Примеры электромагнитных явлений: Электромагнитное поле. Видеоурок. Физика 11 Класс – Повторение темы «Электромагнитные явления» (Гребенюк Ю.В.) — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Электромагнитное поле. Видеоурок. Физика 11 Класс

Мы разговариваем по мобильному телефону. Как передается сигнал? Как передается сигнал от космической станции, улетевшей к Марсу? В пустоте? Да, вещества может не быть, но и это не пустота, есть нечто другое, через что передается сигнал. Это нечто назвали электромагнитным полем. Это прямо не наблюдаемый, но реально существующий объект природы.

Если звуковой сигнал – это изменение параметров вещества, например воздуха (рис. 1), то радиосигнал – это изменения параметров ЭМ-поля.

Рис. 1. Распространение звуковой волны в воздухе

Слова «электрический» и «магнитный» нам понятны, мы уже изучили отдельно электрические явления (рис. 2) и магнитные явления (рис. 3), но почему тогда мы ведем речь об электромагнитном поле? Сегодня мы в этом разберемся.

Рис. 2. Электрическое поле

Рис. 3. Магнитное поле

Примеры электромагнитных явлений.

В микроволновке создаются сильные, а главное – очень быстро изменяющиеся электромагнитные поля, которые действуют на электрический заряд. А как мы знаем, в атомах и молекулах веществ содержится электрический заряд (рис. 4). Вот на него и действует электромагнитное поле, заставляя молекулы быстрее двигаться (рис. 5) – увеличивается температура и еда нагревается. Такую же природу имеют рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет.

Рис. 4. Молекула воды является диполем

Рис. 5. Движение молекул, имеющих электрический заряд

В микроволновке электромагнитное поле сообщает веществу энергию, которая идет на нагревание, видимый свет сообщает рецепторам глаза энергию, которая идет на активацию рецептора (рис. 6), энергия ультрафиолетовых лучей идет на образование меланина в коже (появление загара, рис. 7), а энергия рентгеновских лучей заставляет чернеть пленку, на которой вы можем увидеть изображение своего скелета (рис. 8). Электромагнитное поле во всех этих случаях имеет разные параметры, поэтому и оказывает разное воздействие.

Рис. 6. Условная схема активации рецептора глаза энергией видимого света

Рис. 7. Загар кожи

Рис. 8. Почернение пленки при рентгене

Так что с электромагнитным полем мы сталкиваемся намного чаще, чем кажется, и уже давно привыкли к явлениям, которые с ним связаны.

Итак, нам известно, что электрическое поле возникает вокруг электрических зарядов (рис. 9). Здесь всё понятно.

Рис. 9. Электрическое поле вокруг электрического заряда

Если электрический заряд движется, то вокруг него, как мы изучали, возникает магнитное поле (рис. 10). Здесь уже возникает вопрос: движется электрический заряд, вокруг него есть электрическое поле, при чем здесь магнитное поле? Еще один вопрос: мы говорим «заряд движется». Но ведь движение относительно, и он может в одной системе отсчета двигаться, а в другой – покоиться (рис. 11). Значит, в одной системе отсчета магнитное поле будет существовать, а в другой нет? Но поле не должно существовать или не существовать в зависимости от выбора системы отсчета.

Рис. 10. Магнитное поле вокруг движущегося электрического заряда

Рис. 11. Относительность движения заряда

Дело в том, что есть единое электромагнитное поле, и источник у него единый – электрический заряд. Оно имеет две составляющие. Электрическое и магнитное поля – это отдельные проявления, отдельные компоненты единого электромагнитного поля, которые проявляются по-разному в разных системах отсчета (рис. 12).

Рис. 12. Проявления электромагнитного поля

Можно выбрать систему отсчета, в которой будет проявляться только электрическое поле, или только магнитное поле, или оба сразу. Однако нельзя выбрать систему отсчета, в которой и электрическая, и магнитная составляющая будет нулевой, то есть в которой электромагнитное поле перестанет существовать.

В зависимости от системы отсчета мы видим либо одну составляющую поля, либо другую, либо их вместе. Это как движение тела по окружности: если посмотреть на такое тело сверху, увидим движение по окружности (рис. 13), если со стороны – увидим колебания вдоль отрезка (рис. 14). В каждой проекции на ось координат круговое движение – это колебания.

Рис. 13. Движение тела по окружности

Рис. 14. Колебания тела вдоль отрезка

Рис. 15. Проекция круговых движений на ось координат

Другая аналогия – проецирование пирамиды на плоскость. Ее можно спроецировать в треугольник или квадрат. На плоскости это совершенно разные фигуры, но все это – пирамида, на которую смотрят с разных сторон. Но нет такого ракурса, при взгляде с которого пирамида исчезнет совсем. Она только будет выглядеть более похожей на квадрат или треугольник (рис. 16).

Рис. 16. Проекции пирамиды на плоскость

Рассмотрим проводник с током. В нем отрицательные заряды скомпенсированы положительными, электрическое поле вокруг него равно нулю (рис. 17). Магнитное поле не равно нулю (рис. 18), возникновение магнитного поля вокруг проводника с током мы рассматривали. Выберем систему отсчета, в которой электроны, образующие электрический ток, будут неподвижны. Но в этой системе отсчета относительно электронов будут двигаться положительно заряженные ионы проводника в обратную сторону: все равно возникает магнитное поле (рис. 18).

