Электромагнетизм

Электромагнетизм

Явления, возникающие в результате взаимодействия электричества и магнетизма, называют электромагнетизмом.

Открытие электромагнетизма

Электромагнетизм

Ханс Кристиан Эрстед

Первооткрывателем электромагнетизма считается датский физик Ханс Кристиан Э́рстед, обнаруживший воздействие электрического тока на магнит.

До начала XIX века никто не предполагал, что электричество и магнетизм что-то связывает. И даже разделы физики, в которых они рассматривались, были разными. Доказательство существования такой связи было получено Эрстедом в 1820 г. во время проведения опыта на лекции в университете. На экспериментальном столе рядом с проводником тока находился магнитный компас. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась от своего первоначального положения. Повторив опыт, Эрстед получил такой же результат.

Электромагнетизм

Опыт Эрстеда

В последующих опытах учёный натягивал металлическую проволоку между двумя стойками. Магнитная стрелка располагалась под ней. До того как по проволоке пропускался ток, стрелка была ориентирована с севера на юг. После замыкания электрической цепи она устанавливалась перпендикулярно проволоке. Эксперименты проводились в разных условиях. Магнитная стрелка помещалась под колпак, из которого выкачивался воздух. Но независимо от среды, она упорно отклонялась от своего первоначального положения, как только по проводнику шёл ток. Это означало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действовали силы, стремящиеся повернуть её. Эрстед нашёл объяснение этому. Он предположил, что электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт магнитное поле. Так экспериментально была открыта связь между электрическими и магнитными явлениями.

Магнитное поле прямого проводника с током

Электромагнетизм

Силовые линии проводника с током

Как и магнитное поле, образованное постоянным магнитом, магнитное поле проводника с током характеризуется силовыми линиями.

Если прямой проводник, по которому идёт ток, пропустить через отверстие в листе картона, на котором рассыпаны мелкие железные или стальные опилки, то они образуют концентрические окружности, центр которых располагается на оси проводника. Эти окружности представляют собой силовые линии магнитного поля проводника с током.

Но если придать проводнику другую форму, картина будет иная.

Магнитное поле катушки с током 

Электромагнетизм

Магнитное поле соленоида 

Изогнув спиралью проводник с током, мы получим соленоид (от греческого «трубка»). Силовые линии создаваемого им магнитного поля представляют собой замкнутые линии. Наиболее часто они расположены внутри витков.

Если намотать изолированную проволоку на каркас таким образом, чтобы витки располагались вплотную друг к другу, то получится катушка. При пропускании через неё тока создаётся магнитное поле, и катушка начинает притягивать металлические предметы. Это притяжение значительно усиливается, если вставить в катушку стальной или железный стержень, который называют сердечником.  Ток создаёт магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Затем магнитное поле сердечника складывается с магнитным полем самого соленоида, тем самым увеличивая его. Катушку с сердечником называют электромагнитом.

Электромагнетизм

Простейший электромагнит

Магнитное поле электромагнита можно регулировать, увеличивая или уменьшая силу тока или количество витков в обмотке. Каждый виток создаёт своё магнитное поле. И чем больше витков в электромагните, тем сильнее его поле. Соответственно, если уменьшить количество витков, то магнитное поле ослабляется.

Первый электромагнит создал английский инженер Уильям Стёрджен в 1825 г. Его устройство представляло собой стержень изогнутой формы, сделанный из мягкого железа и покрытый лаком для изоляции от провода. На стержень был намотан толстый провод из меди. 

Электромагнетизм

Рисунок электромагнита Стёрджена

В современных электромагнитах сердечники изготавливают из ферромагнетиков – веществ, которые обладают высокой намагниченностью при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Для обмотки применяют изолированный алюминиевый или медный провод.

Применение электромагнитов

Электромагнетизм

Электромагнитный кран

Обычно электромагнит – это катушка из проволоки, намотанной на ферромагнитный сердечник. Сердечник может иметь самую разную форму. Он является частью магнитопровода, через который проходит магнитный поток, возбуждаемый электрическим током. Другая, подвижная, часть магнитопровода – якорь, который передаёт усилие.

Применяются электромагниты в различных электротехнических устройствах, телефонах, автомобилях, телевизорах, электрических звонках и др. С помощью электромагнита можно притягивать, удерживать и перемещать тяжёлые металлические детали и предметы, сортировать магнитные и немагнитные вещества На металлургических заводах используют электромагнитные подъёмные краны, станки с магнитными столами, на которых изделие закрепляют электромагнитами. В медицине с их помощью извлекают попавшие в глаз металлические опилки.

