Электромагнитные силы

Электромагнитные силы являются наиболее распространенными в природной среде. Благодаря им мы можем видеть друг друга, поскольку свет также является проявлением электромагнитного взаимодействия. Действия электромагнитных сил подчиняются фундаментальным законам взаимодействия заряженных частиц и тел. Электромагнитные силы возникают между элементарными частицами, которые имеют электрический заряд.

Электромагнитное взаимодействие возникает и реализуется только при помощи электромагнитного поля.

Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем

Энергия, которая заключена в магнитное поле, проявляет себя при помощи электромагнитных сил, что возникают при взаимодействии движущихся электрических зарядов и магнитного поля. Электромагнитная сила, которая возникает в магнитном поле при движении электрического заряда, действует на поле в направлении, что перпендикулярно направлению и движению силовых линий, а также стремится вытолкнуть заряд за его пределы.

Если в магнитное поле поместить проводник с током $I$, то между магнитным полем и электронами, которые проходят по проводнику, возникнут электромагнитные силы, что образуют результирующую силу $F$, стремящуюся вытолкнуть из магнитного поля проводник.

Замечание 1

Электромагнитную силу можно определить при помощи закона Ампера. Он сформулирован так: электромагнитная сила, которая действует на проводник с электрическим током, что находится в магнитном поле и располагается перпендикулярно направлению данного поля, равна произведению индукции поля $B$, силы тока $I$ и длины проводника $ l $.

$F = IBl$

По правилу левой руки можно определить направление действия силы $F$: левая рука располагается так, чтобы магнитные линии входили прямо в ладонь, а четыре вытянутых пальца совмещались с направлением электрического тока – тогда большой палец, что расположен под прямым углом, укажет направление действия силы.

Готовые работы на аналогичную тему

Сила возникнет только в том случае, если проводник располагается под некоторым углом или перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если проводник располагается вдоль силовых линий магнитного поля, то электромагнитная сила приравнивается нулю.

Чтобы изменить направление электромагнитной силы, нужно изменить направление магнитного поля или направление электрического тока в проводнике.

Электромагнитная сила $F$ возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ее возникновение наглядно можно представить как результат взаимодействия магнитных полей. Собственное круговое магнитное поле возникает вокруг проводника с электрическим током, оно будет складываться с внешним полем. При этом справа от проводника, в котором силовые линии поля совпадают с внешними линиями магнитного поля, осуществляется разрежение силовых магнитных линий.

Замечание 2

Силовые линии магнитного поля обладают свойством упругости, которое напоминает свойство резиновых нитей, что стремятся сократиться по длине и вытолкнуть проводник из места сгущения силовых линий в сторону их разрежения. В результате этого и возникает электромагнитная сила $F$.

Если в магнитное поле поместить не проводник, а катушку или виток с током, и расположить их вертикально, то используя правило левой руки, можно определить, что электромагнитные силы, действующие на них, направляются в разные стороны. В результате взаимодействия двух сил возникает вращающий момент $M$, который приведет к повороту катушки или витка.

$M = FD$, где $D$ — это расстояние между сторонами катушки или витка.

Виток будет вращаться в магнитном поле, пока не займет положение, что будет перпендикулярным силовым линиям поля. Для того чтобы увеличить вращающий момент в электродвигателях, применяется не один виток, а несколько.

Виды электромагнитных сил

Определение 1

Электромагнитные силы – это силы, которые действуют между телами по причине того, что эти тела состоят из заряженных движущихся частиц, между которыми действуют магнитные и электрические силы.

К электромагнитным силам можно отнести:

• сила трения $ \vec{ F_{тр}} $;
• сила упругости $ \vec{ F_{упр}} $;
• вес тела $ \vec{ P} $.

Определение 2

Сила трения $ \vec{ F_{тр}} $ — это электромагнитная сила, которая возникает вследствие того, что соприкасающиеся тела имеют неровные поверхности.

Сила трения всегда направлена в сторону, которая противоположна движению. Она не имеет точки приложения. Существует два вида силы трения:

1. Сила трения покоя. Она возникает при относительном покое тел, иными словами, когда соприкасающиеся тела относительно друг друга абсолютно неподвижны. Сила трения покоя по величине всегда приравнивается внешней силе и направляется в противоположную сторону. Она не может превышать максимального значения $F_{тр.\ max} = \mu N$.
2. Если внешняя сила, которая приложена к телу, становится больше $F_{тр.\ max}$, то случается проскальзывание. Сила трения в таком случае имеет название «сила трения скольжения».

Сила трения скольжения определяется по следующей формуле:

$F_{тр.} = \mu N$, где

• $ \mu $ — это коэффициент трения (безразмерная величина), который зависит только от материала изготовления тел и степени их обработки;
• $ N$ — это сила реакции опоры.

Кроме вышеперечисленных сил трения также можно выделить электромагнитные силы вязкого трения и силы трения качения.

Определение 3

Сила упругости $ \vec{ F_{упр}} $ — это электромагнитная сила, которая возникает при упругой деформации в теле.

Она направляется противоположно деформации. Модуль силы упругости можно вычислить по формуле:

$ |F_{упр}| = k \delta l$, где

• $k$ — жесткость пружины;
• $\delta l$ — это деформация.

Также к электромагнитным силам можно отнести вес тела.

Определение 4

Вес тела $ \vec{ P} $ – это электромагнитная сила, с которой тело воздействует на другие тела по причине его притяжения к поверхности Земли.

Если тело находится в состоянии покоя относительно вертикали или движется вверх или вниз равномерно, то его вес приравнивается к силе тяжести:

$P = mg$

Если тело движется вверх с замедлением или вниз с ускорением, то его вес значительно меньше силы тяжести. Найти его можно по следующей формуле:

$P= m (g-a)$

Если тело падает свободно, то наступает невесомое состояние. Вес тела в таком случае приравнивается нулю:

$P = 0$

Если тело опускается вниз с замедлением или движется вверх с ускорением, то его вес превышает силу тяжести. Найти вес тела можно по формуле:

$P = m(g + a)$

В таком случае отношение веса тела к силе тяжести можно назвать перегрузкой.

Формулу веса тела, которое движется равноускорено через векторную разность, в общем случае можно выразить в таком виде:

$\vec{P} = m(\vec{g} -\vec{a})$

Электромагнитные силы в природе

Огромную совокупность электромагнитных процессов охватывает классическая теория электричества. Среди основных типов взаимодействий (гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые) электромагнитные силы занимают первое место по разнообразию проявлений и частоте встречаемости. Упругая сила пара имеет электромагнитную природу, поэтому смена «столетия пара» на «столетие электричества» означает лишь смену эпохи, когда люди не могли управлять и воздействовать на электромагнитные силы, на ту эпоху, где человечество распоряжается этими силами на свое усмотрение.

Электромагнитные силы, которые существуют в природе, перечислить сложно. Благодаря им определяется устойчивость атомов, происходит объединение атомов в молекулы, обуславливается взаимодействие между ними, что приводит к образованию жидких и твердых тел. Все виды трения и упругости имеют электромагнитную природу.

Роль электрических сил имеет огромное значение в атомном ядре. При взрыве атомной бомбы в ядерном реакторе электромагнитные силы разгоняют осколки ядер, что приводит к выделению мощной энергии. Даже взаимодействие между телами происходит при помощи электромагнитных волн – радиоволн, света, а также теплового излучения.

Электромагнитное взаимодействие

Для начала введем основное определение.

Определение 1

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.

Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.

Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.

Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.

Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.

От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.

Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными

Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой mp=1,67·10-27 кг и зарядом qp=1,6·10-19 Кл.

№	Параметр сравнения	Электромагнитное взаимодействие	Гравитационное взаимодействие
1	Источник	Электрический заряд	Тензор энергии-импульса
2	Продолжительность	10-21 c	1016 с
3	Тип проявления	Существование молекул, атомов и химических сил	Универсальное с участием всех частиц
4	Радиус распространения	Бесконечный	Бесконечный
5	Переносчик	Фотон	Гравитон
6	Какие частицы взаимодействуют	Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой	Все без исключения
7	Статическая сила взаимодействия между протонами	Fe=qp24πεε0r2, где ε0=8,8·10-12Фм является электрической постоянной, ε — диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами.	Fg=Gmp2r2 где показатель G равен 6,67·10-11м3кгс2, а r означает расстояние между частицами.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия

Определение 2

Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:

a=e24πε0hc.

Здесь заряд электрона будет равен e=-1,6·10-19 Кл, а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h=h3π=1,05·10-34Дж·c, c=3·108 мс. Вычислим значение постоянной:

α=(1,6·10-19)24·3,14·8,8·10-12·1,05·10-343·108≈2,56·10-38348,15·10-38≈1137.

Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.

Пример 1

Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.

Решение

Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу Fg=Gmp2r2. Здесь расстояние между частицами будет равно G=6,67·10-11 м3кгс2, а mp=1,67·10-27 кг.

Вычислим значение с учетом этих данных:

Fg=6,67·10-111,67·10-27212=18,6·10-45 (Н).

Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:

Fe=qp24πεε0r2.

Здесь электрическая постоянная будет равна ε0=8,8·10-12Фм. Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: qp=1,6·10-19 Кл.

У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:

Fe=1,6·10-1924·3,14·8,8·10-12·12=2,56·10-38110,53·10-12=2,31·10-28 (Н).

Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18, 6·10-45 Н. Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2,31·10-28 Н.

Пример 2

Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.

Решение

Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.

Fg=Gm2r2, буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r ­ расстояние, на котором расположены частицы.

Fe=q24πεε0r2, буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε0 – электрическая постоянная, а r ­ расстояние между частицами.

Согласно первоначальным условиям, Fg=Fe, значит, Gm2r2=q24πεε0r2 и 4πεε0Gm2=q2→qm=4πεε0G.

Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε=1. Зная, что значение гравитационной постоянной G=6,67·10-11м3кгс2, а электрической – ε0=8,8·10-12 Фм, можем вычислить ответ:

qm=4·3,14·8,8·10-12·6,67·10-11≈8,9·10-11.

Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8,9·10-11 Клкг.

11 различных типов сил | New-Science.ru

В физике сила может быть определена как толчок или тяга на любой объект, который имеет массу. Это меняет движение объекта.

Другими словами, сила заставляет объект с массой изменить свое направление и скорость.

Два великих физика Исаак Ньютон и Галилео Галилей описали поведение сил математически. В 1638 году Галилей провел эксперимент на наклонной плоскости, который произвел революцию в способе измерения силы. Пять десятилетий спустя Ньютон разработал законы движения, которые заложили основу классической механики.

Поскольку сила имеет и величину, и направление, она является векторной величиной. Она представлена символом F и измеряется в единице СИ Ньютона (N).

Силы можно разделить на две группы в зависимости от их применения:

1. Контактная сила: действует на тело напрямую или через среду.
2. Бесконтактная сила: действует через пространства без прямого контакта с телом.

Чтобы лучше объяснить это явление, мы описали все различные типы сил на примерах. Давайте начнем с четырех фундаментальных сил в природе.

1. Гравитационная сила

G — универсальная гравитационная постоянная, которая варьируется в зависимости от различных астрономических тел.

Тип: бесконтактная сила

Гравитационная сила — это то, что притягивает два объекта с массой. Она действует на каждый объект, включая вас, во Вселенной.

Величина гравитационной силы, оказываемой объектами друг на друга, «прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». Чем массивнее объекты и меньше расстояние между ними, тем выше сила.

Это самая слабая из четырех фундаментальных сил, обнаруженных в природе.

Хотя гравитационная сила не оказывает существенного влияния на субатомном масштабе, она является доминирующим взаимодействием на макроскопическом масштабе и существенно влияет на формирование, строение и траекторию небесных тел.

Пример: гравитация заставляет яблоко падать с дерева; она заставляет Луну вращаться вокруг Земли; она удерживает газы на Солнце.

2. Электромагнитная сила

Тип: Бесконтактная сила

Это вид взаимодействия, которое происходит между электрически заряженными частицами. Электромагнитные поля (создаваемые движущимися электрическими зарядами) несут в себе электромагнитную силу.

Электричество и магнетизм связаны друг с другом: текущие электроны создают магнетизм, а движущиеся магниты генерируют электричество. Отношения между ними очень хорошо объяснены Джеймсом Клерком Максвеллом и количественно определены в его уравнениях.

Пример: Наиболее распространенным примером электромагнетизма является свет, поскольку он распространяется (излучается) в пространстве, перенося энергию электромагнитного излучения.

Следующим наиболее распространенным примером могут быть силы, действующие между электрически заряженными атомными ядрами и электронами атомов.

3. Сильная ядерная сила

Протоны и нейтроны удерживаются сильным ядерным взаимодействием

Тип: Бесконтактная сила

В ядерной физике и физике элементарных частиц сильное взаимодействие отвечает за структурную целостность атомных ядер. Поскольку все протоны имеют положительный заряд, они отталкиваются друг от друга. Сильное ядерное взаимодействие удерживает эти отталкивающие протоны вместе, так что они могут образовать атомное ядро.

Около 99% массы нейтрона или протона является результатом энергии сильного силового поля.

Это самая сильная сила в природе, действующая на расстоянии 1 фемтометра ( ^10–15 м). Он почти в 137 раз сильнее электромагнетизма и в 100 миллиардов (10 ³⁸) раз сильнее, чем сила гравитации.

Пример: Сильная ядерная сила связывает кварки с адронными частицами, такими как протон и нейтрон, для создания атомного ядра. Это сила, которая соединяет обычную материю.

В более широком масштабе она используется на атомных электростанциях для производства тепла с целью выработки электроэнергии. Она также ответственна за огромную разрушительную мощь ядерного оружия. Из-за этой силы ядерное оружие при взрыве высвобождает экстремальное количество энергии.

4. Слабая ядерная сила

Радиоактивный распад частицы

Тип: Бесконтактная сила

В ядерной физике слабое взаимодействие относится к взаимодействию между субатомными частицами, которое вызывает радиоактивный распад атомов. Более конкретно, он отвечает за распад некоторых нуклонов на лептоны и другие типы адронов.

Его напряженность поля примерно в 10 ¹³ раз меньше, чем у сильной ядерной силы. Тем не менее он значительно сильнее, чем гравитационная сила на коротких расстояниях.

Пример: Наиболее известным эффектом действия слабой силы является бета-распад (нейтронов) и связанная с ним радиоактивность. Она возникает в нескольких различных реакциях, включая сжигание Солнца и радиоуглеродное датирование.