Рис. 17. Проводник с током, у которого электрическое поле равно нулю

Рис. 18. Магнитное поле вокруг проводника с током

Если бы электроны были в вакууме, в этой системе отсчета вокруг них возникало бы электрическое поле, ведь они не скомпенсированы положительными зарядами, однако магнитного поля не было бы (рис. 19).

Рис. 19. Электрическое поле вокруг электронов, находящихся в вакууме

Рассмотрим другой пример. Возьмем постоянный магнит. Вокруг него есть магнитное поле, но электрического нет. Действительно, ведь электрическое поле протонов и электронов компенсируется (рис. 20).

Рис. 20. Магнитное поле вокруг постоянного магнита

Возьмем систему отсчета, в которой магнит движется. Вокруг движущегося постоянного магнита возникнет вихревое электрическое поле (рис. 21). Как его выявить? Поместим на пути магнита металлическое кольцо (неподвижное в данной системе отсчета). В нем возникнет ток – это хорошо нам известное явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока возникает электрическое поле, приводящее к движению зарядов, к появлению тока (рис. 22). В одной системе отсчета электрического поля нет, а в другой оно проявляется.

Рис. 21. Вихревое электрическое поле вокруг движущегося постоянного магнита

Рис. 22. Явление электромагнитной индукции

Магнитное поле постоянного магнита

В любом веществе электроны, которые вращаются вокруг ядра, можно представлять как маленький электрический ток, который протекает по окружности (рис. 23). Значит, вокруг него возникает магнитное поле. Если вещество не магнитится, значит, плоскости вращения электронов направлены произвольно и магнитные поля от отдельных электронов компенсируют друг друга, так как направлены хаотично.

Рис. 23. Представление вращения электронов вокруг ядра

В магнитных веществах как раз-таки плоскости вращения электронов ориентированы примерно одинаково (рис. 24). Поэтому магнитные поля от всех электронов складываются, и получается уже ненулевое магнитное поле в масштабе целого магнита.

Рис. 24. Вращение электронов в магнитных веществах

Вокруг постоянного магнита существует магнитное поле, а точнее магнитная составляющая электромагнитного поля (рис. 25). Можем ли мы найти такую систему отсчета, в которой магнитная составляющая обнуляется и магнит теряет свои свойства? Все-таки нет. И правда, электроны вращаются в одной плоскости (смотри рис. 24), в любой момент времени скорости электронов не направлены в одну и ту же сторону (рис. 26). Так что невозможно найти систему отсчета, где они все замрут и магнитное поле пропадет.

Рис. 25. Магнитное поле вокруг постоянного магнита

Рис. 26. Направленность скоростей электронов

Таким образом, электрическое и магнитное поля – это разные проявления единого электромагнитного поля. Нельзя сказать, что в конкретной точке пространства есть только магнитное или только электрическое поле. Там может быть и одно, и другое. Все зависит от системы отсчета, из которой мы рассматриваем эту точку.

Почему же мы до этого говорили отдельно об электрическом и о магнитном полях? Во-первых, так сложилось исторически: люди давно знают о магните, люди давно наблюдали наэлектризованный о янтарь мех, и никто не догадывался, что эти явления имеют одну природу. А во-вторых, это удобная модель. В задачах, где нас не интересует взаимосвязь электрической и магнитной составляющих, их удобно рассматривать отдельно. Два покоящихся заряда в данной системе отсчета взаимодействуют через электрическое поле – мы применяем к ним закон Кулона, нас не интересует, что эти же электроны могут в какой-то системе отсчета двигаться и создавать магнитное поле, и мы успешно решаем задачу (рис. 27).

Рис. 27. Закон Кулона

Действие магнитного поля на движущийся заряд рассматривается в другой модели, и она тоже в рамках своей применимости отлично работает при решении ряда задач (рис. 28).

Рис. 28. Правило левой руки

Постараемся понять, как взаимосвязаны составляющие электромагнитного поля.

Стоит отметить, что точная связь достаточно сложна. Ее вывел британский физик Джеймс Максвелл. Он вывел знаменитые 4 уравнения Максвелла (рис. 29), которые изучаются в вузах и требуют знания высшей математики. Мы их изучать, конечно, не будем, но в нескольких простых словах разберемся, что они означают.

Рис. 29. Уравнения Максвелла

Опирался Максвелл на работы другого физика – Фарадея (рис. 30), который просто качественно описал все явления. Он делал рисунки (рис. 31), записи, которые очень помогли Максвеллу.

Рис. 30. Майкл Фарадей

Рис. 31. Рисунки Майкла Фарадея из книги «Электричество» (1852)

Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (рис. 32). Вспомним, в чем оно заключается. Переменное магнитное поле порождает ЭДС индукции в проводнике. Иными словами, переменное магнитное поле (да, в данном случае – не электрический заряд) порождает электрическое поле. Это электрическое поле является вихревым, то есть линии его замкнуты (рис. 33).

Рис. 32. Рисунки Майкла Фарадея к опыту

Рис. 33. Возникновение ЭДС индукции в проводнике

Кроме того, мы знаем, что магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом. Правильнее будет сказать, что оно порождается переменным электрическим полем. При движении заряда электрическое поле в каждой точке изменяется, и это изменение порождает магнитное поле (рис. 34).

