень сильными вблизи, но они не оказывают большого влияния на объекты (как и другие магниты), которые находятся очень далеко.

Магнитные поля невидимы; вы не можете видеть их своими глазами. Итак, откуда мы знаем, что они там или как они выглядят? Ученые представляют невидимое магнитное поле, рисуя силовые линии магнитного поля . Это линии, которые указывают из на северный полюс на южный полюс снаружи магнита ( внутри магнита они указывают от южного полюса к северному полюсу). Магнитное поле самое сильное (или магнит имеет самое сильное притяжение или давление на другой магнитный материал), где эти линии сгруппированы близко друг к другу, и самое слабое, где они разнесены дальше друг от друга. Обычный способ визуализировать силовые линии магнитного поля — рассыпать рядом с магнитом множество крошечных железных опилок. Железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля, как показано на рисунке 11.

Вы также можете обнаружить магнитное поле с помощью компаса . Компас, подобный показанному на рис. 12, на самом деле представляет собой небольшой стержневой магнит, который может свободно вращаться вокруг оси.

Обычно компас выравнивается по магнитному полю Земли, поэтому его стрелка примерно совпадает с географическим направлением север-юг (хотя и не идеально; на самом деле между магнитным и географическим полюсами Земли есть небольшое смещение). Это означает, что компас можно использовать для навигации, чтобы вы могли определить направления на север, юг, восток и запад. Однако, если вы поднесете компас очень близко к другому магниту, этот магнит окажет на стрелку более сильное воздействие, чем магнитное поле Земли. Стрелка компаса совпадет с 9.0009 местное (или «близкое») магнитное поле (линии показаны на рис. 11).

Техническое примечание

Земля на самом деле ведет себя так, как будто внутри нее находится большой «перевернутый» стержневой магнит. Южный полюс этого стержневого магнита на самом деле находится рядом (но не идеально выровнен) с северным полюсом Земли , и наоборот. Таким образом, часть стрелки компаса (обычно красный конец), которая указывает на южный полюс магнита (как на рисунке 13), будет указывать на географическую точку Земли.0009 северный полюс . Это может сбивать с толку; просто посмотрите на рисунок 13, если вам нужно запомнить, какой конец стрелки компаса какой!

Существует несколько различных типов магнитов. Постоянные магниты — это магниты, которые постоянно сохраняют свое магнитное поле. Это отличается от временного магнита , который обычно имеет магнитное поле только тогда, когда он помещен в более сильное магнитное поле или когда через него протекает электрический ток. Стержневой магнит и скрепки с рисунка 9являются примерами постоянных и временных магнитов соответственно. Стержневой магнит всегда окружен магнитным полем, поэтому он является постоянным магнитом. Скрепки , а не обычно имеют магнитное поле; другими словами, вы не можете использовать одну скрепку, чтобы взять другую скрепку. Однако, когда вы подносите стержневой магнит к скрепкам, они намагничиваются и ведут себя как магниты, поэтому они являются временными магнитами. Другой тип временного магнита, называемый электромагнитом 9.0048 использует электричество для создания магнита. См. вкладку Электромагнетизм, чтобы узнать больше об электромагнитах.

Техническое примечание

В повседневном языке мы обычно просто называем магниты и материалы, которые притягиваются к магнитам, «магнитными». Технически эти материалы называются ферромагнитными . Важно отметить, что не все металлы являются ферромагнитными . Вы заметите это, если попытаетесь поднять магнитом медную монетку или кусок алюминиевой фольги. Наиболее распространенными ферромагнитными металлами являются железо, никель и кобальт.

Ферромагнитный материал содержит множество крошечных магнитных доменов на микроскопическом уровне. Каждый магнитный домен имеет свое крошечное магнитное поле с северным и южным полюсами. Обычно эти домены случайным образом указывают во всех разных направлениях, поэтому все крошечные магнитные поля компенсируют друг друга, и весь материал не окружен магнитным полем. Однако, когда материал намагничивается (обычно путем помещения его в сильное магнитное поле), все эти крошечные магнитные поля выстраиваются в линию, создавая в целом большее магнитное поле.

То, как именно генерируются крошечные магнитные поля, зависит от того, как электронов движутся внутри атомов. Это один из примеров того, как связаны магнетизм и электричество.