Это четыре фундаментальные (бесконтактные) силы, из которых происходит все остальное. Они поддерживают горение звезд и вращение планет. Без них вселенная, которую мы знаем, не существовала бы, и даже если бы она существовала, это было бы совершенно другое место.

Теперь давайте перейдем к неосновным силам, которые возникают в результате прямого физического взаимодействия между двумя объектами.

5. Прикладная сила

Тип: Контактная сила

Тип: Контактная сила

Как следует из названия, это сила, которую вы применяете к объекту. Объект начинает двигаться, когда величина силы преодолевает инерцию объекта.

Тело остается в покое или в равномерном движении по прямой линии, если к ним не приложена внешняя сила, которая изменяет состояние движения и направление тела. Ускорение тела прямо пропорционально приложенной силе.

Пример: Сила, приложенная к ящику человеком.

6. Сила трения

Тип: Контактная сила

Поверхностная сила, противостоящая относительному движению тела, называется силой трения. Поскольку в реальном мире ни один объект не является абсолютно гладким, всегда существует некоторое трение между двумя поверхностями. Его величина пропорциональна коэффициенту трения материала поверхности.

Двумя основными типами сил трения являются статические (сила трения о неподвижный объект) и кинетические (сила трения о движущийся объект). Сопротивление воздуха также является силой трения, которая действует на объекты, когда они перемещаются по воздуху.

Оно всегда действует в направлении, противоположном движению, и преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию (работа в тепло). В целом, трение является критической и желательной силой, которая обеспечивает сцепление для облегчения движения по суше.

Пример: Примером трения является скольжение каботажа по столу, скольжение двух карт в колоде друг о друга и трение руки для получения тепла.

7. Нормальная сила

Тип: Контактная сила

Когда две поверхности находятся в контакте, они оказывают нормальное воздействие друг на друга. Термин «нормальный» относится к перпендикулярному. Это означает, что сила направлена ​​перпендикулярно двум контактирующим поверхностям.

Пример: когда ноутбук стоит на столе, обычная сила удерживает его от падения через стол. Гравитационная сила Земли тянет ноутбук вниз, но поскольку он на самом деле не падает, должна быть сила, постоянно толкающая его вверх. Это то, что мы называем нормальной силой.

Она исходит от электромагнитной силы: электроны ноутбука толкают электроны стола. Поскольку все электроны отрицательно заряжены, они не становятся намного ближе друг к другу, и ноутбук опирается на верхнюю часть стола.

8. Сила натяжения

Тип: Контактная сила
Сила натяжения обычно передается через провод, кабель, струну или веревку, когда она плотно натягивается силами, действующими с противоположных концов. Усилие направлено вдоль длины кабеля.

Натяжение можно также определить как действие-реакция пары сил, действующих на каждом конце кабеля. Это противоположность сжатия.

Пример: веревка, тянущая коробку или коробку, висящую на веревке, будет отличным примером натяжения (в веревке).

9. Сила упругости

Тип: Контактная сила

Сила упругости — это сила, прилагаемая натянутой или сжатой струной к объекту, который к ней прикреплен.

Способность пружины противостоять искажающему воздействию и возвращаться в исходное состояние при снятии воздействия зависит от ее материала, количества витков и диаметра проволоки, образующей витки. Как правило, эти характеристики количественно выражаются в параметре, называемом постоянной пружины «k».

Для всех пружин, подчиняющихся закону Гука, величина силы прямо пропорциональна постоянной пружины (k) и сжатой/растянутой длине (x).

Пример: Автомобильные амортизаторы изготовлены из пружин. Они предназначены для поглощения ударных импульсов путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (например, тепло), которая затем рассеивается.

10. Центростремительная сила

Тип: Бесконтактная сила

Центростремительная сила действует на объекты, ускоряющиеся в круговом движении. Это сила, которая заставляет объект следовать по изогнутому пути.

Направление этой силы всегда направлено к фиксированной точке мгновенного центра кривизны траектории и ортогонально движению объекта.

Пример: Два наиболее распространенных примера центростремительной силы — это вращение автомобиля и Земля, вращающаяся вокруг Солнца. В первом случае центростремительная сила обеспечивается за счет трения между колесами и землей, а во втором — за счет силы тяжести.

11. Сила инерции

Тип: Бесконтактная сила

Сила инерции (также называемые инерционная сила) являются очевидными силами, действующими на массы, движение которых описывается с использованием неинерциальной системы отсчета , включая вращающуюся систему отсчета.

Это вступает в силу, когда система отсчета начала ускорение. Термин «инерционная сила» имеет точное значение для ньютоновской механики — фактически он всегда пропорционален массе объекта, на который он действует.

Пример: силы, которые вы испытываете в движущемся автомобиле, являются повседневными примерами сил инерции. Когда автомобиль разгоняется в переднем направлении, он толкает вас обратно на сиденье. Когда автомобиль делает резкие повороты, он бросает вас из стороны в сторону. Эти влияния возникают из-за того, что естественная система отсчета для данной ситуации сама ускоряется.

Электромагнитные дефекты | Спектральная вибродиагностика

«Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам» 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Анализируя сигналы с датчиков вибрации, установленных на опорных подшипниках электрических машин, можно выявить достаточно много специфических дефектов состояния, возникающих только в электродвигателях и генераторах различного типа. Причиной повышенной вибрации электрических машин могут являться как различные внутренние электромагнитные дефекты электрических машин, так некоторые специфические особенности проявления электромагнитных процессов в обмотках и сердечниках, т. е. это просто может отражать особенности нормальной работы электродвигателей и генераторов во вращающихся агрегатах.

Применение вибрационных методов диагностики дефектов состояния электродвигателей и генераторов обычно является первым этапом в оценке их состояния. Так происходит потому, что они позволяют оперативно анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы, или как это принято называть в литературе, реализуют диагностику и мониторинг технического состояния в режиме «on-line».

После применения вибрационного анализа для диагностики дефектов в электрических машинах, и выявления основных характерных признаков существования того или иного дефекта, можно, а иногда даже необходимо, применять другие, специализированные и, естественно, более точные методы диагностики состояния электрических машин.

Очевидно, что описание этих методов выходит за рамки данной работы, и ознакомиться с ними можно, если обратиться к другой, более специализированной литературе. Частично, но все равно более широко, чем это обычно делается в «обычной» литературе по вибрационной диагностике, эти методы рассмотрены в данном разделе. Некоторые аспекты диагностики электротехнического оборудования приведены ниже, в соответствующем разделе.

При выборе дефектов, которые мы описываем в данном разделе, мы исходили из простого определения. Если дефект можно диагностировать при помощи установки датчиков вибрации на опорных подшипниках, то его описание включено в данный раздел. Если же для диагностики необходимо устанавливать датчики вибрации в других точках контролируемой электрической машины, то описание диагностики таких дефектов вынесено в особый раздел данного методического руководства.

Обычные, достаточно широко распространенные причины повышенной вибрации электрических машин «не электромагнитного характера», такие как небаланс, проблемы подшипников, наличие изогнутого вала, и т. д. в данном разделе методического руководства никак не рассматриваются. По вопросам диагностики этих дефектов в двигателях и генераторах вибрационными методами следует обращаться к соответствующим разделам данного руководства.

Для проведения диагностики различных электромагнитных дефектов в электрических машинах необходимо использовать измерительное оборудование, имеющее достаточно высокие эксплуатационные параметры. Не все приборы, хорошо подходящие для диагностики дефектов механической природы возникновения, такие как небаланс, расцентровка, и т. д., могут быть использованы для анализа технического состояния электрических машин переменного тока.

Для успешной диагностики различных электромагнитных проблем в электрических двигателях и генераторах необходим анализатор спектров вибросигналов с очень высокой разрешающей способностью, с числом спектральных линий, не меньшем, чем 3200, а желательно и лучше. Кроме того, такой прибор должен иметь возможность проводить регистрацию вибрационных сигналов в течение достаточно длительного интервала времени, не менее 10 — 20 секунд. Это необходимо делать для эффективного разделения проблем механической и электромагнитной природы возникновения, что возможно сделать только в момент отключения контролируемого агрегата от питающей сети.

Измерение вибрации на подшипниках электродвигателей и генераторов нужно всегда проводить в трех направлениях — вертикальном, поперечном и осевом, иначе потом будет невозможно провести полную диагностику состояния. Идеальным является синхронная регистрация (не путать с синхронизированной регистрацией, которая гораздо менее эффективна) сразу шести вибросигналов с двух подшипников электрической машины. Обычно это повышает достоверность диагнозов дополнительно не менее чем на 10 %.

3.2.6.1. Описание физических процессов в электрических машинах

Вопросами диагностики текущего технического состояния и поиска дефектов в электрических машинах обычно занимаются специальные электротехнические службы, знакомые с особенностями физических процессов в двигателях и генераторах. Для тех, кто раньше не был практически связан с процедурой оценки состояния электротехнического оборудования, необходимо обязательно ознакомиться со специальной литературой, описывающей основные особенности его работы.

Дело в том, что существует несколько типов электрических машин, процессы в которых значительно отличаются друг от друга. Кроме того, в каждом типе электрических машин существует несколько специфических особенностей, не зная которые очень сложно проводить корректную оценку их технического состояния.

В самом начале данного раздела, на первом этапе описаний, кратко вспомним некоторые основные определения и понятия из минимального, по объему, курса электрических машин. Сделаем это для простоты объяснения причин возникновения вибрации в электрических машинах, а так же для того, чтобы не загромождать эти объяснения в дальнейшем, Знание этих основополагающих понятий совершенно необходимо для проведения корректного диагностирования дефектов электрических машин, для правильного толкования спектрального состава регистрируемых вибрационных сигналов.

По принципу действия различают три основных типа широко применяемых электрических машин:

• Синхронные машины переменного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Эти машины могут работать в режимах двигателя и генератора, в практике встречаются и те, и другие.
• Асинхронные машины переменного тока, в которых ротор вращается несколько медленнее. Величина отставания ротора от статора составляет несколько процентов, и характеризуется термином «скольжение». Теоретически также могут работать в режимах двигателя и генератора, но на практике встречаются практически одни двигатели.
• Машины постоянного тока. Это также обратимые электрические машины, допускающие двигательный и генераторный режимы работы. На практике встречаются и те, и другие исполнения машин постоянного тока.

В данном разделе методического руководства будут рассмотрены основные способы диагностики состояния и поиска дефектов состояния электрических машин переменного тока, синхронных и асинхронных, как наиболее распространенных в промышленности и в быту. Электромагнитные проблемы машин постоянного тока очень сложно поддаются диагностике, в основе которой лежит анализ вибрационных сигналов с опорных подшипников, поэтому рассматриваться здесь не будут.

Синхронные и асинхронные машины являются по своему принципу действия обратимыми, т. е. могут работать в как режиме двигателя, так и в режиме генератора. В дальнейшем диагностика дефектов статоров синхронных и асинхронных машин, двигателей и генераторов, не будет подразделяться, т. к. они имеют одинаковые по конструкции статоры. Синхронные машины отличаются от асинхронных только конструкцией ротора, что найдет отражение в специальном подразделе, где будут описаны наиболее часто встречающиеся дефекты короткозамкнутых роторов.

Очень важно уже на самом первом этапе диагностики, заранее, определиться с диапазоном численных значений частоты вращения ротора и электромагнитного поля в зазоре. Для этого необходимо знать оборотную частоту вращения электромагнитного поля статора и оборотную частоту вращения ротора электрической машины переменного тока. Именно они определяют требования к приборам вибрационного контроля.

Максимальная частота вращения ротора электрической машины переменного тока определяется в размерности «обороты в минуту». В иностранной литературе широко используется термин RPM, что является сокращением стандартного параметра «Rotation Per Minute», т. е. те же «обороты в минуту». Эта максимальная частота вращения также является и номинальной, так как в нормальных условиях частота вращения машины переменного тока редко регулируется, а если и регулируется, то практически всегда с использованием преобразователей частоты.

Частота вращения ротора численно равна произведению частоты питающей сети, измеряемой в [Гц], умноженной на переводной коэффициент, равный 60 (количество секунд в одной минуте). В России принят стандарт частоты питающей сети в 50 Гц. Поэтому максимально возможная частота вращения роторов двигателей и генераторов переменного тока составляет 3000 об/мин. При частоте питающей сети в 60 Гц, что являющейся стандартной в Америке и в Японии, максимальная частота вращения ротора машины переменного тока составит 3600 об/мин.

В зависимости от особенностей конструкции статоров машин переменного тока частота вращения электромагнитного поля в зазоре может изменяться. Для определения этой частоты формула определения частоты вращения поля должна быть дополнена еще одним сомножителем «Р», находящимся в знаменателе:

N₀ = 60 * F₁ / P

Таким образом, частота вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины N₀ равняется частному от деления максимальной частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на число «пар полюсов статора – Р». Это конструктивный параметр обмотки статора, и он может принимать только целые значения, равные 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. При этом частота вращения поля в зазоре электрической машины будет равна соответственно 3000 об/мин, 1500, 1000, 750, 600 и т. д.

При числе пар полюсов, отличном от единицы, частота вращения поля в зазоре электрической машины отлична от частоты питающей сети, причем в меньшую сторону от стандартных 3000 об/мин. Это очень важно учитывать при первой диагностике состояния «мало знакомых» электрических машин по спектрам вибросигналов.

В синхронных электрических машинах переменного тока частота вращения ротора всегда совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Именно поэтому такие машины называются синхронными. Такие электрические машины имеют достаточно большую мощность, что связано с особенностями их конструкции. Можно смело утверждать, что «встретить» синхронную машину с мощностью менее 1000 кВт на практике очень сложно. Их мало, но они имеют большую единичную мощность, генераторы достигают мощностей до 800 МВт и более.

В асинхронных машинах переменного тока частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на небольшую величину, ротор отстает от электромагнитного поля. Это отставание обычно называется скольжением «s» и измеряется в долях от единицы или в процентах. Имеющаяся небольшая разница в частотах вращения поля и ротора называется частотой скольжения ротора, которая измеряется в герцах или в процентах. В диагностике дефектов ротора асинхронного двигателя эта частота имеет большое значение.

Стандартный ряд рабочих частот вращения роторов асинхронных двигателей, в зависимости от числа пар полюсов обмотки статора, можно примерно представить в виде последовательности чисел — 2900 об/мин, 1450 об/мин, 970 об/мин.

Из этого ряда» хорошо видно, что частота вращения ротора асинхронной электрической машины всегда отстает от частоты вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины. Для сравнения напомним, что в синхронных машинах переменного тока, где частота вращения ротора совпадает с частотой вращения поля в зазоре,  этот ряд рабочих частот вращения электрических машин составляет 3000, 1500, 1000 об/мин.

