Теория:
В \(1820\) году Х. Эрстед провёл опыт, доказывающий, что электрический ток порождает магнитное поле. Фарадей своими опытами доказал, что всякое изменение во времени магнитного поля порождает переменный индукционный ток в замкнутом проводнике. Но электрический ток возникает только при наличии электрического поля.
Появилось много вопросов:
• Имеют ли различия поля, которые созданы подвижным и покоящимся электрическими зарядами?
• Существует ли поле исключительно в проводнике или возникает и в пространстве вокруг него?
• Имеет ли значение замкнутый проводник, по которому течёт ток, для возникновения поля?
• Существует ли поле исключительно в проводнике или возникает и в пространстве вокруг него?
• Имеет ли значение замкнутый проводник, по которому течёт ток, для возникновения поля?
Английский физик и математик шотландского происхождения Джеймс Клерк Максвелл в \(1865\) году смог ответить на данные вопросы, когда создал теорию электромагнитного поля. Учёный изложил теорию в своём основном труде «Трактат по электричеству и магнетизму».
Рис. \(1\). Джеймс Клерк Максвелл
Теория Максвелла объясняла появление индукционного тока в контуре под воздействием изменяющегося магнитного потока, пронизывающего его. Переменное магнитное поле порождало вихревое электрическое поле, которое и заставляло упорядоченно двигаться в одном направлении свободные заряды, имеющиеся в проводнике. Наличие электрического тока фиксировалось гальванометром. Таким образом, проводник являлся индикатором, который позволил обнаружить наличие электрического поля.
Обрати внимание!
Электрическое поле существует в пространстве независимо от наличия проводника.
Вокруг неподвижного заряда создаётся только электрическое поле. Но заряд, находящийся в покое относительно одной системы, может находиться в движении относительно других систем и, значит, порождать магнитное поле.
Если магнит лежит на столе, то вокруг него возникает только магнитное поле. Но наблюдатель, движущийся относительно стола, зафиксирует и электрическое поле.
Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.
Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.
Электромагнитное поле — это особая материя, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.
Технические устройства и практическое применение
Электромагниты
Катушку с железным сердечником называют электромагнитом.
Электромагнит (рис. \(2\)) притягивает железные предметы лишь тогда, когда в его катушках течёт ток. Поэтому электромагнитом легко управлять — нужно лишь замкнуть или разомкнуть его электрическую цепь. Удобно, что, изменяя силу тока, можно регулировать магнитное действие электромагнита. В зависимости от назначения электромагниты можно изготавливать самых различных размеров. Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски тяжёлых стальных или чугунных изделий, стружек, слитков (рис. \(3\)).
Рис. \(2\). Электромагнит
Рис. \(3\). Электромагнит с большой подъёмной силой
Электродвигатель
Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя.
В технике применяют электродвигатели, обмотка которых содержит большое количество витков проволоки — они размещаются в специальных прорезях железного цилиндра — ротора двигателя (рис. \(4\)). Иногда его называют якорем. Он служит для усиления магнитного поля, возникающего при протекании тока по виткам проволоки.
Рис. \(4\). Якорь
Магнитное поле, в котором вращается ротор двигателя, создаётся статором, который также является сильным электромагнитом. Питание электромагнита осуществляется от того же источника тока, что питает обмотку ротора. Внутри ротора проходит металлический вал — он по сути является осью вращения. Этот вал соединяется с механизмом, который нужно привести во вращение. И во время поворота якоря начинает вращаться весь механизм.
Электродвигатели постоянного тока чаще всего можно встретить в транспорте (троллейбусы, трамваи, метро) или в промышленности (подъёмные краны, станки металлопроката).
При работе с легковоспламеняющимися веществами, например с бензином или нефтью, используются безыскровые электродвигатели. Такие двигатели ставят в насосах нефтяных скважин и бензоколонках.
Кроме электродвигателей постоянного тока используют электродвигатели переменного тока. Они есть в каждой квартире: как составная часть стиральной машины, холодильника, пылесоса.
Почему всё больше и больше используют электродвигатели? Это связано с их размерами (они меньше, чем тепловые аналоги той же мощности), но самое главное преимущество связано с воздействием на окружающую среду. Электродвигатели не выделяют выхлопные газы и дым. Например, электромобиль (начиная с производства комплектующих частей) за срок службы оказывается в \(5\)–\(7\) раз экологичнее, чем его аналог с тепловым двигателем. Мощности электродвигателя позволяют достичь высоких КПД.
Условное обозначение электродвигателя на электрических схемах представлено на рисунке \(5\).
Рис. \(5\). Условное обозначение электродвигателя
Ускорители элементарных частиц
Рис. \(6\). Циклотрон
Циклотрон — циклический ускоритель заряженных частиц, в котором заряженные частицы движутся под действием электрического и магнитного полей по раскручивающейся спирали.
Рис. \(6\). Циклотрон
Ускорение частиц в циклотроне производит электрическое поле, а закручивание частицы осуществляет магнитное поле.
Индукционная печь
Сопротивление массивных проводников невелико, благодаря чему возникающая в них электродвижущая сила индукции вызывает сильные индукционные токи. Такие токи, известные как токи Фуко или вихревые токи, способны эффективно нагревать проводники. Этот эффект используется в конструкции индукционных электропечей, широко применяемых для предварительного нагрева металлов перед ковкой и штамповкой. Также на основе данного принципа работают современные индукционные кухонные плиты, предназначенные для быстрого приготовления и подогрева пищи.
Рис. \(7\). Индукционная плита