• Чтобы узнать больше об электронах и электричестве, см. вкладку «Статическое электричество».
• Чтобы узнать больше о том, как связаны магнетизм и электричество, перейдите на вкладку Электромагнетизм.

Советы по безопасности

Магниты — это весело и полезно, но они также могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Маленькие магниты всегда следует держать подальше от маленьких детей и домашних животных, потому что они могут нанести серьезную травму, если их проглотить. Очень сильные магниты, такие как неодимовые магниты, могут стягиваться с очень большой силой, защемляя пальцы, если они зажаты между ними. Вы всегда должны держать магниты подальше от электронных устройств, таких как компьютеры и мобильные телефоны, а также от кредитных карт (или любых других карт с магнитной полосой). Это связано с тем, что данные на этих устройствах часто хранятся с использованием магнитной записи и могут быть стерты при приближении к сильному магнитному полю. Если вы выполняете проект Science Buddies, связанный с магнитами, перед началом обязательно ознакомьтесь с мерами предосторожности для этого конкретного проекта.

Связанные научные проекты

Вот список научных проектов, связанных с магнетизмом.

Электромагнетизм

Электромагнетизм

Краткое изложение основных понятий

• Электромагнетизм включает изучение электричества, магнетизма и того, как они связаны.
• Электромагнит — это временный магнит, который создает магнитное поле только при протекании электрического тока.
• Некоторые электромагниты создают очень сильные магнитные поля при протекании тока.

Что такое электромагнетизм?

Примечание: Перед чтением раздела об электромагнетизме мы рекомендуем прочитать раздел о магнетизме и просмотреть наше вводное видео. Видео включает в себя сегмент об электромагнитах.

Электричество и магнетизм очень тесно связаны. Изучение того и другого и того, как они связаны, называется электромагнетизмом . Эта страница представляет собой краткое введение в электромагнетизм и содержит информацию, которая может оказаться полезной для проектов Science Buddies. Есть целых учебников написано об электромагнетизме, однако; Это только начало!

Одним из распространенных примеров взаимодействия между электричеством и магнетизмом является электромагнит . Электромагнит — это особый тип временного магнита, который генерирует магнитное поле только при протекании электрического тока (вы можете узнать больше об электрическом токе на вкладке Current Electricity). Это делает электромагниты очень удобными, поскольку их легко включать и выключать, и они могут создавать очень сильные магнитные поля.

Одиночный прямой провод, по которому течет ток, создает круговую конфигурацию магнитного поля, как показано на рисунке 15.

Техническое примечание

Стрелка на рисунке 15 представляет правило правой руки , используемое для предсказания направления магнитного поля, индуцируемого (или создаваемого) током. Когда вы указываете большим пальцем правой руки в направлении тока, ваши пальцы сгибаются в направлении магнитного поля. Если ток меняет направление, линии магнитного поля также меняют направление.

Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Однако даже сильный ток в одном проводе не создает очень сильного электромагнита. Чтобы сделать более сильный электромагнит, вы можете намотать проволоку на катушку , как показано на рисунке 16. Магнитное поле вблизи катушки с проволокой очень похоже на магнитное поле вблизи стержневого магнита. (Можете ли вы понять это, используя правило правой руки, описанное выше?) Как и в случае с одним проводом, если электрический ток меняет направление на противоположное, магнитное поле вокруг катушки также меняет направление.

Чтобы сделать электромагнит еще сильнее, вы можете обернуть катушку вокруг ферромагнитного сердечника , как показано на рис. 17 (вернитесь к вкладке «Магнетизм», чтобы узнать о ферромагнитных материалах). Таким образом, когда электромагнит включается, он намагничивает сердечник. Затем магнитные поля катушки и сердечника складываются, создавая еще более сильный электромагнит.

Электрический ток есть не что иное, как движущиеся электрические заряды. Каждый раз, когда движется электрический заряд, создается магнитное поле. Вы можете задаться вопросом, могут ли движущиеся магниты (или изменяющееся магнитное поле) создавать электрический ток или заставлять двигаться электрические заряды. Ответ: да, может. Этот аспект электромагнетизма часто используется для создания электричества в электрических генераторах. Вы можете узнать больше о связи между электромагнетизмом и производством электроэнергии в некоторых практических проектах, ссылки на которые приведены ниже.