Рис. 34. Возникновение магнитного поля

Можно заметить появление магнитного поля между обкладок конденсатора. Когда он заряжается или разряжается, между пластин возникает переменное электрическое поле, что в свою очередь порождает магнитное поле. В данном случае линии магнитного поля будут лежать в плоскости, перпендикулярной линиям электрического поля (рис. 35).

Рис. 35. Появление магнитного поля между обкладок конденсатора

А теперь посмотрим на уравнения Максвелла (рис. 29), ниже дана для ознакомления небольшая их расшифровка.

Значок – дивергенция – это математический оператор, он выделяет ту составляющую поля, которая имеет источник, то есть линии поля на чем-то начинаются и заканчиваются. Посмотрите на второе уравнение: эта составляющая магнитного поля равна нулю : линии магнитного поля ни на чем не начинаются и не заканчиваются, магнитного заряда не существует. Посмотрите на первое уравнение: такая составляющая электрического поля пропорциональна плотности заряда . Электрическое поле создается электрическим зарядом .

Наиболее интересны следующих два уравнения. Значок – ротор – это математический оператор, выделяющий вихревую составляющую поля. Третье уравнение означает, что вихревое электрическое поле создается изменяющимся во времени магнитным полем ( – это производная, которая, как вы знаете из математики, означает скорость изменения магнитного поля). То есть речь идет об электромагнитной индукции.

Четвертое уравнение показывает, если не обращать внимания на коэффициенты пропорциональности: вихревое магнитное поле создается изменяющимся электрическом полем , а также электрическим током ( – плотность тока). Речь идет о том, что мы хорошо знаем: магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом и .

Как видите, переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, а переменное электрическое поле в свою очередь порождает переменное магнитное и так далее (рис. 36).

Рис. 36. Переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, и наоборот

В результате в пространстве может образовываться электромагнитная волна (рис. 37). Эти волны имеют разные проявления – это и радиоволны, и видимый свет, ультрафиолет и так далее. Об этом поговорим на следующих уроках.

Рис. 37. Электромагнитная волна

Список литературы

Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет портал «studopedia.su» (Источник)
Интернет портал «worldofschool.ru» (Источник)

Домашнее задание

Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчета, связанной с одним из равномерно движущихся электронов в потоке, который создается в кинескопе телевизора?
Какое поле возникает вокруг электрона, движущегося в данной системе отсчета с постоянной скоростью?
Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря, заряженного статическим электричеством? Вокруг движущегося? Ответы обоснуйте.

Электрические и магнитные явления примеры. Электрические явления

Электричество, которым человечество научилось управлять сравнительно недавно, можно наблюдать в природе, причём в самых разнообразных и удивительных формах.

1. Вистлеры (свистовые волны)

Вистлеры ещё называют свистящими атмосфериками или электромагнитным хором рассвета за то, что звуки, которые они производят, напоминают пение птиц ранним утром. Это почти неземные звуки, образующиеся в верхних слоях атмосферы при разрядах молний, причём их можно записать даже на простейшем радиооборудовании. Существует даже такое понятие как «охотники за вистлерами», обозначающее радиолюбителей, путешествующих на дальние расстояния в районы с минимальным наличием линий электропередач и других электромагнитных помех для того, чтобы сделать чистые звуковые записи.

2. Молнии Кататумбо

Молнии Кататумбо являются самым длительным грозовым явлением на Земле. Они зафиксированы в устье реки Кататумбо (Венесуэла), а их многочасовое свечение породило немало легенд и мифов среди коренного населения. Пары метана из местных болот в сочетании с ветром со стороны Анд поднимаются в атмосферу и фактически провоцируют непрерывные удары молний. Интенсивный гром с молниями начинается сразу после наступления сумерек и продолжается около 10 часов. Сами молнии красно-оранжевого цвета можно увидеть в ясные ночи из многих стран Карибского бассейна. Это явление настолько уникально, что его собираются включить в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

3. Грязные грозы

«Грязная гроза» – это мощное электрическое грозовое явление, формирующееся в шлейфе вулканического извержения. Что именно порождает эти массивные электрические разряды пока неизвестно, учёные предполагают, что частицы льда и пыли трутся друг о друга и вырабатывают статическое электричество, что и вызывает эти удивительные молнии необычного цвета. В течение 2011 года массовые грязные грозы наблюдались в Чили. Температура и плотность фонтанов пепла без присутствия воды, которая могла бы объяснить формирование молнии, по-прежнему делает это явление неразгаданной природной тайной.

4. Визуальный феномен космических лучей

Космические лучи зарождаются в глубоком космосе, они путешествуют в течение миллионов лет и, в конце концов, попадают на нашу планету. Эти лучи поглощаются нашей атмосферой, потому для нас они невидимы. Зато космонавты видят их даже с закрытыми глазами. Лучи воздействует иначе, чем земной свет. Космонавты миссии «Аполлон 11» описывали их как пятна и полосы, возникающие каждые три минуты. Хотя этот визуальный феномен полностью не изучен учёными, уже известно, что космические лучи движутся на высоких скоростях и проходят через космические корабли и через сетчатку глаз космонавтов.