Параллельные проводники в магнитном поле

Электромагнетизм

Проводники с током в магнитном поле

Продолжив исследования Эрстеда, Ампер подтвердил магнитное действие электрического тока, обнаружив, что проводники с током взаимодействуют друг с другом. Причём, если токи в параллельных проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются. Если же направление токов в таких проводниках противоположно, то они отталкиваются. Более того, Ампер вывел закон, названный впоследствии его именем (закон Ампера), и позволяющий определять величину силы, с которой взаимодействуют проводники с током.

Нужно заметить, что Ампер исследовал проводник в магнитном поле, созданном не постоянным магнитом, а другим проводником с током.

Два параллельных проводника с током взаимодействуют с силой, пропорциональной величинам токов в элементарных отрезках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Объединив электричество и магнетизм, Ампер назвал новую область физики электродинамикой.

Действие магнитного поля на проводник с током

Электромагнетизм

Проводник с током в магнитном поле

Опыт Эрстеда демонстрирует действие электрического тока на магнит. Но может ли магнит оказывать действие на проводник с током? Оказывается, да.

Подвесим проводник между полюсами постоянного магнита. Как только по нему пойдёт ток, проводник будет втягиваться внутрь магнита или же выталкиваться за его пределы в зависимости от направления тока и расположения полюсов магнита. Сила, действующая на проводник, называется силой Ампера. Её величина зависит от величины тока I, длины участка проводника в магнитном поле l, величины магнитной индукции поля B и величины угла α между направлением тока и вектором магнитной индукции:

F = l·B·sinα

Как видим, наибольшее значение силы будет в том случае, если проводник расположен таким образом, что направление тока в нём перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции. В этом случае sinα = 1.

Если же направления тока и вектора магнитной индукции совпадают, то сила Ампера равна нулю, и магнитное поле на проводник с током в этом случае не действует.

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки: Если проводник с током расположить таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь левой руки, а направление тока совпадало с направлением 4 пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

Действие магнитного поля на рамку с током

Электромагнетизм

Рамка с током в магнитном поле 

Электрический ток всегда замкнут, поэтому прямолинейный проводник можно рассматривать как часть электрической цепи.

Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур?

Если вместо гибкого проводника между полюсами магнита поместить проволоку, изогнутую в виде жёсткой рамки, то в начальный момент такая рамка установится параллельно линии, соединяющей полюса магнита. В этот момент вектор магнитной индукции параллелен двум сторонам рамки и расположен в её плоскости. После включения тока рамка начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного поля будут пронизывать её плоскость.

Вращение рамки объясняется действием на неё сил Ампера.

Каждую из сторон рамки по отдельности можно рассматривать как проводник с током. Согласно закону Ампера на них действует сила Ампера. Её направление определяется с помощью правила левой руки.

Очевидно, что силы, действующие на противоположные стороны прямоугольной рамки, будут равны по величине и противоположны по направлению из-за разного направления токов в них.

На стороны рамки, расположенные параллельно линиям магнитной индукции, силы не действуют, так как угол α между вектором магнитной индукции и направлением тока равен 0, следовательно, sinα также равен нулю.

Угол между вектором индукции и направлением тока в вертикальных сторонах рамки равен 90о. Следовательно, sinα = 1, а модуль силы, действующей на каждую из них, равен

F = I·B·a, где а – длина стороны рамки.

Силы создают вращающий момент, скалярная величина которого равна

M = I·S·B

Под действием этого момента рамка начинает поворачиваться. В любой промежуточный момент M = I·S·B·sinβ, где β – угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки. При повороте этот угол меняется, уменьшается величина   силы, и постепенно рамка занимает положение перпендикулярно вектору магнитной индукции. В этом случае вращающий момент становится равным нулю. (М = 0).

На принципе поворота рамки с током в магнитном поле основана работа простейшего электродвигателя. Если отключить ток в тот момент, когда рамка ещё не достигла устойчивого положения, она повернётся по инерции и остановится. При включении тока она снова начнёт вращаться. Включая и выключая ток в нужный момент, можно добиться непрерывного вращения рамки. На этом принципе основана работа простейшего электродвигателя постоянного тока.

Чтобы рамка вращалась непрерывно, необходимо, чтобы ток поступал каждые пол-оборота. В двигателе эту функцию выполняет устройство, которое называют коллектором. Он состоит из двух металлических полуколец. К ним припаяны концы рамки. Когда подключается ток, рамка совершает пол-оборота. Вместе с ней поворачиваются и полукольца коллектора. В результате контакты рамки переключаются, ток в ней меняет своё направление, и рамка продолжает вращаться безостановочно.

Двигатели постоянного тока используются в тяговых электроприводах электровозов, трамваев, тепловозов, теплоходов. Электрический стартер автомобиля – это тоже двигатель постоянного тока. Микродвигатели приводят в действие детские игрушки, электроинструменты, компьютерные устройства, швейные машинки, пылесосы, бормашины и др.