Отдельно необходимо остановиться на термине, который практические диагносты достаточно широко используют на практике, но, может быть, не совсем корректно понимают его смысл. В самом общем случае этот термин звучит примерно как «электромагнитные вибрации и электромагнитные гармоники в спектре вибрационного сигнала».

В электрических машинах переменного тока возможно возникновение специфических вибраций двух типов. Конечно, реальных причин повышения вибрации в электродвигателях и генераторах может быть гораздо больше, но при измерении вибрационных сигналов на опорных подшипниках реально зарегистрировать можно только «отклики» от этих двух причин. В другом разделе нашего руководства мы частично затронем некоторые другие аспекты вибрационной диагностики состояния электротехнической составляющей электрических машин, здесь же мы рассмотрим только способы диагностики возможных «механических дефектов» электрических машин.

Для начала дадим определение основным электромагнитным вибрациям, которые можно зарегистрировать на опорных подшипниках синхронных и асинхронных электрических машин. Как мы уже говорили, они могут возникать по нескольким причинам.

Во-первых, это электромагнитные вибрации ферромагнитных сердечников и стальных конструктивных элементов электротехнического оборудования, по которым во время работы оборудования протекает переменный магнитный поток.

Эти вибрации возникают за счет специфического процесса, который в литературе называется магнитострикцией. Этот эффект обусловлен тем, что при перемагничивании ферромагнитных материалов сердечника происходит изменение внутренней ориентации элементарных намагниченных частиц, доменов. При каждом перемагничивании сердечника происходит поворот доменов на 180 градусов, что в итоге и приводит к небольшому «линейному расширению» ферромагнитного материала. Чем больше величина магнитного потока в сердечнике, тем больше размеры элементарных доменов в ферромагнитном сердечнике, и тем больше будут вибрации сердечника электрической машины.

Поскольку перемагничивание сердечника магнитным потоком происходит дважды за один период питающей сети, то и частота вибрации, обусловленная эффектом магнитострикции, равняется удвоенной частоте питающей сети, т. е. она равняется 100 Гц. Мы обращаем дополнительное внимание читателя на то, что вне зависимости от оборотной частоты вращения ротора электрической машины, частота вибрации сердечника (пакета стали статора) всегда равняется 100 Гц.

Если оборотная частота ротора равняется 50 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации располагается на спектре «в том месте», где может находиться вторая гармоника оборотной частоты. Если же оборотная частота ротора равняется, например, 25 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации на спектре будет располагаться на месте четвертой гармоники оборотной частоты. Этими двумя простыми примерами мы еще раз подчеркнули, что электромагнитная гармоника не связана с частотой вращения ротора электрической машины, а зависит только от частоты питающей сети.

Во-вторых, вибрации в электрической машине вызываются специфическими электродинамическими силами, которые в литературе принято называть «амперовыми силами», т. к. их величина определяется по закону Ампера. Смысл закона Ампера звучит следующим образом – на два проводника с током действует сила взаимного притяжения, пропорциональная квадрату протекающего по проводникам тока, и обратно пропорциональная расстоянию между проводниками. Если направление тока в обоих проводниках одинаковое, то проводники притягиваются друг к другу. Если токи в параллельных проводниках текут в разные стороны, то проводники отталкиваются друг от друга.

Самое важное для нас в этом законе заключается в том, что в числителе стоит произведение токов в проводниках, т. е. квадрат тока промышленной частоты. Из тригонометрии следует известное соотношение, гласящее, что квадрат синусоидального сигнала есть другой гармонический сигнал, но имеющий удвоенную частоту. Таким образом, мы аналогично получаем, что сила электродинамического воздействия между двумя проводниками с синусоидальными токами промышленной частоты имеет удвоенную частоту, относительно частоты питающей сети.

Таким образом, мы определили, что вибрации электрической машины, не вызванные механическими проблемами, имеют удвоенную частоту относительно частоты питающей сети, т. е. равную 100 Гц. Это определение относится как к электромагнитным причинам повышенной вибрации, возникающим в сердечниках электрических машин силами магнитострикции, так и к электродинамическим силам взаимодействия проводников друг с другом, возникающим при протекании токов по обмоткам электрической машины.

Все это можно сказать несколько иначе. Основная, или, говоря терминами, принятыми в вибрационной диагностике, оборотная частота электромагнитных сил и вибраций в электрической машине равна удвоенной частоте питающей сети. Это совершенно отдельная сила, не связанная с частотой вращения ротора, что может быть легко выяснено при помощи средств кепстрального анализа. Она просто имеет частоту, равную удвоенной частоте питающей сети. Гармоники основной частоты этой силы имеют значения 200 Гц, 300, 400 и т. д. В чистом виде эта сила очень явно проявляется в статическом электрооборудовании. Примером этого является трансформатор, в котором гармоника вибрации с частотой питающей сети в 50 Гц практически отсутствует, а максимальное значение имеет гармоника вибрации с частотой 100 Гц.

Есть еще и третья (по порядку нашего повествования, а не по порядковому номеру в спектре) гармоника вибрации, имеющая электромагнитную природу возникновения. Она называется зубцово – пазовой гармоникой. Она не всегда столь значительна, как первые две, но сказать о ней все равно нужно.

Зубцово – пазовая гармоника вызывается особенностями конструктивного исполнения электрической машины переменного тока. У нее на статоре и на роторе обмотка всегда укладывается в пазах. При вращении ротора в зазоре статора возникает периодическое чередование ферромагнитных зубцов и пазов на статоре и роторе. Это приводит к модуляции магнитного потока в зазоре частотой, связанной с количеством пазов на роторе и статоре электрической машины.

При разработке электрических машин принимаются все меры, чтобы исключить влияние зубцово — пазовой структуры на работу машины. На статоре и роторе всегда различное число пазов, на роторе применяется «скос» пазов, когда ось паза идет не вдоль оси ротора, а как бы немного закручена вокруг оси и т. д. Тем не менее, существуют типы электрических машин, в которых «пазовая» гармоника оборотной частоты ротора является явно выраженной на спектре.

Необходимо хорошо понимать, что все эти три гармоники в спектре вибросигнала, имеющие электромагнитную природу возникновения, не всегда являются признаками наличия дефектов в контролируемой электрической машине, они практически всегда сопровождают ее работу. Признаком наличия дефекта обычно является увеличение амплитуд электромагнитных гармоник выше некоторого уровня, являющегося порогом нормального состояния оборудования.

Основной признак того, что анализируемая гармоника в спектре сигнала вибрации имеет электромагнитную причину возникновения — мгновенное исчезновение этой гармоники сразу после отключения электрической машины от сети.

Очень важным является то, что диагностика причин повышенной вибрации электрических машин должна проводиться при возможно большей нагрузке двигателя. Если исследования будут проводиться на холостом ходу, или же при небольшой нагрузке, то диагностика дефектов будет затруднена.  

3.2.6.2. Сводка электромагнитных проблем ротора и статора

Приведем краткую сводку по электромагнитным проблемам электрических машин, которые можно эффективно диагностировать по спектрам вибросигналов. Здесь же приведем все характерные признаки каждого вида дефекта.

Для описания дефектов здесь и далее будем использовать термины:

F₁ — частота питающей сети, в России равна 50 Гц.

F_ЭМ — частота электромагнитных сил в электрических машинах, равна удвоенной частоте сети, в России 100 Гц.

N₀ — частота вращения поля в зазоре электрической машины, численно равна частному от деления 3000 на число пар полюсов Р, которое может принимать целые значения от единицы и более (об/мин).

F₀ — частота электромагнитного поля в зазоре, Гц.

F_P — собственная частота вращения ротора электрической машины. Для синхронных машин она равна частоте вращения поля. Для асинхронных машин она меньше на величину скольжения ротора.

F_P = F₀ (1 — s)

s - скольжение ротора относительно электромагнитного поля в асинхронных машинах, безразмерная величина, численно равняется разнице между частотой вращения поля в зазоре и частотой вращения ротора, отнесенной к частоте вращения поля в зазоре

s = (N₀ — F_P) / N₀

F_П — зубцово — пазовая частота вибрации, численно равная произведению числа пазов (на роторе или статоре) на частоту электромагнитного поля в зазоре. Может быть повышенной относительно статора, относительно ротора, может быть разностная или суммарная частота биений пазовых частот ротора и статора.

Наиболее важные проблемы статора, которые можно диагностировать на основе анализа вибрационных сигналов:

• Ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание стержней, витков, или даже секций в обмотке статора. Соответствующие вибрации проявляются на частоте действия электромагнитных сил F_ЭМ, равной удвоенной частоте питающей сети. Особое внимание при диагностике такого дефекта следует уделять наличию дробных гармоник электромагнитной частоты — 1/2, 3/2, 5/2 и т. д. от основной частоты. По значению частоты эти гармоники соответствуют основной и нечетным гармоникам питающей сети. Появление этих гармоник в спектре вибрационного сигнала говорит об опасной степени развития дефекта, о необходимости оперативного принятия соответствующих мер. 
• Эксцентриситет, эллипсность внутренней расточки статора относительно оси вращения ротора. Возникает обычно как дефект монтажа подшипниковых стоек, дефект состояния подшипниковых щитов или при общей деформации корпусных элементов самого статора. В вибрации проявляется на частоте вращения поля в зазоре, а также и на частоте действия электромагнитных сил в электрической машине, равной 100 Гц. Иногда сопровождается появлением боковых гармоник вблизи частоты 100 Гц. Дефект обычно сопровождается неравенством вертикальной и поперечной составляющих соответствующих гармоник. Пространственный максимум гармоник соответствует направлению эксцентриситета смещения оси статора. Наиболее просто направление смещения оси статора относительно оси ротора диагностируется при снятии «розы вибраций», когда датчик последовательно перемещается по огибающей вокруг подшипника со смещением при каждом измерении на угол 30 — 45  градусов.
• Неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и статора. Иногда для данного дефекта используется термин: «неправильная установка электромагнитных осевых разбегов». При работе электрической машины, в результате сил магнитного притяжения, пакет ротора всегда стремится к положению точно под пакетом статора.

Если этому стремлению будут препятствовать неправильно смонтированные в осевом направлении подшипники, то в них будут возникать компенсирующие осевые усилия, которые и вызовут осевые вибрации подшипников. Подшипники достаточно быстро нагреются и выйдут из строя. Иногда ротор двигателя «утягивается» в осевом направлении валом механизма, что возможно при неправильном осевом монтаже приводного механизма, сопровождающемся малой осевой подвижностью в соединительной муфте.

Основные проблемы ротора, диагностируемые по вибрации:

• Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения. На спектре вибросигнала этот дефект проявляется в усилении первой гармоники частоты вращения ротора. Усиливается частота действия электромагнитной силы, вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.
• Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах «беличьей клетки» в асинхронном двигателе. Обычно проявляется на спектре вибрационного сигнала вблизи частоты вращения вала ротора. Кроме того, этот дефект всегда сопровождается появлением вблизи основной гармоники частоты вращения ротора боковых гармоник, сдвинутых относительно гармоники частоты вращения ротора на интервал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов двигателя. Очевидно, что этот дефект присущ только асинхронным двигателям, а в синхронных машинах он никак не проявляется.
• Ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в области зубцов. Сопровождается усилением второй гармоники питающей сети или, при ослаблении стали в области зубцов, появлением пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную двойной питающей частоте. Такой дефект на практике диагностируется достаточно сложно, так как его спектральные признаки напоминают признаки других дефектов, и проявляются не очень сильно, чаще всего неявно.

3.2.6.3. Диагностика электромагнитных проблем статора

При всех проблемах статора синхронной или асинхронной электрической машины, имеющих в своей основе первопричину электромагнитной природы, в спектре вибросигнала возникает весьма специфическая картина. В основном она сопровождается возникновением высокой амплитуды основной гармоники на частоте электромагнитных процессов F_ЭМ. Как уже неоднократно говорилось выше, ее частота равна удвоенной частоте питающей сети, т. е. всегда равняется 100 Гц. Еще раз напоминаем, что эта частота никак не связана с оборотной частотой вращения ротора.

Этот эффект достаточно хорошо объясняется с точки зрения физики происходящих в стали статора процессов. Силы взаимного притяжения, действующие между «распрессоваными» листами электротехнического железа или элементами крепления пакета стали, имеют максимум амплитуды дважды за один период изменения питающей сети — во время абсолютного минимума и максимума магнитного потока. Чем сильнее будет распрессован пакет статора электрической машины, тем большую амплитуду в спектре будет иметь основная электромагнитная гармоника.

Аналогично выглядит картина взаимодействия между элементами обмотки статора. Математически это объясняется тем, что электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока или магнитного потока. Поскольку и тот и другой синусоидальны, то их произведение также пропорционально синусоиде, но изменяющейся уже с удвоенной частотой, относительно исходной частоты питающей сети.

На спектре вибрационного сигнала, приведенном на рисунке 3.2.6.1., картина появления электромагнитных проблем в статоре выражается в усилении пика на электромагнитной частоте. При значительных дефектах в стали могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника электромагнитной частоты F_ЭМ, и даже третья (300 Гц).

Кроме того, в спектре может появиться также целый ряд дробных гармоник, имеющих кратность 1/2 от электромагнитной гармоники. В данной ситуации, по своей частоте, эти гармоники будут численно соответствовать нечетным целым гармоникам частоты питающей сети. Такое совпадение двух семейств гармоник усложняет их разделение частоте, требуя большей внимательности и применения дополнительных диагностических средств.

Очень важно хорошо понимать и помнить основное различие синхронных и асинхронных электрических машин, значительно влияющих на диагностику дефектов по спектрам вибрационных сигналов.

Гармоники вибрации от электромагнитных процессов в статоре синхронной машины, по своей физической природе, являются синхронными относительно частоты вращения ротора. В асинхронном двигателе эти же семейства гармоник являются несинхронными, т. к. частота вращения ротора и частота питающей сети не кратны между собой, а различаются между собой пропорционально частоте скольжения. В данном определении под коэффициентом кратности соотношений частот мы понимаем влияние числа пар полюсов обмотки, уложенной в пазах статора.

Ослабление прессовки активного железа статора в электрической машине обуславливается, в основном, двумя часто встречающимися причинами — или общим ослаблением элементов крепления железа статора, или же явлением «отслоения» крайних листов и пакетов стали.