5. Триболюминесценция

Триболюминесценции – световое явление, излучаемое из кристаллического вещества при его разрушении. На сегодняшний день считается, что через это вещество проходит электрический ток и заставляет молекулы газа, находящиеся внутри кристалла, светиться. Практическое современное использование триболюминесценции включает в себя обнаружение трещин внутри зданий, а также внутри космических аппаратов, плотин и мостов. Когда наши предки обнаружили этот источник, они приписали ему божественное происхождение. Индейские шаманы наполняли церемониальные трещотки кварцевыми кристаллами, которые светились при тряске, что придавало особую атмосферу проводимым ритуалам. Кстати, вы можете пронаблюдать этот свет в домашних условиях. Положите кусочки сахара на ровную поверхность в темном помещении и раздавите их стеклянным стаканом, чтобы увидеть синеватые вспышки света.

6. Сонолюминесценция

Сонолюминесценция, то есть выработка света звуковыми волнами, была обнаружена в 1930-е годы. Ученые впервые столкнулись с загадочными огнями, исследуя морские гидролокаторы. Когда звуковые волны проходили через воду, появлялось синее мерцание и вспышки света. Мелкие пузырьки в воде расширялись и быстро сжимались, возникало высокое давление и температура, хлопок, выработка энергии, а затем излучение света. Иными словами, звук превращался в свет. Кстати, механизм этого явления по сей день не является полностью изученным.

7. Спрайты

Спрайты – это мощные, яркие вспышки обычно красного цвета, возникающие высоко в атмосфере, выше грозовых туч, на высоте от 80 км. В диаметре они могут быть от 50 км и более. Ранее считалось, что спрайты – это разновидность молнии, но впоследствии было установлено, что это скорее определённый тип плазмы. Спрайты напоминают большую красную медузу с длинными синими щупальцами. Их сложно сфотографировать с земли, но есть много снимков, сделанных с самолетов.

8. Шаровая молния

Оказывается, что шаровые молнии как явление стали восприниматься всерьез только в 60-х годах, хотя их появление фиксировалось постоянно в течение многих столетий. Эти странные шары могут различаться по размерам: от горошины до небольшого автобуса. Трещащие, шипящие, яркие шары возникают во время грозы, в некоторых случаях они могут спонтанно и громко взрываться. Одна из самых странных тайн шаровой молнии – это её «разумное» поведение. Она влетает в здания через дверные проемы или окна и путешествует по комнатам, огибая столы, стулья и прочие предметы. Происхождение шаровых молний до сих пор тщательно изучается, но к единому мнению учёные так ещё и не пришли.

9. Огни святого Эльма

Еще во времена Колумба Огни святого Эльма считались сверхъестественным явлением. Моряки часто рассказывали о ярко-синем или фиолетовом свечении вокруг корабля. Свечение напоминало мерцающие на ветру языки пламени вокруг мачт. Внезапное появление Огней святого Эльма считалось добрым предзнаменованием, поскольку странный пучкообразный свет возникал перед окончанием мощных штормов. Наука имеет своё объяснение этому странному свечению. Разница в напряжении между воздушной атмосферой и морем вызывает ионизацию газов, которые начинают светиться. Кстати, Огни святого Эльма были также замечены на церковных шпилях, крыльях самолетов и даже рогах крупного скота.

10. Северное сияние

Полярные (северные) сияния – это изумительные световые явления, возникающие в ночном небе. Аврора Бореалис в северном полушарии и Аврора Австралис в южном полушарии получили свои имена от римской богини рассвета. Они выглядят как волнистая, светящаяся завеса зелёного цвета, хотя были также зафиксированы сияния красного, розового, желтого и изредка синего цветов. Причина земных Аврор заключается в том, что заряжённые частицы, высвобождаемые из атмосферы Солнца, сталкиваются с частицами газа в атмосфере Земли, и в результате мы становимся свидетелями впечатляющего природного светового шоу.

Текст:

Гроза не что иное, как атмосферное явление, проявляющее электричество. Распространено это явление больше в горах, нежели на равнинах.
Чаще всего возможность попасть под грозу появляется летом. Бывает такое, что безумно жаркое утро, а потом резко налетает сильный ветер, на горизонте появляются тяжелые темные облака, которые периодически освещаются молнией и оглушаются громом. Сначала с неба падает несколько крупных капель, а потом за окном образовывается стена из воды. Иногда даже с градом. Это мы все и называем грозой. Однако никто не задумывается о физике этого явления.
Итак, начало грозы лежит в образовании огромного кучево-дождевого облака, которое постоянно увеличивается. Его размеры в ширину и высоту могут достигать 10-ти километров. Это облако обладает плоской нижней частью. Верхняя поверхность также, когда достигает стратосферы, выравнивается. В итоге облако получает форму наковальни. Содержит оно в себе диаметрально противоположные заряды – положительные и отрицательные. Одни располагаются в одной сторо

Конспект «Электромагнитные явления» — УчительPRO

Конспект по теме «Электромагнитные явления». Магнитное поле. Соленоид и электромагнит. Постоянные магниты. Действие магнитного поля на ток. Электродвигатель на постоянном токе. Электромагнитная индукция. Электротрансформатор. Передача электроэнергии. Электродвигатель на переменном токе.

Электромагнитные явления

10.1. Прохождение тока по твёрдому, жидкому или газообразному проводнику всегда сопровождается появлением магнитного поля. Его силовые линии – замкнутые кривые, охватывающие проводник.

10.2. Направление силовой линии магнитного поля – в сторону, куда указывает северный конец маленькой магнитной стрелки, помещённой в изучаемую точку поля. При изменении направления тока в проводнике направление силовых линий меняется на противоположное.

