11. Электромагнетизм

Электромагнетизм – это явления, возникающие в результате взаимодействия электрического тока и магнетизма. На этом основано, в частности, работа электродвигателей и громкоговорителей. Электромагнетизм – это явления, возникающие в результате взаимодействия электрического тока и магнетизма. На этом основано, в частности, работа электродвигателей и громкоговорителей.

 Подковообразные, стержневые и кольцевые магниты относятся к постоянным магнитам, их нельзя лишить магнитных свойств, а затем вернуть им эти свойства. Электромагниты не являются постоянными, они имеют магнитные свойства, только когда по катушке (обмотке) проходит ток.

Появление магнитного поля вокруг проводника с током впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед, когда во время одной из своих публичных лекций приблизил компас к проводнику, по которому пропускали ток. Магнитная стрелка отклонилась, указывая на наличие магнитного поля вблизи проводника.

Чтобы магнитное поле было более сильным, обмотки электромагнита содержат много витков. Такие катушки обычно называют соленоидами. Как правило, соленоиды наматывают на сердечник из магнитного материала, в частности железа. Когда по катушке пропускают ток, сердечник намагничивается, и его магнитное поле добавляется в поле соленоида, усиливая его. Чтобы изготовить простой электромагнит, можно намотать изолированный проводник на железный гвоздь и присоединить конце проводника к батарейки.

Электромагниты удобны в использовании, так как их магнитным полем можноуправлять, изменяя ток в соленоиде. Часто ток просто включают и выключают, как,например, в электромагнитном подъемники для погрузки металлолома.

В динамических громкоговорителях по катушке, прикрепленной к подставке диффузора, проходит пульсирующий ток. Переменное магнитное поле заставляет катушку колебаться вдоль сердечника из магнитного материала. При этом колеблется диффузор, излучая звуковые волны.

В поезде на магнитной подвеске тоже используют электромагниты. Под вагоном устанавливают несущие электромагниты, а на рейке – катушки линейного электродвигателя. Результате их взаимодействия возникает сила, которая поднимает вагон над колеей и тянет его вперед.

Закон Кулона

Закон Куло́на — это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов. Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 году. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Следовательно, силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

   Электростатический потенциал — скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. Единицей измерения потенциала является, таким образом, единица измерения работы, деленная на единицу измерения заряда (для любой системы единиц; подробнее о единицах измерения - см. ниже).

      Электростатический потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда. Напряжённость электростатического поля и потенциал связаны соотношением:

      Здесь — оператор Гамильтона, или набла, то есть в правой части равенства стоит вектор с компонентами, равными частным производным от потенциала по соответствующим координатам, взятый с противоположным знаком.

      Воспользовавшись этим соотношением и теоремой Гаусса для напряжённости поля , легко увидеть, что электростатический потенциал удовлетворяет уравнению Пуассона. В единицах системы СИ:

      где — электростатический потенциал (в вольтах), — объёмная плотность заряда (в кулонах на кубический метр), а — диэлектрическая проницаемость вакуума (в фарадах на метр).