При этих локализациях дефекта железа статора важную роль начинает играть место установки вибродатчика. Чем ближе он устанавливается к дефектному месту пакета статора, чем короче будет путь прохождения «полезного» вибрационного сигнала, тем более корректно можно будет проводить диагностирование и, достаточно часто, удается даже локализовать место проявления дефекта. Наиболее эффективно датчик вибрации устанавливать не на опорных подшипниках ротора, а непосредственно на корпусе сердечника статора, а еще лучше и на самом пакете активной стали.

Аналогично обстоит дело и с особенностями проявления в спектрах вибросигналов различных дефектов обмоток статора, но поиск их и локализация происходят гораздо сложнее. Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в другом разделе данного руководства, однако основные требования к месту установки датчика вибрации останутся прежними – как можно ближе к возможному месту возникновения предполагаемого дефекта пакета или обмотки статора.

Самое главное, что нужно помнить при диагностике дефектов, что различить тип диагностируемого в статоре электрической машины дефекта, имеет — ли он «чисто электрическую природу возникновения», или же он обусловлен одними «магнитными проблемами», методами спектральной вибрационной диагностики практически невозможно. Единственный, достаточно корректный признак наличия короткозамкнутого витка в обмотке статора (электрическая причина возникновения повышенных вибраций) — наличие боковой гармоники вблизи частоты 100 Гц, и ее чаще всего обнаружить не удается. В большинстве практических случаев необходимо применение более специализированных методов диагностики состояния электрических машин.

3.2.6.4. Проблемы эксцентричности пакета статора

Эксцентриситет статора возникает чаще всего как дефект изготовления «шихтованного» пакета стали статора, или как дефект монтажа статора. Очень высока вероятность возникновения эксцентриситета статора в процессе монтажа электрической машины, особенно, если статор и подшипниковые опоры монтируются раздельно. Данный дефект статора может возникнуть в результате ослабления фундамента или как итог тепловых и иных деформаций в агрегате и фундаменте.

Для примера на рисунке 3.2.6.2. приведен спектр вибросигнала, зарегистрированного на подшипнике асинхронного двигателя, имеющего номинальную  частоту вращения ротора,  равную  n₀ = 1480 об/мин. Этот спектр соответствует наличию в электрической машине достаточно развитого дефекта типа «эксцентриситет статора».

Эксцентриситет статора приводит, с точки зрения физики протекания электромагнитных процессов, к периодическому изменению магнитной проводимости воздушного зазора, к ее пульсации, или, говоря иными словами, к ее модуляции. Эта пульсация  происходит с удвоенной частотой сети, т. е. с частотой воздействия электромагнитных сил.

Удвоение частоты пульсации относительно питающей сети возникает из — за того, что мимо зоны окружности статора, где произошло изменение величины зазора, поочередно проходят и северный, и южный полюса электромагнитного поля, вращающегося в зазоре электрической машины. Удвоенные пульсации магнитной проводимости приводят к такой же пульсации магнитного потока и, как результат, к пульсации электромагнитной силы и вибрации с частотой 100 Гц.

Дополнительно несколько возрастает амплитуда гармоники на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре. Это позволяет в асинхронных двигателях хорошо дифференцировать эксцентричность статора от эксцентричности ротора, где вибрация идет с частотой вращения ротора. Для выявления этого различия необходимо наличие спектроанализатора с хорошим разрешением.

Для разделения эксцентриситетов статора и ротора в синхронной машине между собой, при диагностике следует помнить, что эксцентриситет статора неподвижен в пространстве и различен по амплитуде вибрации в направлениях измерения вибрации. Благодаря такой локализации эксцентриситет статора приводит к возникновению направленной в пространстве вибрации. Это можно выявить при помощи последовательного перемещения вибродатчика по контролируемому подшипнику «вокруг вала». Эксцентриситет же ротора всегда «вращается» вместе с ротором, поэтому он не имеет стационарного максимума при определенном значении угла установки датчика. При эксцентриситете статора такой максимум явно выражен.

Для исключения проявления эксцентриситета в вибрации электрических машин необходимо, чтобы воздушный зазор между статором и ротором должен быть неизменным по окружности. Обязательно должно соблюдаться требование к качеству взаимного монтажа статора и ротора, что различие в величине воздушного зазора вдоль окружности не должно превышать значение в 5% для асинхронных двигателей и генераторов, и не превышать 10 % для синхронных двигателей. Значение этого параметра жестко контролируется при помощи специальных щупов при монтаже электрической машины. Такая процедура измерения должна производиться при нескольких взаимных положениях ротора и статора.

3.2.6.5. Эксцентричный ротор

Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации асинхронных электрических машин. У синхронных электрических машин переменного тока этот дефект менее заметен из-за больших рабочих зазоров.

При наличии эксцентриситета ротора в характере распределения электромагнитного поля в зазоре двигателя возникает ряд особенностей. Плотность электромагнитного поля вдоль окружности зазора изменяется вместе с поворотом ротора. Это приводит, из-за переменного зазора, к неравномерности тягового усилия двигателя. При совпадении оси поля статора с зоной увеличенного зазора тяговое усилие несколько уменьшается, при этом возрастает величина частоты скольжения. При смещении оси поля в зону меньшего зазора тяговое усилие растет, частота скольжения падает. При числе пар полюсов статора, большем единицы, такой процесс повторяется «Р» раз.

Если бы мы имели очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора, то мы бы обнаружили следующее. В интервале перемещения ротора от зоны, с увеличенным зазором в сторону зоны, с уменьшенным зазором, ротор бы ускорился в своей частоте вращения на небольшое значение. На интервале перехода ротора обратно, к зоне с увеличенным зазором, ротор бы замедлился на то же значение. Конечно, таких приборов у нас нет, но это видно на спектре с большой разрешающей способностью, где появляются признаки таких изменений скорости.

На спектре вибросигнала, показанном на рисунке 3.2.6.3., вокруг основной частоты вращения ротора, должны появиться симметрично расположенные боковые пики, гармоники, напоминающие зубцы короны. Симметрия пиков относительно основной частоты достаточно хорошо понятна — это следствие «мини ускорений и мини замедлений» частоты вращения ротора вокруг своего среднего значения. Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети.

Необходимо пояснить причины проявления эксцентричности ротора на этой частоте.

Вращение эксцентричного ротора модулирует проводимость зазора с удвоенной частотой. При числе пар полюсов, равном единице частота вращения поля равна 50 Гц, удвоенная частота сети, частота электромагнитной вибрации равна 100 Гц. Эксцентричность ротора приводит к модуляции электромагнитной силы. При уменьшении числа пар полюсов частота вращения поля в зазоре уменьшится в Р раз. Переменный зазор ротора за один свой оборот будет модулировать электромагнитную силу 2 х Р раз больше частоты своего вращения, что как раз и соответствует частоте электромагнитной силы.

Эксцентричный ротор генерирует вокруг F_P и вокруг F_ЭМ семейства гармоник, представляющих из себя пики, сдвинутые на одинаковый шаг по частоте. Сдвиг между этими гармониками равен произведению частоты скольжения на число полюсов обмотки статора

DF = F_S * 2 * P

Причина такого шага между зубцами на спектре по частоте достаточно корректно объясняется. Частота скольжения есть разностная частота биений между частотой вращения поля и частотой вращения ротора. В течении одного оборота эксцентриситет ротора влияет «2 х Р» раз на тяговое усилие двигателя, которое связано с частотой скольжения ротора. Сама частота скольжения F_S иногда видна на спектре, на начальном участке, на самой низкой частоте. Она проявляется обычно в диапазоне от 0,3 до 2,0 Гц. Для ее регистрации нужен низкочастотный датчик.

Необходимо помнить, что во временном сигнале эксцентриситет ротора проявляется в виде пульсирующей вибрации, средняя частота которой располагается в диапазоне частот (или вблизи него) между F_ЭМ и гармоникой оборотной частоты ротора, по частоте чуть меньшей, чем у электромагнитной силы (порядковый номер этой гармоники ротора равен удвоенному числу пар полюсов статора). Разделить эти гармоники на спектре можно только при высоком частотном разрешении используемого анализатора вибрационных сигналов.

Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной, и в поперечной проекции вибрации. Иногда ее удается обнаружить даже и в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора не по всей его длине, а только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда в спектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно в термических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или «частичных задеваниях» ротора об неподвижные элементы, когда ротор так же начинает односторонне нагреваться.

3.2.6.6. Неправильный осевой монтаж двигателя

Принцип действия всех электрических машин переменного тока примерно одинаков - вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора (синхронные машины) или с роторными проводниками с током (асинхронные машины).

Простейший аналог, характеризующий работу синхронной электрической машины переменного тока – притяжение двух постоянных магнитов, из которых один есть вращающееся магнитное поле статора, а второй жестко зафиксирован на роторе. В асинхронной машине переменного тока все выглядит немного иначе – вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой проводники с током, которыми являются стержни короткозамкнутой клетки ротора.

В синхронном электродвигателе машине энергия подается одновременно в ротор от источника постоянного тока, и в статор из питающей промышленной сети. В асинхронном электродвигателе внешняя энергия подается только из питающей сети в статор, поэтому для работы двигателя часть энергии должна быть передана (трансформирована) через зазор во вращающийся ротор. Только в этом случае возникает электромагнитное взаимодействие между полями ротора и статора. Наличие передачи энергии через зазор объясняет необходимость максимального уменьшения воздушного зазора в асинхронных машинах, а так же их большую чувствительность этого типа электрических машин к нелинейности величины зазора между ротором и статором.

Сила взаимного притяжения между ротором и статором является векторной величиной и состоит из трех составляющих — радиальной составляющей, касательной, полезной, и осевой. Касательная составляющая электромагнитной силы в зазоре является полезной, т. к. именно она создает вращающий момент. Радиальная составляющая есть сила притяжения ротора к статору и при постоянстве величины воздушного зазора эти силы, диаметрально противоположно, взаимно компенсируются.

Рассмотрим чуть подробнее осевую составляющую сил взаимного притяжения в зазоре электрической машины. Если магнитные сердечники ротора и статора в осевом направлении расположены непосредственно друг против друга, то и суммарная осевая составляющая силы электромагнитного притяжения ротора и статора равна нулю. Иначе будет происходить в том случае, когда произойдет взаимное осевое смещении сердечников ротора и статора. При этом итоговая осевая сила не будет равна нулю, она будет стремиться вернуть ротор в исходное нейтральное положение. Чем больше будет величина осевого смещения, тем больше будет величина осевого усилия, втягивающего ротор внутрь статора.

Величина допустимого свободного осевого перемещения ротора относительно статора определяется особенностями монтажа опорных подшипников ротора. Она максимальна при использовании подшипников скольжения, и минимальна при использовании подшипников качения, особенно радиально – упорного типа.

Если осевая подвижность ротора достаточна для перемещения его в нейтральное положение, то проблем с увеличением вибраций не будет. Если же возникнет препятствие к такому осевому перемещению, то на нем возникнет значительная осевая вибрация. Частота этой вибрации, как это показано на рисунке 3.2.8.4., обычно равняется частоте электромагнитных сил. Иногда гармоники вибрации возникают и частоте вращения ротора, это зависит от состояния поверхностей в месте препятствии к осевому смещению. Наиболее часто такая проблема возникает у асинхронных электродвигателей с подшипниками качения, осевая подвижность которых почти нулевая.

Осевая вибрация в электродвигателях, оборудованных подшипниками качения, обычно возникает при следующих основных причинах:

• При осевом смещении магнитных пакетов статора и ротора, обусловленном особенностями их взаимного первичного монтажа.
• При неполной посадке подшипников на вал, или в подшипниковых щитах, после проведения ремонтных работ.
• При смещении подшипниковых щитов, или посадочных мест подшипников после выполнения ремонтных и восстановительных работ.

Вне зависимости от причины возникновения повышенных осевых усилий на опорные подшипники качения, это довольно опасный дефект. Большинство подшипников качения не предназначены для компенсации осевых усилий, и поэтому в такой ситуации достаточно быстро выходят из строя.

У подшипников скольжения обычно существует больший конструктивный «осевой разбег», поэтому осевые вибрации в них возникают гораздо реже. Кроме того, подшипники скольжения обычно используются в крупных синхронных электрических машинах, в которых вопрос компенсации осевых усилий, по причине наличия больших воздушных зазоров, стоит менее остро.

Тем не менее, и в таких условиях осевая подвижность подшипников скольжения может оказаться недостаточной для компенсации дефектов монтажа. В таком случае возникает осевая вибрация, обычно выражающаяся в возникновении трения галтели вала о торцевую поверхность подшипникового вкладыша.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике «осевых разбега», расположенных в насосе, в муфте и в электродвигателе.

Достаточно часто вал электродвигателя «утягивается в осевые вибрации» валом насоса при дефектах системы осевой разгрузки рабочего колеса насоса. Парадокс диагностики — дефект в насосе, а вибрация в двигателе.

На практике бывают случаи, когда для борьбы с осевыми вибрациями ротор в подшипниках скольжения, перед пуском, принудительно смещают в осевом направлении, например, при помощи лома, и после этого двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно, и осевые вибрации агрегата снова возрастают до прежнего значения.

3.2.6.7. Обрыв стержней ротора

Наиболее распространенным конструктивным исполнением обмотки ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с «беличьей клеткой». У такого ротора в пазах, без изоляции, забиваются медные или латунные стержни, или же пазы полностью залиты сплавом алюминия. Концы стержней, по торцам ротора, объединяются замыкающими кольцами из такого же материала.

В процессе работы, а особенно при пуске асинхронного электродвигателя, по стержням беличьей клетки протекает большой ток, и они сильно нагреваются. Частой причиной выхода из строя двигателя является нарушение контакта стержней с замыкающими кольцами, называемые в практике «отгоранием стрежней». Появление такого дефекта в отдельных стержнях приводит к увеличению нагрузки на оставшиеся стержни, дополнительному перегреву их, и также к последующему «отгоранию», и т. д. Весь этот лавинообразный процесс разрушения обмотки ротора сопровождается потерей мощности электродвигателя, к его постепенному перегреву и выходу из строя.

Выявление начальных признаков повреждений стержней клетки ротора является очень актуальной задачей и позволяет повысить надежность работы асинхронных двигателей с короткозамкнутой клеткой на роторе.

Рассмотрим особенности физических процессов и вибрационных признаков этого в роторе, имеющем характерные признаки начальной стадии данного дефекта. Будем считать, что повредился один стержень короткозамкнутой клетки.