10.3. Электромагниты – проводники, скрученные в виде спиралей или катушек, внутри которых имеется сердечник из железа или стали. Электромагниты (их также называют катушками индуктивности) способны запасать и возвращать в цепь электрическую энергию путём её преобразования в энергию магнитного поля и наоборот.

10.4. Постоянные магниты – ненаэлектризованные тела, способные притягивать предметы из железа, стали и некоторых других материалов и длительное время сохраняющие это свойство.

10.5. Полюс магнита – место на поверхности магнита, где магнитное поле является наиболее сильным. Силовые линии поля постоянного магнита являются замкнутыми. Они выходят из его северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

10.6. Земля, а также некоторые другие небесные тела являются постоянными магнитами, то есть имеют магнитное поле.

10.7. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицыи, как следствие, на проводники с током. На этом явлении основано действие электроизмерительных приборов и электродвигателей.

10.8. Электрические двигатели вне зависимости от их конструкции имеют вращающуюся часть (ротор) и неподвижную часть (статор). В зависимости от назначения в них размещают электромагниты или постоянные магниты, а также коллектор – устройство для регулирования поступления тока в нужные моменты во время каждого оборота ротора.

10.9. Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в проводнике, движущемся в магнитном поле или в неподвижном проводнике, находящемся в движущемся (изменяющемся) магнитном поле.

10.10. Наибольшее применение в быту и промышленности государств Европы получил переменный индукционный ток, изменяющий свое направление 100 раз в секунду, то есть с частотой 50 Гц.

10.11. Электрический трансформатор – прибор, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в ток другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

10.12. Для передачи электроэнергии на расстояние используют повышающие трансформаторы, высоковольтные линии электропередачи и понижающие трансформаторы.

10.13. Для приведения в движение мощных станков и установок используют двигатели, работающие на трёхфазном переменном токе.Их преимущества: простота конструкции, высокая надёжность и мощность.

Электромагнитные явления. Таблицы и схемы.

Конспект по теме «Электромагнитные явления». Следующая тема: Колебательные и волновые явления

Электромагнитные явления — справочник для студентов и школьников

Понятие электромагнитных явлений является совсем не новым. Если верить книгам, то электромагнитные явления начали активно исследовать и изучать еще со времен Фарадея. Конечно, с тех пор многое изменилось. К примеру, такой важный нюанс, как взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля, начали изучать лишь недавно. Явление изучают всего несколько лет. Что же стало причиной изучения данного явления? Главным толчком, скорее всего, стала астрофизика. Дело в том, что уже на протяжении нескольких десятилетий ученые пытались доказать, что основная часть природной материи находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Такое предположение активно изучалось. Астрофизические исследования помогли получить важные сведения и сделать открытия, которые и повлияли на дальнейший ход событий. Чтобы разобраться, что же такое магнитные явления и в чем их особенность, нужно хорошо знать астрофизику. Дело в том, что в этой науке очень важная роль отводится именно электромагнитным явлениям. Магнитные поля существуют в космосе и прямо воздействуют на заряженные частицы, а именно на их движение. Первые сведения об электромагнитных явлениях появились в девятнадцатом веке. Они применялись для передачи информации. Суть такой телеграфии была очень простой. Создавались сообщение из цифр и букв, оно передавалось при помощи набора знаков.

Электромагнитные явления определяются закономерностями. Они существенно отличаются от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления характеризуются несложными взаимоотношениями и отличаются конкретными величинами. Эти величины зависят от ряда параметров, а точнее, координат в пространстве и времени. Правда, стоит отметить, что такое определение является слишком обширным. Более точно изучить явление удается при помощи электронных устройств.

Электромагнитные явления никогда не считались автономным процессом или явлением. Именно поэтому их всегда изучали и исследовали в комплексе с другими физическими и природными процессами. Именно активное изучение механических и электромагнитных явлений со временем привело к появлению известной даже школьникам теории относительности. Теория буквально перевернула мир науки. Это и, так называемое, четырехмерное пространство, и время были представлены единым многообразием, а его разделение на отдельные категории пространства и времени всегда считалось достаточно условным понятием. Одна из ключевых особенностей электромагнитных явлений в системе характеризуется изменением характеристик и качеств заготовок в процессе перехода от одной заготовки к другой. Ученые утверждают, что первичные заготовки со временем были полностью ферримагнитными, далее процесс кардинально изменился и остальные заготовки уже были или частично ферримагнитными, либо же вовсе немагнитными. Если рассмотреть электромагнитные явления примеры, то можно найти много подтверждений этому важному тезису.

Изучение электромагнитных явлений – процесс длительный и непростой. Им занималось огромное количество ученых во всем мире. Процесс требовал постоянного труда, напряженного мышления и воображения. Но результат того стоил. Многие электромагнитные явления формулы позволили совсем по-другому взглянуть на природные явления и физические процессы. Для того, чтобы выработать грамотное материалистичное понимание процессов, которые связаны с электромагнитными явлениями, нужно было в постоянном режиме использовать советской литературу по физике. В этих книгах можно было найти немало нужной и полезной информации даже для современных ученых и исследователей.