Связанные научные проекты

Вот список научных проектов, связанных с электромагнетизмом.

Цитировать эту страницу

MLA Style

«Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму. » Друзья по науке , 4 июня 2022 г., https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/references/electricity-magnetism-electromagnetism-tutorial. По состоянию на 1 марта 2023 г.

APA Style

(4 июня 2022 г.). Учебное пособие по электричеству, магнетизму и электромагнетизму. Извлекаются из https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/references/electricity-magnetism-electromagnetism-tutorial

Изучите наши научные видеоролики

Узнайте, как мы дышим

Создайте светоотслеживающего робота Bristlebot

Зачем яблоки а бананы становятся коричневыми? — Деятельность STEM

Электричество и магнетизм

Электричество и магнетизм

За годы преподавания 8.022 у меня сложился достаточно полный набор конспект лекций по электричеству и магнетизму. Некоторые люди нашли чтобы они были полезными, поэтому я размещаю их здесь. Не стесняйтесь использовать их для чего угодно, но не забудьте оставить всю информацию заголовка в поместите [моё имя, номер лекции и тему, а также семестр в которые эти конкретные заметки были завершены (весна 2005 г. )].

Эти заметки соответствуют расписанию и учебному плану на весну 2005 г. и могут точно не синхронизироваться с расписанием других семестров.

Наконец, эти примечания предоставляются как ; я не гарантирую, что они свободны от опечаток или глупых ошибок. Пожалуйста, пришлите мне исправления по электронной почте; Я опубликую исправления, когда у меня будет время.

---

1. Введение: закон Кулона, суперпозиция, энергия системы зарядов.

2. Электрическое поле: основная концепция поля, поток, закон Гаусса.

3. Больше электростатики: энергия в поле, потенциал. Немного математики: градиент и дивергенция; повторное посещение Закон Гаусса.

4. Дивергенция и завиток: Эта лекция была описан по крайней мере одним студентом как «все 18 022 в одном лекция».

5. Проводники: поля и потенциалы вокруг проводники; электростатическая теорема единственности.

6. Емкость.

7. Текущее: Основные понятия. Плотность тока, ток, непрерывность, закон Ома.

8. Схемы: Основные понятия. ЭДС и Правила Кирхгофа.

9. Переменные токи: RC-цепи, Эквивалентность Тевенена.

10. Магнитные поля и силы: Основные положения свойства магнитного поля и сил, которые оно оказывает; особенный предполагается относительность , а не . Это отклоняется от подхода Перселла.

10а. Пояснение к лекции 10: 1 вычисления в Lec 10 были довольно запутанными; эти заметки — моя попытка чтобы прояснить ситуацию.

11. Специальная теория относительности 1: замедление времени. сокращение длины, преобразования Лоренца, преобразование скорость.

12. Специальная теория относительности 2: Силы и поля в специальной теории относительности. Эквивалентность электрического и магнитного силы.

13. Вернуться к магнитным полям.

14. Введение в индукцию: Фарадей и Ленц.

15. Взаимная и собственная индуктивность.

Заметки о комплексных числах. Единственный здравомыслящий способ анализа цепей переменного тока, на мой не очень скромный взгляд.

16. Цепи RL, неуправляемые цепи RLC: Что мы получаем, когда катушки индуктивности и резисторы объединяются в цепи. Также вводит использование комплексных чисел для анализа цепей.

17. Цепи переменного тока и импеданс: наш первый обследование цепей переменного тока. Ключевые вещи, которые нужно изучить здесь: жизнь намного проще, если мы используем комплексные числа в нашем анализе; Закон Ома прекрасно работает для всех элементов схемы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности — при условии, что мы используем величину, называемую «сопротивление» для связи напряжения и тока.

18. Еще о цепях переменного тока: Мощность переменного тока схемы; резонанс и фильтры.

19. Ток смещения и Максвелла. уравнений: Здесь мы, наконец, складываем все воедино и получаем полный набор «уравнений поля», которые описывают электричество и магнетизм.

20. Волновое уравнение и излучение. Здесь мы немного помассируйте уравнения Максвелла и найдите особенно интересное Решение: Электромагнитное излучение.