Необходимо сразу же сказать, что спектр вибрации асинхронного электродвигателя с отгоревшим стержнем во многом похож на спектр вибрации двигателя, имеющего эксцентричный ротор. На первый взгляд между этими дефектами мало общего, но при ближайшем рассмотрении можно выявить причины возникновения сходства вибрационных сигналов, зарегистрированных на опорных подшипниках.

Как и при эксцентричном роторе, отгоревший стержень приводит к модулированию величины тягового усилия двигателя. В момент прохождения зоны отгоревшего стержня мимо электромагнитного полюса (скорее наоборот, т. к. поле асинхронного электродвигателя обгоняет ротор) тяговое усилие импульсно уменьшиться, ротор чуть-чуть замедлится. В это время под полюс поля подойдет зона бездефектного стержня, в нем за счет возросшего скольжения будет несколько больший ток, тяговое усилие также импульсно возрастет, и ротор чуть-чуть ускорится.

Эти импульсные мини ускорения и мини замедления ротора на спектре будут характеризоваться  возникновением боковых зубцов вокруг основной гармоники частоты вращения ротора. Такой спектр для двигателя с частотой вращения ротора 2920 об/мин показан на рис 3.2.6.5. Понятно, что зубец (гармоника) с чуть меньшей частотой будет соответствовать моменту времени с замедлением, а зубец (гармоника) с чуть большей частотой будет принадлежать участку времени с ускорением ротора.

Сразу же напрашивается аналогия, что если поврежденных стержней в роторе будет не один, а два, то боковых гармоник будет по две с каждой стороны оборотной частоты, если будет три дефектных стержня – три пары боковых гармоник, и так далее. Это так, и не так. Примерно в половине практических случаев такой эффект соответствия количества дефектных стержней и боковых гармоник будет соблюдаться, а в половине случаев такого количественного соответствия не будет.

Корректное описание такой особенности картины спектрального отображения «дефектных» стержней на спектре вибрационных сигналов является очень сложным, и мы его здесь опустим. Мы ограничимся простой констатацией факта, что если боковых гармоник на спектре более двух (пар), то на роторе находится больше двух отгоревших стержней, или, говоря точнее, стержней с дефектами контакта. Если боковых гармоник всего две, то количество стержней с дефектами точно не определено.

Разделить две причины повышенной вибрации, о которых мы начали рассуждение, это эксцентриситет ротора и отгоревшие стержни беличьей клетки, возможно, но только при наличии у диагноста «хорошего анализатора спектров вибрационных сигналов». В данном случае речь идет о хорошем спектральном разрешении прибора, он должен рассчитывать спектры с разрешением не хуже 3200 частотных линий. В этом случае дефекты можно разделить, учитывая особенности различия их спектрах вибрационных сигналов.

Это следующие различия:

• Характерная «корона» из зубцовых гармоник вокруг пика электромагнитной частоты F_ЭМ проявляется на спектре различно — при эксцентриситете ротора она имеется во всех режимах работы диагностируемой электрической машины. При наличии в роторе дефекта типа «дефектный стержень», корона на спектре появляется только при значительной нагрузке электрической машины, на холостом ходу она отсутствует.
• При эксцентриситете ротора «корона» практически симметрична по величинам зубцовых гармоник относительно центрального пика, а при дефектах стержней пик на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Этот факт достаточно хорошо сообразуется с картиной физических процессов. Уменьшение скорости происходит при нормальном скольжении и нормальном токе в последнем (перед дефектным) «хорошем» стержне клетки. Ускорение же ротора происходит при увеличенном скольжении, большем токе в первом «хорошем» стержне и, как результат, с большим ускорением.
• За счет колебательного «успокоения» пульсации частоты вращения ротора, после прохождения стержня с дефектом, что может возникать при определенных параметрах нагрузки на валу электродвигателя, на спектре вибрационного сигнала может возникнуть несколько гармоник частоты вращения ротора, и обычно все они окружены «коронами». Такая же картина может возникать при наличии механических или электромагнитных ослаблений в электрической машине. Параметр «электромагнитное ослабление» раскрывать мы не будем из-за его специфичности, оставив его для исследования специалистам по электрическим машинам.

В качестве численного ограничения степени проявления этого дефекта можно считать, что «короны» у исправного двигателя быть не должно. Если она появилась, и наибольший пик «короны» превысил 10 % от центрального пика — вероятность существования отгоревших стержней в обмотке ротора очень большая. Для контроля количественного значения признаков этого дефекта лучше использовать спектры с логарифмической шкалой по амплитуде. Если на нем пики «короны» будут меньше основного пика менее, чем на 20 dВ, то предполагаемый дефект имеет место. 

В заключение, подчеркивая особенности диагностики данной причине повышенной вибрации, необходимо еще раз указать, что такая диагностика возможно только с применением анализаторов спектров с высокой разрешающей способностью. Это нужно для разделения на спектре частот вращения поля, ротора и боковых гармоник. Центральный пик «короны» должен соответствовать частоте вращения ротора, а не быть равным частоте вращения поля в зазоре.

3.2.6.8. Дефекты зубцово — пазовой структуры

Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но, тем не менее, ее можно достаточно просто описать и успешно диагностировать.

Условно эту неисправность можно представить в виде ротора, у которого отсутствует один ферромагнитный зуб. Это приводит к тому, что мимо пазов статора перемещается «магнитный непериодический» элемент, наводящий в обмотке статора импульсы, число которых за один оборот будет численно равно числу пазов на статоре. На спектре вибрационного сигнала это будет представлено пиком на частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число пазов статора.

Не вдаваясь в тонкости физического описания, следует также сказать, что дефектный зуб будет модулировать и электромагнитную силу статора. Это будет происходить потому, что дважды за свой один оборот вращающееся поле «будет натыкаться» на дефект магнитной проводимости воздушного зазора двигателя, на «отсутствующий» зуб ротора. На спектре вблизи пика зубцовой частоты появятся два зеркально расположенных пика, сдвинутых относительно своего «главного пика» на частоту электромагнитной силы F_ЭМ, как уже неоднократно говорилось равную удвоенной частоте питающей сети.

Наиболее сложным для диагностики будет спектр вибрации при наличии магнитных дефектов на роторе и статоре одновременно, причем дефектов множественных. На спектре будут присутствовать зубцовые частоты ротора и статора, а также будут частоты их биения, зашумленные множественными «зеркальными» пиками.

«Положительным» при этом будет то, что при таком дефекте обычно сильно падает тяговое усилие, возрастает потребляемый ток и двигатель очень быстро выходит из строя, обычно раньше, чем персоналу удается записать спектры и выявить множественный магнитный дефект методами вибрационной диагностики.

Приборы нашего производства для диагностики электромагнитных дефектов

• ViAna-4 – универсальный 4-хканальный регистратор и анализатор вибросигналов, диагностика электромагнитных дефектов по току

Электромагнитное взаимодействие

msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>msimagelist>

	Адроны
	Альфа-распад
	Альфа-частица
	Аннигиляция
	Антивещество
	Антинейтрон
	Антипротон
	Античастицы
	Атом
	Атомная единица массы
	Атомная электростанция
	Барионное число
	Барионы
	Бета-распад
	Бетатрон
	Бета-частицы
	Бозе – Эйнштейна статистика
	Бозоны
	Большой адронный коллайдер
	Большой Взрыв
	Боттом. Боттомоний
	Брейта-Вигнера формула
	Быстрота
	Векторная доминантность
	Великое объединение
	Взаимодействие частиц
	Вильсона камера
	Виртуальные частицы
	Водорода атом
	Возбуждённые состояния ядер
	Волновая функция
	Волновое уравнение
	Волны де Бройля
	Встречные пучки
	Гамильтониан
	Гамма-излучение
	Гамма-квант
	Гамма-спектрометр
	Гамма-спектроскопия
	Гаусса распределение
	Гейгера счётчик
	Гигантский дипольный резонанс
	Гиперядра
	Глюоны
	Годоскоп
	Гравитационное взаимодействие
	Дейтрон
	Деление атомных ядер
	Детекторы частиц
	Дирака уравнение
	Дифракция частиц
	Доза излучения
	Дозиметр
	Доплера эффект
	Единая теория поля
	Зарядовое сопряжение
	Зеркальные ядра
	Избыток массы (дефект массы)
	Изобары
	Изомерия ядерная
	Изоспин
	Изоспиновый мультиплет
	Изотопов разделение
	Изотопы
	Ионизирующее излучение
	Искровая камера
	Квантовая механика
	Квантовая теория поля
	Квантовые операторы
	Квантовые числа
	Квантовый переход
	Квант света
	Кварк-глюонная плазма
	Кварки
	Коллайдер
	Комбинированная инверсия
	Комптона эффект
	Комптоновская длина волны
	Конверсия внутренняя
	Константы связи
	Конфайнмент
	Корпускулярно волновой дуализм
	Космические лучи
	Критическая масса
	Лептоны
	Линейные ускорители
	Лоренца преобразования
	Лоренца сила
	Магические ядра
	Магнитный дипольный момент ядра
	Магнитный спектрометр
	Максвелла уравнения
	Масса частицы
	Масс-спектрометр
	Массовое число
	Масштабная инвариантность
	Мезоны
	Мессбауэра эффект
	Меченые атомы
	Микротрон
	Нейтрино
	Нейтрон
	Нейтронная звезда
	Нейтронная физика
	Неопределённостей соотношения
	Нормы радиационной безопасности
	Нуклеосинтез
	Нуклид
	Нуклон
	Обращение времени
	Орбитальный момент
	Осциллятор
	Отбора правила
	Пар образование
	Период полураспада
	Планка постоянная
	Планка формула
	Позитрон
	Поляризация
	Поляризация вакуума
	Потенциальная яма
	Потенциальный барьер
	Принцип Паули
	Принцип суперпозиции
	Промежуточные W-, Z-бозоны
	Пропагатор
	Пропорциональный счётчик
	Пространственная инверсия
	Пространственная четность
	Протон
	Пуассона распределение
	Пузырьковая камера
	Радиационный фон
	Радиоактивность
	Радиоактивные семейства
	Радиометрия
	Расходимости
	Резерфорда опыт
	Резонансы (резонансные частицы)
	Реликтовое микроволновое излучение
	Светимость ускорителя
	Сечение эффективное
	Сильное взаимодействие
	Синтеза реакции
	Синхротрон
	Синхрофазотрон
	Синхроциклотрон
	Система единиц измерений
	Слабое взаимодействие
	Солнечные нейтрино
	Сохранения законы
	Спаривания эффект
	Спин
	Спин-орбитальное взаимодействие
	Спиральность
	Стандартная модель
	Статистика
	Странные частицы
	Струи адронные
	Субатомные частицы
	Суперсимметрия
	Сферическая система координат
	Тёмная материя
	Термоядерные реакции
	Термоядерный реактор
	Тормозное излучение
	Трансурановые элементы
	Трек
	Туннельный эффект
	Ускорители заряженных частиц
	Фазотрон
	Фейнмана диаграммы
	Фермионы
	Формфактор
	Фотон
	Фотоэффект
	Фундаментальная длина
	Хиггса бозон
	Цвет
	Цепные ядерные реакции
	Цикл CNO
	Циклические ускорители
	Циклотрон
	Чарм. Чармоний
	Черенковский счётчик
	Черенковсое излучение
	Черные дыры
	Шредингера уравнение
	Электрический квадрупольный момент ядра
	Электромагнитное взаимодействие
	Электрон
	Электрослабое взаимодействие
	Элементарные частицы
	Ядерная физика
	Ядерная энергия
	Ядерные модели
	Ядерные реакции
	Ядерный взрыв
	Ядерный реактор
	Ядра энергия связи
	Ядро атомное
	Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Природа электромагнитных волн

Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет — это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.

Точное описание электромагнитных волн и их распространения дают уравнения Максвелла. Однако качественно этот процесс можно объяснить без всякой математики. Возьмем покоящийся электрон — почти точечный отрицательный электрический заряд. Вокруг себя он создает электростатическое поле, которое влияет на другие заряды. На отрицательные заряды действует сила отталкивания, на положительные — сила притяжения, причем все эти силы направлены строго по радиусам, идущим от нашего электрона. С расстоянием влияние электрона на другие заряды ослабевает, но никогда не падает до нуля. Иначе говоря, во всем бесконечном пространстве вокруг себя электрон создает радиальное силовое поле (это верно лишь для электрона, который вечно покоится в одной точке).

Допустим, некая сила (не будем уточнять ее природу) неожиданно нарушила покой электрона и заставила его сдвинуться немного в сторону. Теперь силовые линии должны расходиться из нового центра, куда переместился электрон. Но электрическое поле, окружающее заряд, мгновенно перестроиться не может. На достаточно большом расстоянии силовые линии еще долго будут указывать на первоначальное местоположение заряда. Так будет до тех пор, пока не подойдет волна перестройки электрического поля, которая распространяется со скоростью света. Это и есть электромагнитная волна, а ее скорость есть фундаментальное свойство пространства в нашей Вселенной. Конечно, это описание крайне упрощено, а кое-что в нем даже просто неверно, но оно дает первое впечатление о том, как распространяются электромагнитные волны.

Неверно же в этом описании вот что. Описанный процесс на самом деле не является волной, то есть распространяющимся периодическим колебательным процессом. Распространение у нас есть, а вот колебаний нет. Но этот недостаток очень легко поправить. Заставим ту же силу, которая вывела электрон из первоначального положения, сразу же вернуть его на место. Тогда за первой перестройкой радиального электрического поля сразу последует вторая, восстанавливающая исходное положение дел. Пусть теперь электрон периодически повторяет это движение, и тогда по радиальным силовым линиям электрического поля во все стороны побегут настоящие волны. Эта картина уже много лучше первой. Впрочем, она тоже не вполне верна — волны получаются чисто электрическими, а не электромагнитными.

Тут самое время вспомнить о законе электромагнитной индукции: изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. Эти два поля как бы сцеплены друг с другом. Как только мы создаем волнообразное изменение электрического поля, так сразу же к нему добавляется и магнитная волна. Разделить эту пару волн невозможно — это единое электромагнитное явление.

Можно и дальше уточнять описание, постепенно избавляясь от неточностей и грубых приближений. Если довести это дело до конца, мы как раз и получим уже упомянутые уравнения Максвелла. Но давайте остановимся на полпути, потому что для нас пока важно лишь качественное понимание вопроса, а все основные моменты уже ясны из нашей модели. Главный из них — независимость распространения электромагнитной волны от ее источника.