В процессе активного изучения учеными электромагнитных явлений было определено, что электрический ток и магнитное поле всегда идут вместе, существовать отдельно они просто не могут. В развитие теории электромагнитных явлений, если верить книгам, наибольший вклад внесли такие ученые, как Максвелл и Фарадей. Многие первые исследования электромагнитных явлений, которые и положили начало дальнейшим исследованиям, принадлежат именно этим двум физикам. Кто знает, как бы развернулись события, если бы они не начали изучать электромагнитные явления в свое время? Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля другие ученые начали говорить о том, чтобы создать электромагнитную мировую картину, которую бы использовали во всем мире, которая всем была бы понятна. Ученому удалось практически в одиночку разработать действительно сложнейшую теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции. Он был не просто теоретиком, а проводил успешные практические эксперименты с магнитной стрелкой и со временем пришел к совершенно правильному выводу, что ее вращение обусловлено не зарядами, а состоянием окружающей среды. После этого открытия ученый вводит понятие поля. Эти понятия до сих пор активно используются современными учеными. Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом стала новым этапом в развитии физической науки, которая существенно повлияла на развитие современной физики.

Электрические силы по многим характеристикам отличаются от магнитных. Прежде всего, первые – соотносятся, как с движущими, так и с покоящими зарядами, а вторые – только с движущими. Ученые утверждают, что в этом и представляется их основное отличие. Различные варианты зарядов, а также сил детально описаны в работах Максвелла, что стали в будущем основной классической электродинамики. Их активно используют и современные физики. Эти уравнения положили начало закону Кулона, который практически идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

В то время, как закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

Также закон Ньютона, который хорошо знаком всем современным школьникам, утверждает: магнитные силовые линии являются непрерывными, не имеют начала и конца. Активное изучение электромагнитных явлений кардинально повлияло на дальнейшее изучение материи, а также на представление о ней. Существует два вида электрических зарядов:

это положительные заряды, их носителями есть протоны;
а также отрицательные заряды, их носителями есть электроны.

Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Если же атом отдает или получает электроны, он автоматически превращается в ион. На данный момент существует всего пара вариантов электризации: при помощи трения; а также при помощи влияния.

По поводу применения электромагнитных явлений есть немало интересных фактов. Сохранились старинные записи, в которых содержатся прямые доказательства того, что еще в древнейшие времена активно использовали знания об электромагнитных явлениях. К примеру, императора Нерона, который страдал от тяжелой формы ревматизма, еще тогда лечили электрованнами. Согласитесь, что даже сейчас такой метод есть далеко не в каждой клинике. В те времена такой метод лечения считался более чем инновационным. В чем же его суть и как проводили процедуру древние целители? В деревянную емкость с водой были помещены электрически скаты. Больной человек ложился в такую ванную и подвергался действию электрических полей и зарядов. Результат лечения можно было увидеть достаточно быстро. Подобные методы лечения есть и в наше время. К примеру, в Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Это недешевое, но очень полезное изобретение, которое оценили многие родители. Под детские пеленки или матрасики подкладывались специальные изолированные металлические сети, они разделялись между собой сухой подкладкой. Когда ребенок делал свои дела и подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и тут срабатывал звонок. Это давало возможность родителям вовремя прибежать на помощь младенцу. Матери и отцы сразу знали, когда нужно заменить пеленку своему ребенку. Электромагнитные явления активно применялись в местности, где большую часть года – холода и морозы. В таких регионах существовала достаточно серьезная проблема со сливом нефтепродуктов. Она возникала из-за того, что при низких температурах увеличивалась вязкость нефтепродуктов. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева емкостей, что дало возможность в разы сократить энергозатраты. Такая технология оказалась очень эффективной, и помогла быстро справиться с неприятной проблемой. При помощи электромагнитных явлений можно было определить даже отпечатки пальцев конкретного человека, который держал в руках гильзы. Для этого нужно было поместить гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась специальная металлическая пленка, на ней проявлялись отпечатки пальцев. Таким образом, процесс идентификации человека становился очень быстрым и простым.

Электромагнитные явления

Еще со времен Фарадея изучаются электромагнитные явления. Однако взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля внимание к себе привлекло лишь в последние годы. Основным толчком к изучению данных явлений стала астрофизика. Уже долгие годы предполагается, что основная часть материи во Вселенной находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Главные сведенья в области электромагнитной динамики были получены в результате астрофизических исследований.

Роль электромагнитных явлений в физике

В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.

Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.

Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.

Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.

Главная особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.

Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.

В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем. Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике. После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.

Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.

Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.

Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

$F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$

Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

$F_H = G\frac{m_1m_2}{R^{2}}$

Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:

магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
магнитных зарядов в природе не существует;
электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.

Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.

Электромагнитные явления. Основные термины и формулы

Определение 1

Электрический заряд – это величина, которая характеризует свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Существует два вида электрических зарядов:

положительные заряды, носителями которых являются протоны;
отрицательные заряды, носителями которых являются электроны.

Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Атом превращается в ион, если он получает или отдает несколько электронов.

Определение 2

Электризация – это процесс приобретения заряда при помощи макроскопического тела.

На данный момент существует несколько способов электризации:

при помощи трения;
при помощи влияния.

Определение 3

Электрическое поле – это форма материи, что существует вокруг заряженных частиц и тел, и действует на другие частицы, что имеют заряд.

Основными законами электростатики являются:

Закон Кулона для неподвижных зарядов: $F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$
Закон сохранения заряда (для замкнутой системы): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

Определение 4

Электрический ток – это направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд.

