Магнетизм и электромагнетизм

Про­странство вокруг магнита, в котором может быть обнаружен магнитный эффект, называется магнит­ным полем. Магнитное поле может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом (это одно из трех проявлений электричества). Форма магнитных полей изображает­ся линиями потока или магнитными силовыми линиями.

Некоторые правила магнетизма:

1. противоположные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются;

2. силовые линии одного направления оттал­киваются, противоположных направлений притягиваются;

3. ток, текущий в проводнике, создает вокруг проводника магнитное поле. Сила магнит­ного поля определяется силой тока;

4. если проводник свернут в катушку или со­леноид, то результирующее магнитное поле похоже на поле плоского постоянного маг­нита.

Электромагниты используются в электромото­рах, реле и инжекторах топлива и т. д. Сила, действу­ющая на проводник с током в магнитном поле, вызывается взаимным действием двух магнитных полей. На этом принципе основана работа элек­тромотора. На рис.1.12 приведены изображения магнитных полей.

Рис.1.12. Магнитные поля

Электромагнитная индукция

Основные законы электромагнитной индукции:

1. когда проводник пересекает линии магнит­ного поля, в нем возникает электрическое напряжение;

2. направление наводимого напряжения зави­сит от направления магнитного поля и от направления, в котором движется поле от­носительно проводника;

3. величина напряжения пропорциональна скорости, с которой проводник пересекает магнитное поле.

На эффекте индукции (наведения) напряжения в проводнике основана работа генераторов (в том числе и генератора переменного тока в автомоби­ле). Генератор - это машина, которая преобразу­ет механическую энергию в электрическую.

Взаимоиндукция

Если две катушки (известные как первичная и вторичная обмотки) намотаны на одном и том же сердечнике из железа, любое изменение магнит­ного поля одной из катушек будет наводить на­пряжение в другой. Это происходит, когда ток в первичной обмотке включается или выключается. Если число витков провода во вторичной обмот­ке больше, чем в первичной, наводимое напряже­ние будет более высоким. Если число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, тогда напряжение окажется меньшим. Это явление на­зывается «трансформацией», и на нем основана работа катушки зажигания. На рис. 1.13 показан принцип взаимной индукции.

Рис. 1.13. Взаимоиндукция

Значение «взаимно наведенного» напряжения зависит от следующих факторов:

1. тока первичной обмотки;

2. соотношения между числом витков первич­ной и вторичной обмоток;

3. скорости изменения магнитного поля.

Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.

Движение электронов в ускоряющем электрическом поле

Рассмотрим однородное электрическое поле с напря­женностью Е = U/d (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Однородное электрическое поле

На единичный заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила F, равная по величине напряженности этого поля Е, т. е. F = qЕ = E (q = 1). Заряд электро­на по модулю равен е = 1,6 10^-19 Кл. Действующую на электрон е силу можно вычислить по формуле

F = - еЕ.

Знак «-» показывает, что сила F, действующая на электрон, направлена против линии напряженности электрического поля Е. Под действием данной силы электрон будет двигаться равноускоренно и приобретет максимальную скорость в конце пути. Ускоряющим электрическим полем называют такое поле, у которого линии напряженности направлены навстречу вектору начальной скорости электрона V₀. Работа А по перемеще­нию электрона из одной точки поля в другую равняется произведению заряда электрона на разность потенциалов U между этими точками,

А = Fd = qEd = qUd/d = еU.

Данная работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии W_к,

W_к = m (V – V₀)²/2

где V - скорость электрона в конечной точке перемещения;

V₀ - скорость электрона в точке начала движения;

m - масса электрона, со­стоянии покоя, равная 91·10^-29 г.

Предположим, что начальная скорость электрона равна 0, то есть V₀ = 0.

Работа по перемещению электрона равна кинетичес­кой энергии электрона,

А = W_к.

Вместо обозначения работы А равное ей произведение еU. Учитывая, что мы приняли равной 0 начальную скорость электрона, можем упростить формулу нахождения кинетической энергии, записав W_к = mV²/2. Теперь можно записать равенс­тво работы по перемещению заряда и его кинетической энергии в следующем виде,

eU = mV²/2.

Так как заряд электрона е и его масса m являются константами, то

V = 600√U.

Из данной формулы видно, что скорость электрона в электрическом поле определяется только величиной напряжения между двумя точками поля.