В самом деле, волны электрического и магнитного полей, хотя и возникли благодаря колебаниям заряда, но вдали от него распространяются совершенно самостоятельно. Что бы ни случилось с зарядом-источником, сигнал об этом не догонит уходящую электромагнитную волну — ведь он будет распространяться не быстрее света. Это позволяет нам рассматривать электромагнитные волны как самостоятельные физические явления наряду с зарядами, которые их порождают.

Далее: Частота и длина волны

Силы в природе — Класс!ная физика

Силы в природе

Подробности

Просмотров: 577

«Физика — 10 класс»

В главе 2 мы ввели понятие силы как количественной меры действия одного тела на другое.
В этой главе мы рассмотрим, какие силы рассматриваются в механике, чем определяются их значения.

Много ли видов сил существует в природе?
Перечислите известные вам силы.
Какую природу они имеют — гравитационную или электромагнитную?

На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне её бесконечное множество.
Они взаимодействуют по-разному.

Так, например, камень падает на Землю; электровоз тянет поезд; нога футболиста ударяет по мячу; потёртая о мех эбонитовая палочка притягивает лёгкие бумажки, магнит притягивает железные опилки; проводник с током поворачивает стрелку компаса; взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звёзды и звёздные системы, луч света отражается от зеркала и т. д.
Подобным примерам нет конца.

Похоже, что в природе существует бесконечное множество взаимодействий (сил)?
Оказывается, нет!

Четыре типа сил.

В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом веществе, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц мы встречаемся с проявлением всего лишь четырёх типов сил: гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.

Гравитационные силы, или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами, имеющими массу, — все тела притягиваются друг к другу.

Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна.
Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.

Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды.

Сфера их действия особенно обширна и разнообразна.

В атомах, молекулах, твёрдых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными.
Такие, казалось бы, чисто механические силы, как силы трения и упругости, имеют электромагнитную природу.
Велика их роль в атомах.

Ядерные силы действуют между частицами в атомных ядрах и определяют свойства ядер.

Область действия ядерных сил очень ограничена.

Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10^-15 м).
Уже на расстояниях между частицами порядка 10^-13 м (в тысячу раз меньших размеров атома — 10^-10 м) они не проявляются совсем.

Слабые взаимодействия вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.

Они проявляются на ещё меньших расстояниях, порядка 10^-17 м.

Ядерные силы — самые мощные в природе.

Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10^-2, гравитационных — 10-40, слабых взаимодействий — 10^-16.

Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействий измеряется в единицах энергии (в электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется многовековой традицией все явления в окружающем мире объяснять действием характерных для каждого явления «сил».

В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.

Силы в механике.

В механике обычно имеют дело с тремя видами сил — силами тяготения, силами упругости и силами трения.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Динамика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Основное утверждение механики — Сила — Инертность тела. Масса. Единица массы — Первый закон Ньютона — Второй закон Ньютона — Принцип суперпозиции сил — Примеры решения задач по теме «Второй закон Ньютона» — Третий закон Ньютона — Геоцентрическая система отсчёта — Принцип относительности Галилея. Инвариантные и относительные величины — Силы в природе — Сила тяжести и сила всемирного тяготения — Сила тяжести на других планетах — Примеры решения задач по теме «Закон всемирного тяготения» — Первая космическая скорость — Примеры решения задач по теме «Первая космическая скорость» — Вес. Невесомость — Деформация и силы упругости. Закон Гука — Примеры решения задач по теме «Силы упругости. Закон Гука» — Силы трения — Примеры решения задач по теме «Силы трения» — Примеры решения задач по теме «Силы трения» (продолжение) —

8 примеров электромагнитной силы в реальной жизни — StudiousGuy

Электромагнитная сила — это раздел физики, который имеет дело с силой, существующей между двумя электрически заряженными частицами. Это одна из четырех основных сил. Как следует из названия, электромагнитная сила представляет собой комбинацию электрических и магнитных сил. В зависимости от характера зарядов, которыми обладают два тела, электромагнитная сила может быть притягивающей или отталкивающей.Когда через проводник проходит значительный ток, поперек проводника создается магнитное поле. Этот процесс известен как электромагнетизм. Электромагнитная сила также известна как сила Лоренца.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Примеры

1. Уловка с воздушным шаром для вечеринки

Когда человек трется шариком о волосы, электроны оседают на внешней поверхности шарика, вызывая образование статического заряда.Существует взаимодействие между зарядом, возникающим на воздушном шаре, и зарядом, присутствующим на стенке. Этого взаимодействия заряда, называемого электромагнитной силой, достаточно, чтобы прикрепить шар к стене.

2. Громкоговоритель

Динамики с постоянным магнитом используются для преобразования электрической энергии в звуковую. Он работает по принципу электромагнетизма. Он состоит из металлической катушки, соединенной с постоянным магнитом.Когда ток проходит через эту проводящую катушку, вокруг нее создается магнитное поле, которое нарушает уже существующее магнитное поле вокруг постоянного магнита. Это приводит к развитию вибраций, которые преобразуются в звуковую энергию. Звук можно еще больше усилить с помощью конической конструкции, прикрепленной к передней части громкоговорителя.

3. Телевидение

Электронно-лучевые телевизоры используют электромагнитную силу для отображения изображения на экране.Отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, проходят между двумя медными катушками управления. Поток электронов создает магнитное поле, которое заставляет заряженные частицы отклоняться. Одна из катушек отвечает за горизонтальное движение, а другая за вертикальное. Эти отклоненные электроны попадают на экран, заставляя фосфоресцирующее покрытие светиться и воспроизводить изображение.

4. Химическая связь

Электромагнитная сила играет ключевую роль в образовании химической связи между двумя или более элементами.Обычно химические соединения образуются посредством ионной связи, металлической связи или ковалентной связи. Электромагнитная сила действует как связывающая сила, которая удерживает атомы различных элементов на месте.

5. Молекулы

Электромагнитная сила играет очень важную роль в установлении межмолекулярной силы между двумя атомами. Эта сила несет единоличную ответственность за связывание двух атомов вместе. Следовательно, в отсутствие электромагнитной силы молекулы не смогут достичь устойчивого состояния.

6. Кран

Промышленное применение электромагнитной силы можно четко увидеть в кранах, которые используются для сбора металлических предметов. Электромагнитный кран состоит из большого металлического диска, обернутого проволокой. Ток подается через этот намотанный снаружи провод, который соответственно намагничивает или размагничивает металлическую головку. Это магнитное поле, возникающее из-за протекания тока через провод, можно затем использовать для притягивания и захвата тяжелых металлических предметов.

7. Порошковое покрытие

Порошковое покрытие — это нанесение слоя заряженных частиц на основную подложку. Разница в зарядах основного покрытия и вторичного покрытия устанавливает взаимодействие или электромагнитную силу. Частицы порошка притягиваются к противоположно заряженным частицам. Это помогает увеличить срок службы краски, нанесенной на объекты. Электростатическое порошковое покрытие выгодно, потому что оно не требует использования каких-либо растворителей.

8. Двери

Электромагнитные двери наиболее популярны в местах, где требуется высокий уровень безопасности. К краю проема двери прикрепляют кусок кондуктора. Кроме того, он подключен к электрической цепи с помощью проводящего провода. Ток проходит через провод, который отвечает за намагничивание и размагничивание проводника соответственно. Намагниченные части проводника помогают закрыть дверь с большой силой.Дверь открывается только тогда, когда части проводника теряют магнитную энергию. Намагничивание можно легко контролировать, подключив переключатель к цепи подачи тока. Следовательно, это позволяет ответственному за охрану лицу контролировать людей, входящих в помещение.

Что такое электромагнитная сила? | Sciencing

Обновлено 2 ноября 2020 г.

Ли Джонсон

Вся сложность Вселенной вокруг нас в конечном итоге происходит от четырех фундаментальных сил: гравитации, сильного ядерного взаимодействия, слабого ядерного взаимодействия и электромагнетизма.Электромагнетизм может быть сложной темой для изучения, но основы того, что такое сила и как она работает, довольно просты, а закон силы Лоренца, в частности, подскажет вам ключевые моменты, которые вам необходимо понять. Короче говоря, электромагнитная сила заставляет разнородные заряды — положительные и отрицательные — притягиваться друг к другу, а непохожие заряды — отталкиваться.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Электромагнетизм — одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной.Он описывает, как заряженные частицы реагируют на электрические и магнитные поля, а также основные связи между ними. Электромагнитная сила, как и все силы, измеряется в Ньютонах.

Электростатические силы описываются законом Кулона, а электрические и магнитные силы подпадают под действие закона силы Лоренца. Однако четыре уравнения Максвелла обеспечивают наиболее подробное описание электромагнетизма.

Электромагнетизм: основы

Термин электромагнетизм объединяет электрические и магнитные силы в одно слово, потому что обе силы возникают из-за одного и того же основного явления.«Заряженные» частицы генерируют электрические поля, и положительные и отрицательные заряды по-разному реагируют на это поле, что объясняет наблюдаемую нами силу. При электрическом взаимодействии положительно заряженные частицы (например, протоны) отталкивают положительно заряженные частицы и притягивают отрицательно заряженные (например, электроны) и наоборот. Линии электрического поля распространяются прямо наружу от положительных электрических зарядов, и это толкает частицы в направлении силовых линий или в направлении, противоположном направлению.

Магнетизм возникает из-за магнитных полей, которые генерируются движущимися зарядами. Частицы не реагируют на магнитные поля так, как на электрические. Линии магнитного поля образуют круги без начала и конца. В ответ на них частицы движутся в направлении, перпендикулярном их движению и силовой линии. Как и в случае с электрическими силами, положительно заряженные частицы и отрицательно заряженные частицы движутся в противоположных направлениях.

Электромагнитная сила — вторая по силе сила в природе.Сильное ядерное взаимодействие является самым сильным, электромагнитное взаимодействие в 137 раз меньше, слабое ядерное взаимодействие в миллион раз меньше, а гравитация намного, намного меньше остальных (примерно в 6 × 10 ^{— 39} раз слабее, чем сильное ядерное взаимодействие).

Электростатические силы и закон Кулона

«Электростатическая сила» относится к электрической силе, создаваемой неподвижными зарядами. Он описывается простым уравнением, известным как закон Кулона.2}

Здесь F означает силу, k — константа, q ₁ и q ₂ — заряды, а r расстояние между ними. Большие заряды создают большую силу, а большее разделение ослабляет силу силы. Как и все силы, электромагнитная сила измеряется в Ньютонах (Н). Константа k имеет конкретное значение, 9 × 10 ⁹ Н м ² / C ² .Заряд измеряется в кулонах (C), и вы вводите знак заряда (+ или -) вместе с силой, поэтому уравнение имеет положительное значение для отталкивания и отрицательное для притяжения.

Закон силы Лоренца

Закон силы Лоренца включает в себя как магнитные, так и электрические силы, поэтому он является одним из лучших представлений электромагнитной силы. Закон гласит:

\ bold {F} = q (\ bold {E} + \ bold {v} \ times \ bold {B})

Где E — магнитное поле, v — скорость частицы, а B — магнитное поле.Они выделены жирным шрифтом, потому что это векторы, которые имеют направление, а также силу, а символ × представляет собой векторное произведение, а не простое умножение. Уравнение говорит нам, что полная сила является суммой электрического поля и векторного произведения скорости частицы и магнитного поля, умноженных на заряд частицы. Векторное произведение создает силу в направлении, перпендикулярном обоим, в соответствии с предыдущим разделом.

Электромагнетизм в действии: атомы, свет, электричество и многое другое

Электромагнетизм проявляется во многих формах в повседневной жизни и в физике. Атомы удерживаются вместе за счет электромагнитного притяжения между протонами в ядре и электронами, вращающимися вокруг него. Свет — это электромагнитная волна, в которой колеблющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, создает электрическое поле и т. Д. Это предсказывается уравнениями Максвелла (четыре уравнения, которые объясняют все об электромагнетизме на языке векторного исчисления), включая характерную скорость, с которой он движется.

Электромагнетизм также отвечает за электричество, питающее ваш экран и устройство, на котором вы читаете, с потоком электронов, движущимся по линиям электрического поля, обеспечивая энергию. Эти примеры лишь поверхностно затрагивают широкий круг явлений, объясняемых электромагнетизмом.

Введение в электромагнитную силу

Источник

Это третий пост в нашей серии о Четырех фундаментальных силах во Вселенной. Если это первое сообщение, которое вы прочитали на данный момент, обратите внимание на эти два:

В этом посте мы собираемся исследовать электромагнитную силу и понять, почему она важна для всего, что нас окружает.Мы разделим его на две части: Electrostatic Force и Magnetic Force . Наслаждаться!

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила — это сила, которая возникает между электрически заряженными частицами, такими как электроны, и описывается в электростатике как положительная или отрицательная. Объекты с противоположными зарядами создают между собой силу притяжения, а объекты с одинаковым зарядом создают силу отталкивания. Следовательно, чем больше заряд, тем больше сила и больше расстояние между заряженными объектами [Источник].

Это было развито физиком Шарлем Кулоном, которого вы, возможно, помните из закона Кулона .

K _e — постоянная Кулона, q ₁ и q ₂ — величины зарядов, а r — расстояние между зарядами [Источник].

Закон Кулона определяет количество силы между двумя неподвижными (электрически) заряженными частицами. Электрическая сила между этими двумя частицами известна как электростатическая сила .Это притяжение описывает, как протоны (положительно заряженные) в ядре и не дают вращающимся электронам (отрицательно заряженным) просто покинуть атом. Другими словами, это то, что удерживает атом вместе. Есть особая частица, которая передает эту силу — фотон . Если вы не совсем уверены в том, что такое фотон, ознакомьтесь с предыдущими публикациями в нашем блоге по этой теме [1, 2, 3].

Электростатическая сила

Электростатическая сила, как видно из названия, — это сила, при которой заряды неподвижны (или находятся в состоянии покоя).Более техническое объяснение состоит в том, что сила, действующая от одного заряженного тела к другому (заряженному или незаряженному), является электростатической силой (источником). Это называется статической силой, потому что она может накапливать заряд в объекте, создавая таким образом много потенциальной энергии, готовой перемещаться из одного места в другое. Представьте воздушный шар, которым вы натираете шерстяной свитер. Здесь поверхностные электроны из шерстяного свитера перепрыгивают на резиновый шар. Если бы вы попробовали это дома, вы бы увидели, что воздушный шар через некоторое время прилипнет к вашему свитеру из-за силы притяжения между ними — электростатической силы.

Но это выходит за рамки воздушных шаров. Электростатическая сила накапливается в дождевых облаках, когда они трутся друг о друга, и этот избыточный отрицательный заряд ищет протоны, чтобы нейтрализовать их. О чем мы говорим? Молния !