Есть несколько условий, которые обеспечивают существование электрического тока:

наличие свободных частиц, которые имеют заряд;
наличие электрического поля.

Действие электрического поля может быть:

тепловым;
магнитным;
химическим;
световым.

Электрическое поле формируется при помощи источников тока, в которых осуществляется работа по разделению зарядов. Это происходит за счет преобразования нескольких видов энергии в энергию электрического поля.

К характеристикам участка цепи можно отнести:

Силу тока: $I = \frac {q}{t}=A (ампер)$ — измерение осуществляется при помощи амперметра.
Напряжение: $U = \frac{A}{q}= В (вольт)$ — измеряется при помощи вольтметра.
Сопротивление: $R = p\frac{l}{S} = Ом$ — измеряется при помощи омметра.

Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом:

$I = \frac{U}{R}$

Существует два вида соединения проводников: последовательное и параллельное. Последовательное соединение проводников выглядит следующим образом:

$I = I_1 = I_2 =…= I_n$
$U = U_1 + U_2+…+U_n$
$R = R_1 + R_2 +…+ R_n$

Параллельное соединение проводников выглядит следующим образом:

$ I = I_1+I_2+…+I_n$
$U = U_1 = U_2 =…= U_n$
$ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} +…+ \frac{1}{R_n}$

Работа тока: $A = Ult$

Мощность тока выглядит так: $P = IU$

Количество теплоты, что выделяется при прохождении сквозь проводник тока можно выразить следующим образом: $Q = I^2 Rt$

Электрический ток может существовать в различных средах:

В металлах осуществляется направленное движение свободных электронов.
В жидкостях происходит направленное движение свободных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза выглядит следующим образом: $m = qk = klt$
В газах происходит направленное движение электронов и ионов, что образуется в результате ионизации.
В полупроводниках – направленное движение свободных дырок и электронов.

Определение 5

Магнитное поле – это особая форма материи, существующая вокруг заряженных движущихся частиц и тел, и действует на другие заряженные частицы и тела, что движутся в этом же поле.

Линии магнитного поля – это условные линии, вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок в магнитном поле.

Интересные факты применения электромагнитных явлений

Сохранились записи, которые подтверждают, что в древние времена императора Нерона, что страдал ревматизмом, лечили электрованнами. Суть такого лечения заключалась в следующем: в деревянную кадку с водой были помещены электрически скаты. Находясь в такой ванной, человек подвергался действию электрических полей и зарядов.

В Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Под детские пеленки подкладывались изолированные металлические сети, что разделялись сухой подкладкой. Эти сети соединялись с низковольтным источником тока и с электрическим звонком. Когда подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и срабатывал звонок. Это позволяло матерям сразу знать, когда нужно заменить пеленку.

В тех регионах, где встречаются сильные морозы, существовала проблема слива нефтепродуктов, поскольку их вязкость при низких температурах была слишком высокая. Тогда ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, которая позволяла сократить энергозатраты.

При помощи электромагнитных явлений можно было определить отпечатки пальцев человека, что держал в руках гильзы и патроны. Поместив гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась металлическая пленка, на которой проявлялись отпечатки пальцев, что легко поддавались идентификации.

Магнитные явления. Магнитные явления в природе

Магнитное взаимодействие объектов – одно из фундаментальных процессов, которые руководят всем во Вселенной. Видимые его проявления – это магнитные явления. Среди них можно назвать северное сияние, притяжение магнитов, магнитные бури и т. д. Как они возникают? Чем характеризуются?

Магнетизм

Магнитные явления и свойства в совокупности называют магнетизмом. Об их существовании было известно очень давно. Предполагается, что уже четыре тысячи лет назад китайцы использовали эти знания для создания компаса и навигации в морских походах. Проводить опыты и серьезно изучать физическое магнитное явление начали только в XIX веке. Одним из первых исследователей в этой области считается Ханс Эрстед.

Магнитные явления могут происходить как в Космосе, так и на Земле, и проявляются только в пределах магнитных полей. Такие поля возникают от электрических зарядов. Когда заряды неподвижны, вокруг них образуется электрическое поле. Когда они движутся — магнитное поле.

То есть явление магнитного поля возникает с появлением электрического тока или переменного электрического поля. Это область пространства, внутри которой действует сила, влияющая на магниты и магнитные проводники. Она имеет свое направление и уменьшается по мере отдаления от своего источника – проводника.

Магниты

Тело, вокруг которого образуется магнитное поле, называется магнитом. Самым маленьким из них является электрон. Притяжение магнитов – самое известное физическое магнитное явление: если приложить два магнита друг к другу, то они либо притянуться, либо оттолкнуться. Все дело в их положении относительно друг друга. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный.

Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные, наоборот, притягиваются. Если разрезать его надвое, то северный и южный полюса не разделятся. В результате, мы получим два магнита, на каждом из которых также будет по два полюса.

Существует ряд материалов, которые обладают магнитными свойствами. К ним относятся железо, кобальт, никель, сталь и т.д. Среди них есть и жидкости, сплавы, химические соединения. Если магнетики подержать возле магнита, то они и сами им станут.

Такие вещества, как чистое железо, легко приобретают подобное свойство, но и быстро с ним прощаются. Другие (например, сталь) намагничиваются дольше, но удерживают эффект длительное время.