Источник

Итак, это поток электронов, пытающихся найти положительное место для приземления, и когда электроны текут, они создают магнитное поле .

Магнитная сила

Проще говоря, можно сказать, что магнитная сила — это причина того, почему магнит работает так, как он работает.Хотя важно знать, что, хотя мы смотрим на электростатическую силу, накопление заряда и магнитную силу, магнитное поле, на самом деле они представляют собой одну и ту же силу — электромагнитную силу. Как мы помним, электромагнетизм воздействует на объекты, обладающие зарядом, создавая вокруг них электростатическое поле, которое может быть как положительным, так и отрицательным, в то время как магнитное поле имеет как положительный, так и отрицательный полюс. Магнитные полюса работают так же, как заряженные частицы, которые притягиваются противоположными полюсами, а те же полюса отталкиваются друг от друга.Магнитная сила, конечно, переносится фотонами между объектами, поскольку это та же сила. Чтобы понять, почему электростатическая и магнитная силы на самом деле одно и то же, давайте рассмотрим пример. Если у вас есть катушка из проволоки вокруг металла, при которой через провод проходит ток, он создает магнитное поле, как мы видим на гифке ниже.

Источник

Так как бы это было наоборот? Могли бы вы генерировать электрический ток, используя изменяющийся образец магнетизма? Абсолютно! Если вы используете ту же катушку, поместите ее в магнитное поле и раскрутите провод (или магнит), электричество будет течь через провод.Это основная причина, по которой у нас есть электричество сегодня, и оно вырабатывается таким образом из таких источников, как ветер, уголь, атомная энергия, гидроэлектроэнергия и другие. Самым распространенным неэлектромагнитным источником энергии является солнечная энергия, но это другая история.

Заключительные слова

Итак, вот и основная причина, по которой у нас есть электроэнергия, и важный компонент, по которому атом держится вместе. Следите за нашей следующей и последней фундаментальной силой — гравитацией. А пока посмотрите эту серию на YouTube, которая послужила источником вдохновения для этой серии.Зайдите в ближайшее время!

Электромагнитная сила: определение и характеристики

Электростатические силы и закон Кулона

Все электрические заряды действуют электростатических сил друг на друга, независимо от того, движутся они или неподвижны. Электростатические силы могут заставить заряды отталкиваться друг от друга или притягиваться друг к другу. Если два заряда одинаковы (либо положительные, либо отрицательные), они будут отталкивать друг друга, но если они разные (один положительный и один отрицательный), они будут притягиваться друг к другу.

Одни и те же заряды будут отталкивать друг друга, в то время как разные заряды будут притягиваться.

Каким образом будет приложена БОЛЬШАЯ сила, зависит от нескольких вещей. Если заряды сближаются, сила увеличивается, а если они расходятся дальше, она уменьшается, поэтому величина силы обратно пропорциональна расстоянию между зарядами. Величина силы также зависит от величины двух зарядов.По мере увеличения заряда увеличивается и сила.

Математически вы можете рассчитать электромагнитную силу между любыми двумя зарядами, используя закон Кулона , где k — константа, q1 и q2 — два количественных заряда (измеренные в кулонах) и r — расстояние между ними (измеряется в метрах):

Чтобы вычислить электростатическую силу между двумя заряженными частицами, вам необходимо знать электростатическую постоянную (k), количество заряда на каждой частице (q 1 и q 2) и расстояние между частицами (r).

Использование закона Кулона

Итак, что произойдет с силой между двумя заряженными частицами, если вы удвоите количество заряда на q1?

Согласно закону Кулона, если вы удвоите заряд одной из частиц, то сила также будет удвоена.

А что, если бы вы удвоили расстояние между двумя заряженными частицами?

В этом случае сила снизится.Фактически, она будет уменьшена до одной четвертой от первоначальной стоимости.

Движущиеся заряды и магнетизм

Электростатические силы присутствуют всякий раз, когда есть заряды, но если эти заряды ДВИГАЮТСЯ, то происходит что-то действительно интересное. Они тоже становятся магнитными! Движущиеся заряды оказывают друг на друга магнитных сил, а также электростатические силы. Чем быстрее движутся заряды, тем больше становится магнитная сила.

Стационарные заряды могут создавать электрические поля и электростатические силы, а ДВИЖУЩИЕСЯ заряды также могут создавать магнитные поля и силы.

Резюме урока

Одна из самых мощных сил во Вселенной, электромагнитные силы — это силы, действующие между заряженными частицами. Электромагнетизм отвечает за создание атомных связей, производство света и радиоволн, выработку электричества, а также за другие обязанности.Стационарные электрические заряды оказывают друг на друга электростатических сил . Величину электростатической силы между двумя заряженными частицами можно рассчитать с помощью закона Кулона:

Помимо электростатических сил, движущиеся заряды могут также воздействовать друг на друга магнитными силами .

Расширенная тема: Четыре основных силы — введение

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Поймите четыре основные силы, лежащие в основе процессов в природе.

Одно из самых замечательных упрощений в физике состоит в том, что всего четыре различных силы объясняют все известные явления. Фактически, почти все силы, с которыми мы сталкиваемся напрямую, обусловлены только одной базовой силой, называемой электромагнитной силой. (Гравитационная сила — единственная сила, которую мы испытываем напрямую, но не электромагнитная.) Это огромное упрощение множества из , по-видимому, различных сил, которые мы можем перечислить, лишь некоторые из которых обсуждались в предыдущем разделе.Как мы увидим, считается, что все основные силы действуют посредством обмена микроскопическими частицами-носителями, а характеристики основных сил определяются типами обмениваемых частиц. Действие на расстоянии, такое как гравитационная сила Земли на Луне, объясняется существованием силового поля , а не «физическим контактом».

Четыре основных силы — это гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила.Их свойства приведены в Таблице 1. Поскольку слабые и сильные ядерные взаимодействия действуют на очень коротком расстоянии, размером с ядро ​​или меньше, мы не испытываем их напрямую, хотя они имеют решающее значение для самой структуры материи. Эти силы определяют, какие ядра стабильны, а какие распадаются, и они являются основой высвобождения энергии в определенных ядерных реакциях. Ядерные силы определяют не только стабильность ядер, но и относительное содержание элементов в природе.Свойства ядра атома определяют количество электронов, которые оно имеет, и, таким образом, косвенно определяют химию атома. Подробнее обо всех этих темах будет сказано в следующих главах.

Концептуальные связи: четыре основных силы

Таблица 1. Свойства четырех основных сил

Усилие	Приблизительная относительная сила	Диапазон	Притяжение / Отталкивание	Несущая Частица
Гравитационный	10 −38	∞	только привлекательные	Гравитон
Электромагнитный	10 –2	∞	привлекательный и отталкивающий	Фотон
Слабая ядерная	10 –13	<10 –18 м	привлекательный и отталкивающий	Вт + , Вт —, Z 0
Сильная ядерная	1	<10 –15 м	привлекательный и отталкивающий	глюона

Гравитационная сила на удивление мала — мы вообще замечаем ее только потому, что гравитация всегда притягательна.Наш вес — это гравитационная сила из-за всей Земли, действующей на нас. В очень большом масштабе, как в астрономических системах, сила тяжести является доминирующей силой, определяющей движение лун, планет, звезд и галактик. Гравитационная сила также влияет на природу пространства и времени. Как мы увидим позже при изучении общей теории относительности, пространство искривлено вблизи очень массивных тел, таких как Солнце, а время фактически замедляется вблизи массивных тел.

Электромагнитные силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это силы дальнего действия, которые действуют на чрезвычайно больших расстояниях и почти компенсируются для макроскопических объектов. (Помните, что важна чистая внешняя сила , .) Если бы они не компенсировались, электромагнитные силы полностью подавили бы гравитационную силу. Электромагнитная сила — это комбинация электрических сил (например, вызывающих статическое электричество) и магнитных сил (например, действующих на стрелку компаса).Эти две силы считались совершенно разными до начала XIX века, когда ученые начали обнаруживать, что они являются разными проявлениями одной и той же силы. Это открытие является классическим случаем объединения сил . Точно так же трение, натяжение и все другие классы сил, которые мы испытываем напрямую (кроме гравитации, конечно), возникают из-за электромагнитных взаимодействий атомов и молекул. Однако по-прежнему удобно рассматривать эти силы по отдельности в конкретных приложениях из-за того, как они проявляются.

Концептуальные связи: объединяющие силы

Попытки объединить четыре основные силы обсуждаются применительно к элементарным частицам далее в этом тексте. Под «объединением» мы подразумеваем нахождение связей между силами, которые показывают, что они являются различными проявлениями одной силы. Даже если такое объединение будет достигнуто, силы сохранят свои отдельные характеристики в макроскопическом масштабе и могут быть идентичными только в экстремальных условиях, подобных тем, которые существовали в ранней Вселенной.

Физики сейчас изучают, связаны ли четыре основные силы каким-либо образом. Попытки объединить все силы в одну подпадают под рубрику Теорий Великого Объединения (GUT), с которыми в последние годы были достигнуты определенные успехи. Теперь известно, что в условиях чрезвычайно высокой плотности и температуры, которые существовали в ранней Вселенной, электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия неразличимы. Теперь их можно рассматривать как разные проявления одной силы, называемой электрослабой силой .Таким образом, список из четырех в некотором смысле сократился до трех. Дальнейший прогресс в объединении всех сил оказывается трудным — особенно включение гравитационной силы, которая имеет особые характеристики воздействия на пространство и время, в которых существуют другие силы. Хотя объединение сил не повлияет на то, как мы обсуждаем силы в этом тексте, удивительно, что такая лежащая в основе простота существует перед лицом явной сложности Вселенной. Нет причин, по которым природа должна быть простой — это просто так.

Действие на расстоянии: концепция поля

Все силы действуют на расстоянии. Это очевидно для гравитационной силы. Например, Земля и Луна взаимодействуют, не соприкасаясь. То же верно и для всех остальных сил. Например, трение — это электромагнитная сила между атомами, которая на самом деле не может касаться друг друга. Что переносит силы между объектами? Один из способов ответить на этот вопрос — представить, что силовое поле окружает любой объект, создающий силу.Второй объект (часто называемый тестовым объектом ), помещенный в это поле, будет испытывать силу, которая является функцией местоположения и других переменных. Само поле — это «вещь», которая переносит силу от одного объекта к другому. Поле определяется как характеристика объекта, его создающего; поле не зависит от помещенного в него тестового объекта. Например, гравитационное поле Земли зависит от массы Земли и расстояния от ее центра, независимо от наличия других масс.Концепция поля полезна, потому что уравнения могут быть записаны для силовых полей, окружающих объекты (для гравитации это дает w = mg на поверхности Земли), и движения могут быть рассчитаны по этим уравнениям. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. Электрическое силовое поле между положительно заряженной частицей и отрицательно заряженной частицей. Когда положительный испытательный заряд помещается в поле, на заряд будет действовать сила в направлении силовых линий поля.

Концептуальные связи: силовые поля

Концепция силового поля также используется в связи с электрическим зарядом и представлена ​​в разделах «Электрический заряд» и «Электрическое поле».Это также полезная идея для всех основных сил, как будет показано в Физике элементарных частиц. Поля помогают нам визуализировать силы и то, как они передаются, а также точно описывать их и связывать силы с субатомными частицами-носителями.

Концепция месторождения была применена очень успешно; мы можем рассчитывать движения и описывать природу с высокой точностью, используя уравнения поля. Однако сколь бы полезной ни была концепция поля, она оставляет без ответа вопрос о том, что несет в себе силу.В последние десятилетия, начиная с работы Хидеки Юкавы (1907–1981) о сильном ядерном взаимодействии, в 1935 году было предложено, что все силы передаются посредством обмена элементарными частицами. Мы можем визуализировать обмен частицами как аналог макроскопических явлений, таких как два человека, передающие баскетбольный мяч взад и вперед, тем самым создавая силу отталкивания, не касаясь друг друга. (См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Обмен масс, приводящий к силам отталкивания. (a) Человек, бросающий баскетбольный мяч, прилагает к нему силу F _p1 по направлению к другому человеку и ощущает силу реакции F _B вдали от второго человека.(b) Человек, ловящий баскетбольный мяч, прикладывает к нему силу Fp2, чтобы остановить мяч, и ощущает силу реакции F ‘ _B вдали от первого человека. (c) Аналогичный обмен мезоном между протоном и нейтроном несет между ними сильные ядерные силы F _exch и F ‘ _exch . Сила притяжения также может проявляться посредством обмена массой — если человек 2 оттягивает баскетбольный мяч от первого человека, когда он пытается удержать его, тогда сила между ними будет притягивающей.

Эта идея обмена частицами скорее углубляет, чем противоречит концепциям поля. С философской точки зрения более приятно думать о чем-то физическом, действительно движущемся между объектами, действующими на расстоянии. В таблице 1 перечислены обменные или частицы-носители , как наблюдаемые, так и предполагаемые, которые переносят четыре силы. Но настоящий плод предложения об обмене частицами состоит в том, что поиски частицы, предложенной Юкавой, обнаружили ее и ряд других, которые были совершенно неожиданными, что стимулировало дальнейшие исследования.Все эти исследования в конечном итоге привели к предложению кварков в качестве основной субструктуры материи, что является основным принципом GUT. В случае успеха эти теории объяснят не только силы, но и структуру самой материи. Однако физика — экспериментальная наука, поэтому проверка этих теорий должна проводиться в реальном мире. На момент написания этой статьи ученые лаборатории CERN в Швейцарии начали проверять эти теории с помощью самого большого в мире ускорителя элементарных частиц: Большого адронного коллайдера.Этот ускоритель (27 км в окружности) позволяет двум пучкам протонов высокой энергии, движущимся в противоположных направлениях, сталкиваться. Будет доступна энергия в 14 миллионов электрон-вольт. Ожидается, что будут обнаружены некоторые новые частицы, возможно, частицы-носители силы. (См. Рис. 3.) Одним из представляющих большой интерес переносчиков силы, который надеются обнаружить исследователи, является бозон Хиггса. Наблюдение за его свойствами может сказать нам, почему разные частицы имеют разные массы.

Рисунок 3.Самый большой в мире ускоритель элементарных частиц находится на границе между Швейцарией и Францией. Два луча, движущиеся в противоположных направлениях, близких к скорости света, сталкиваются в трубе, подобной показанной здесь центральной трубе. Внешние магниты определяют путь луча. Специальные детекторы будут анализировать частицы, созданные в этих столкновениях. Будут исследованы такие широкие вопросы, как происхождение массы и что было материей в первые несколько секунд существования нашей Вселенной. Этот ускоритель введен в предварительную эксплуатацию в 2008 году.(кредит: Фрэнк Хоммс)

Крошечные частицы также имеют волнообразное поведение, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. Чтобы лучше понять частицы-носители силы с другой точки зрения, давайте рассмотрим гравитацию. Поиск гравитационных волн ведется уже несколько лет. Почти 100 лет назад Эйнштейн предсказал существование этих волн в рамках своей общей теории относительности. Гравитационные волны возникают при столкновении массивных звезд, в черных дырах или при взрывах сверхновых — как ударные волны.Эти гравитационные волны будут перемещаться в космосе из таких мест, подобно тому, как галька, брошенная в пруд, испускает рябь, за исключением того, что эти волны движутся со скоростью света. В США был построен детекторный прибор, состоящий из двух больших установок на расстоянии почти 3000 км друг от друга — в штате Вашингтон и в Луизиане! Объект называется Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO). Каждая установка предназначена для использования оптических лазеров для изучения любого небольшого сдвига во взаимном расположении двух масс из-за воздействия гравитационных волн.Эти две площадки позволяют проводить одновременные измерения этих небольших эффектов отдельно от других природных явлений, таких как землетрясения. Первоначальная эксплуатация детекторов началась в 2002 году, и продолжаются работы по повышению их чувствительности. Подобные установки были построены в Италии (VIRGO), Германии (GEO600) и Японии (TAMA300), чтобы обеспечить всемирную сеть детекторов гравитационных волн.

Международное сотрудничество в этой области продвигается в космос с совместным проектом ЕС / США LISA (Laser Interferometer Space Antenna).Землетрясения и другие земные шумы не будут проблемой для этих космических аппаратов мониторинга. LISA дополнит LIGO, наблюдая за гораздо более массивными черными дырами посредством наблюдения источников гравитационных волн, излучающих гораздо большие длины волн. Три спутника будут размещены в космосе над Землей в форме равностороннего треугольника (со сторонами 5 000 000 км) (рис. 4). Система будет измерять относительное положение каждого спутника для обнаружения проходящих гравитационных волн. Для обнаружения любых волн потребуется точность с точностью до 10% от размера атома.Запуск этого проекта может быть уже в 2018 году.

«Я уверен, что LIGO расскажет нам что-то о Вселенной, чего мы не знали раньше. История науки говорит нам, что всякий раз, когда вы отправляетесь туда, где не были раньше, вы обычно обнаруживаете что-то, что действительно потрясает научные парадигмы того времени. Будет ли это делать гравитационно-волновая астрофизика, покажет время ».

— Дэвид Рейтце, менеджер по входной оптике LIGO, Университет Флориды

Рисунок 4.Будущие космические эксперименты по измерению гравитационных волн. Здесь показан рисунок орбиты LISA. Каждый спутник LISA будет состоять из лазерного источника и массы. Лазеры будут передавать сигнал для измерения расстояния между тестовыми массами каждого спутника. Относительное движение этих масс даст информацию о проходящих гравитационных волнах. (кредит: НАСА)

Идеи, представленные в этом разделе, представляют собой лишь беглый взгляд на темы современной физики, которые будут рассмотрены более подробно в следующих главах.

Сводка раздела

• Различные типы сил, которые классифицируются для использования во многих приложениях, все являются проявлениями четырех основных сил по своей природе.
• Свойства этих сил приведены в Таблице 1.
• Все, что мы испытываем напрямую, без чувствительных инструментов, происходит из-за электромагнитных сил или гравитационных сил. Ядерные силы ответственны за субмикроскопическую структуру вещества, но они не воспринимаются напрямую из-за их короткого радиуса действия.Предпринимаются попытки показать, что все четыре силы являются разными проявлениями одной объединенной силы.
• Силовое поле окружает объект, создавая силу, и является носителем этой силы.

Концептуальные вопросы

1. Объясните в терминах свойств четырех основных сил, почему люди замечают гравитационную силу, действующую на их тела, если это такая сравнительно слабая сила.

2. Какая доминирующая сила между астрономическими объектами? Почему три другие основные силы менее значительны на этих очень больших расстояниях?

3.Приведите подробный пример того, как обмен частицей может привести к силе притяжения . (Например, представьте, что один ребенок вытаскивает игрушку из рук другого.)

Задачи и упражнения

1. а) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с сильным ядерным взаимодействием? б) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с электромагнитным? Поскольку слабое ядерное взаимодействие действует только на очень коротких расстояниях, например внутри ядер, где также действуют сильные и электромагнитные силы, может показаться удивительным, что мы вообще о нем знаем.У нас есть такие знания, потому что слабое ядерное взаимодействие отвечает за бета-распад, тип ядерного распада, который не объясняется другими силами.

2. а) Каково отношение силы гравитации к силе сильного ядерного взаимодействия? б) Каково отношение силы гравитации к силе слабого ядерного взаимодействия? (c) Каково отношение силы гравитации к силе электромагнитной силы? Что говорят ваши ответы о влиянии гравитационной силы на атомные ядра?

3.Каково отношение силы сильного ядерного взаимодействия к силе электромагнитного взаимодействия? Основываясь на этом соотношении, можно ожидать, что сильное взаимодействие доминирует над ядром, что верно для небольших ядер. Однако большие ядра имеют размеры больше, чем диапазон сильного ядерного взаимодействия. При таких размерах электромагнитная сила начинает влиять на ядерную стабильность. Эти факты будут использованы для объяснения ядерного синтеза и деления позже в этом тексте.

Глоссарий

несущая частица:

фундаментальная частица природы, окруженная характерным силовым полем; фотоны являются частицами-носителями электромагнитной силы

силовое поле:

область, в которой пробная частица будет испытывать силу

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 1 × 10 ^-13 (б) 1 × 10 ^-11

3. 10 ²

---

Определение электромагнитной силы в физике.

Примеры электромагнитной силы в следующих темах:

• Предсказания Максвелла и подтверждение Герца

  • Предсказание Максвелла о электромагнитной силе было подтверждено Герцем, который сгенерировал и обнаружил электромагнитных волн .
  • Объединив работы физиков, включая Эрстеда, Кулона, Гаусса и Фарадея, и добавив свои собственные идеи, Джеймс Клерк Максвелл разработал полную и всеобъемлющую теорию, показывающую, что электрические и магнитные силы не отдельные, а разные формы одного и того же: электромагнитный усилие .
  • Сила силы связана с электрической постоянной ε0, также известной как диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
  • Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) и, следовательно, электрическое поле.
  • Объясните, как предсказание Максвелла о электромагнитной силе было подтверждено Герцем
  .

• Ядерное деление

  • Сильная ядерная сила — это сила между двумя или более нуклонами.
  • Электромагнитная сила сила вызывает отталкивание между одноименно заряженными протонами.
  • Сильная ядерная сила удерживает все протоны и нейтроны близко друг к другу, в то время как электромагнитная сила действует, чтобы раздвинуть протоны дальше друг от друга.
  • В атомах с маленькими ядрами сильная ядерная сила преобладает над электромагнитной силой силой .
  • Когда ядро ​​становится больше, электромагнитная сила становится больше, чем сильная ядерная сила .

• Применение законов Ньютона

  • Чистая сила влияет на движение, положение и / или форму объектов (некоторые важные и обычно используемые силы — это трение, сопротивление и деформация).
  • Трение само по себе не является фундаментальной силой , но возникает из фундаментальных электромагнитных сил между заряженными частицами, составляющими две контактирующие поверхности.
  • Еще одна интересная сила в повседневной жизни — это сила силы сопротивления объекта, когда он движется в жидкости (газе или жидкости).
  • Как и трение, сила сопротивления представляет собой силу , которая сопротивляется движению.
  • Мы видим иллюстрированный пример сопротивления силы дюймов

• При постоянной скорости получается прямая

  • Во многих случаях на частицу может не действовать суммарная сила .
  • Частица может существовать в вакууме вдали от любых массивных тел (которые создают гравитационные силы ) и электромагнитных полей.
  • Или могут быть две или более силы на частице, которые уравновешены так, что итоговая сила равна нулю.
  • Напомним, что магнитная сила составляет:
  • В приведенном выше случае магнитная сила равна нулю, потому что скорость параллельна силовым линиям магнитного поля.

• Производство электромагнитных волн

  • Электромагнитные волны представляют собой комбинацию волн электрического и магнитного поля, создаваемых движущимися зарядами.
  • Электромагнитное излучение — это форма энергии, излучаемой движущимися заряженными частицами.
  • Создание всех электромагнитных волн начинается с заряженной частицы.
  • Эта заряженная частица создает электрическое поле (которое может оказывать силу на другие близлежащие заряженные частицы).
  • Эти и многие другие подобные устройства используют электромагнитные волны для передачи данных и сигналов.

• Суперпозиция сил

  • Принцип суперпозиции (свойство суперпозиции) утверждает, что для всех линейных сил общая сила является векторной суммой отдельных сил .
  • Следовательно, принцип предполагает, что общая сила является векторной суммой отдельных сил .
  • Конечно, наше обсуждение суперпозиции сил применимо к любым типам (или комбинациям) сил .
  • Общая сила , влияющая на движение заряда, будет векторной суммой двух сил .
  • (В этом конкретном примере движущегося заряда сила из-за наличия электромагнитного поля в совокупности называется силой Лоренца (см.).

• Электродвигатели

  • Если вы поместите движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, на нее будет действовать сила , называемая силой Лоренца :
  • Ваш третий палец теперь будет указывать в направлении силы .
  • Это приводит к изменению потока, который индуцирует электромагнитное поле .
  • Любая катушка, по которой проходит ток, может ощущать силу в магнитном поле.
  • Эта сила является силой Лоренца , действующей на движущиеся заряды в проводнике.

• Энергетический транспорт

  • В этом смысле волна выполнила работу (она приложила силу на расстоянии).
  • Аналогичным образом мы находим, что электромагнитных волн переносят энергию.
  • Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колебательную волну электрического и магнитного полей.
  • Фотон является квантом электромагнитного взаимодействия и является основной «единицей» или составной частью всех форм ЭМИ.
  • Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колебательную волну электрического и магнитного полей.

• Величина магнитной силы

  • Магнитные поля действуют на движущиеся заряды сил , и поэтому они действуют на другие магниты сил , все из которых имеют движущиеся заряды.
  • Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила .
  • Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более.
  • Магнитные поля действуют на движущиеся заряды силы .
  • Эта сила является одной из самых основных известных.

• Электромагнитный спектр

  • Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения .
  • Спектр электромагнитного — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения .
  • Спектр электромагнитного объекта имеет другое значение: это характеристическое распределение электромагнитного излучения , испускаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.
  • Когда электромагнитные волны существуют в среде с веществом, их длина уменьшается.
  • Поведение электромагнитного излучения зависит от его длины волны.

Электромагнитная сила!

«Итак … что такое электромагнитная сила ?» Электромагнитная сила — это особая сила, которая влияет на все во Вселенной, потому что (как и гравитация) она имеет бесконечный диапазон . Обладает способностью притягивать и отражать заряды. Поскольку материал в твердой и жидкой формах состоит из зарядов, имеющих уникальный порядок, они тоже могут управляться этой силой.Он также отвечает за придание вещам прочности, формы, и твердости . Электромагнитная сила может создаваться тремя типами полей, известными как электростатическое поле, магнитостатическое поле и электромагнитное поле. Некоторые из величайших философов Земли блестяще использовали концепцию линий поля, чтобы помочь визуализировать, как один объект может перемещаться другим объектом, не касаясь друг друга. Ух ты! . . . Сила на расстоянии! Давайте посмотрим. . .Как это работает? О да конечно! Силовые линии для статических полей привязаны к источникам.Статичность означает, что сила и ориентация источника не меняются со временем. Статические электрические поля возникают из положительного заряда и заканчиваются отрицательным зарядом. Статические магнитные поля циркулируют вокруг движущегося заряда (или зарядов), иногда называемого током. У них нет ни начала, ни конца; они циркулируют. Поскольку эти поля привязаны к источникам, при выключении источников силовые линии исчезают, и сила не ощущается. Знаете ли вы, что электромагнитная сила отвечает за то, чтобы вы могли удерживать и перемещать такие вещи, как мышь? Электростатические поля, генерируемые между атомами и молекулами у поверхности вашей руки, создают силовое поле, которое не позволяет крупным объектам проходить через вашу руку.Теперь оно у вас есть! Электростатическая сила ответственна за налипание грязи на вашу руку! Подождите !!! А как насчет электромагнитного поля? Электромагнитные поля — это изменяющиеся во времени поля, содержащие как электрические, так и магнитные поля, которые питаются друг от друга даже в вакууме! Вакуум определяется как отсутствие среды. Эти силовые линии фактически отделяются от источника и могут существовать сами по себе, когда источник выключен. Хороший пример в природе — свет, исходящий от самой дальней звезды.Хотя мы видим свет сегодня, возможно, он возник миллионы лет назад! За это время звезда могла «погаснуть». Это связано с тем, что электромагнитной энергии, такой как свет, требуется время, чтобы переместиться из одной точки пространства в другую. «Действительно ли электромагнитная сила сильна?» Он очень сильный, и это тоже удивительно, потому что он может работать в бесконечном диапазоне. Чтобы дать вам представление, электромагнитная сила примерно в 10 36 раз в сильнее , чем гравитационное поле Земли! То есть (чтобы представить это в перспективе) 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз сильнее , чем силы тяжести на Земле! Если бы это было не так, весь материал рухнул бы в черную дыру! Силы соревнуются, на Земле побеждает электромагнитная сила.В черной дыре гравитация — очень сильный соперник. «Что отталкивает и притягивает электромагнитная сила?» Заряды создают электрические поля, которые приводят в действие электромагнитную силу, заставляя разнородные заряды притягиваться и подобные заряды отталкиваться. Вы испытываете электромагнитную силу, когда натираете воздушный шарик своими волосами, и ваши волосы прилипают к шарику. На рисунках выше изображены противоположные заряды, соединенные вместе, и подобные заряды, отталкивающие друг друга посредством электромагнитной силы.Нажмите на картинки или обновите страницу, чтобы они снова сыграли! Движущийся заряд в проводе, атоме или молекуле создает циркулирующее магнитное поле. Иногда люди используют понятие полюсов, чтобы описать магнитное поле. В этом описании подобные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. (загляните на страницу магнетизма!)

.