Намагничивание

Выше мы установили, что магнитное поле возникает при движении заряженных частиц. Но о каком движении может идти речь, например, в куске железа, висящем на холодильнике? Все вещества состоят из атомов, в которых и находятся движущиеся частицы.

Каждый атом обладает своим магнитным полем. Но, в одних материалах эти поля направлены хаотично в различные стороны. Из-за этого, вокруг них не создается одного большого поля. Такие вещества не способны намагничиваться.

В других материалах (железе, кобальте, никеле, стали) атомы способны выстраиваться так, что все они будут направлены одинаково. В результате, вокруг них формируется общее магнитное поле и тело намагнитится.

Получается, намагничивание тела — это упорядочивание полей его атомов. Чтобы нарушить этот порядок достаточно сильно ударить по нему, например, молотком. Поля атомов начнут хаотичное движение и утратят магнитные свойства. Тоже произойдет, если материал нагреть.

Магнитная индукция

Магнитные явления связаны с движущимися зарядами. Так, вокруг проводника с электрическим током непременно возникает магнитное поле. Но может ли быть наоборот? Этим вопросом однажды задался английский физик Майкл Фарадей и открыл явление магнитной индукции.

Он заключил, что постоянное поле не может вызвать электрический ток, а переменное – может. Ток возникает в замкнутом контуре магнитного поля и называется индукционным. Электродвижущая сила при этом будет изменяться пропорционально изменению скорости поля, которое пронизывает контур.

Открытие Фарадея было настоящим прорывом и принесло немалую пользу производителям электротехники. Благодаря ему, стало возможным получать ток из механической энергии. Закон, выведенный ученым, применялся и применяется в устройстве электродвигателей, различных генераторов, трансформаторов и т.д.

Магнитное поле Земли

У Юпитера, Нептуна, Сатурна и Урана есть магнитное поле. Наша планета – не исключение. В обычной жизни мы практически не замечаем его. Оно не осязаемо, не имеет вкуса или запаха. Зато именно с ним связаны магнитные явления в природе. Такие, как полярное сияние, магнитные бури или магниторецепция у животных.

По сути, Земля является огромным, но не очень сильным магнитом, который имеет два полюса, не совпадающие с географическими. Магнитные линии выходят из Южного полюса планеты и входят в Северный. Это означает, что на самом деле Южный полюс Земли является северным полюсом магнита (поэтому на Западе синим цветом обозначается южный полюс – S, а красным обозначают северный полюс – N).

Магнитное поле распространяется на сотни километров от поверхности планеты. Оно служит невидимым куполом, который отражает мощное галактическое и солнечное излучение. Во время столкновения частиц радиации с оболочкой Земли и образуются многие магнитные явления. Давайте рассмотрим самые известные из них.

Магнитные бури

На нашу планету сильное влияние оказывает Солнце. Оно не только дает нам тепло и свет, но и провоцирует такие неприятные магнитные явления, как бури. Их появление связано с повышением солнечной активностью и процессами, которые происходят внутри этой звезды.

Земля постоянно испытывает влияние потока ионизированных частиц с Солнца. Они движутся со скоростью 300-1200 км/с и характеризуются как солнечный ветер. Но время от времени на звезде происходят внезапные выбросы огромного количества этих частиц. Они действуют на земную оболочку как толчки и заставляют магнитное поле колебаться.

Длятся такие бури обычно до трех суток. В это время некоторые жители нашей планеты испытывают недомогание. Колебания оболочки отражаются на нас головными болями, повышением давления и слабостью. За всю жизнь человек переживает в среднем 2000 бурь.

Северное сияние

Есть и более приятные магнитные явления в природе – северное сияние или же аврора. Оно проявляется в виде свечения неба с быстро меняющимися цветами, и происходит преимущественно в высоких широтах (67—70°). При сильной активности Солнца сияние наблюдается и ниже.

Примерно в 64 километрах над полюсами заряженные солнечные частицы встречаются с дальними границами магнитного поля. Здесь некоторые из них направляются к магнитным полюсам Земли, где взаимодействуют с газами атмосферы, отчего и появляется сияние.

Спектр свечения зависит от состава воздуха и его разреженности. Красное свечение происходит на высоте от 150 до 400 километров. Синие и зеленые оттенки связаны с большим содержанием кислорода и азота. Они происходят на высоте 100 километров.

Магниторецепция

Основная наука, изучающая магнитные явления, – физика. Однако некоторые из них может затрагивать и биология. Например, магниточувствительность живых организмов – способность распознавать магнитное поле Земли.

Этим уникальным даром обладают многие животные, в особенности мигрирующие виды. Способности к магниторецепции обнаружена у летучих мышей, голубей, черепах, кошек, оленей, у некоторых бактерий и т. д. Она помогает животным ориентироваться в пространстве и находить свое жилье, удаляясь от него на десятки километров.

Если человек для ориентации использует компас, то животные пользуются вполне природными инструментами. Точно определить, как и почему работает магниторецепция, ученые пока не могут. Но известно, что голуби способны находить свой дом даже, если их увезти от него на сотни километров, закрыв при этом птицу в абсолютно темном ящике. Черепахи находят место своего рождения даже спустя годы.

Благодаря своим «суперспособностям» животные предчувствуют извержение вулканов, землетрясения, бури и другие катаклизмы. Они тонко чувствуют колебания в магнитном поле, что повышает способность к самосохранению.