Понятие явления электромагнитной силы и условия возникновения
Электрический ток образует вокруг себя магнитное поле. Сила, с которой оно действует на провод, называется электромагнитной. Наибольшее значение величина электромагнитной силы приобретает, когда действует прямо перпендикулярно на движение заряженных частиц. Особенность электромагнитного поля в том, что оно стремится вытолкнуть проводник за свои границы.
Определение направления
Чтобы найти направление силы магнитного излучения, нужно воспользоваться правилом левой руки.
На изображении видно, что через ладонь проходит вектор — это направление тока. Вектор, который входит в ладонь — магнитная индукция. Отогнутый большой палец показывает, как движется электромагнитная сила. Её величину можно рассчитать с помощью закона Ампера по формуле:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Зная величину угла между проводом и вектором индукции, величину электромагнитной силы можно вычислить по формуле:
Примечание
B — магнитная индукция;
l — длина провода, расположенного в магнитном поле;
α — угол между вектором индукции и направлением тока.
Единицей измерения электромагнитной силы является ньютон.
Виды и применение
Действие электромагнитных сил можно наблюдать не только в искусственных условиях, но и в естественной среде, где происходит взаимодействие магнитного поля с заряженными частицами. Например, явление света и видимости существует благодаря возникновению и перемещению электромагнитных волн.
К электромагнитным силам можно также отнести:
- Силу трения, возникающую из-за неровных поверхностей соприкасающихся тел. Эта сила всегда направлена противоположно движению.
- Силу упругости, возникающую при упругой деформации в теле. Направлена против деформации.
- Вес тела — электромагнитная сила, направленная на другие тела благодаря притяжению Земли.
Действие электромагнитной силы находит применение в различных устройствах: от бытовых электроприборов до двигателей ракетных установок. Обычно эти механизмы работают на основе электромагнитов, которые представляют собой катушку с ферромагнитным сердечником. По обмотке электромагнита протекает ток, создающий магнитное поле. В результате магнитные поля частиц сердечника образуют единое сильное поле.
В зависимости от того, какой ток проходит через катушку, различают электромагниты переменного тока, нейтральные и поляризованные магниты постоянного тока.
Электромагнитные силы в природе
Электромагнитные силы по частоте проявления в природе занимают первое место среди других явлений. На микроскопическом уровне они действуют в атомах, позволяя им объединяться в молекулы веществ в различных агрегатных состояниях. При расщеплении ядер атомов электромагнитные силы разгоняют осколки, что сопровождается высвобождением колоссальной энергии.
Широкое распространение электромагнитных сил обусловлено тем, что все вещества состоят из заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют друг с другом.
Примеры проявлений силы упругости, трения, натяжения, а так же притяжения мы постоянно наблюдаем в природе и используем в повседневном быту, производстве, научных экспериментах.
Электромагнитные силы
Электромагнитные силы являются наиболее распространенными в природной среде. Благодаря им мы можем видеть друг друга, поскольку свет также является проявлением электромагнитного взаимодействия. Действия электромагнитных сил подчиняются фундаментальным законам взаимодействия заряженных частиц и тел. Электромагнитные силы возникают между элементарными частицами, которые имеют электрический заряд.
Электромагнитное взаимодействие возникает и реализуется только при помощи электромагнитного поля.
Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем
Энергия, которая заключена в магнитное поле, проявляет себя при помощи электромагнитных сил, что возникают при взаимодействии движущихся электрических зарядов и магнитного поля. Электромагнитная сила, которая возникает в магнитном поле при движении электрического заряда, действует на поле в направлении, что перпендикулярно направлению и движению силовых линий, а также стремится вытолкнуть заряд за его пределы.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Если в магнитное поле поместить проводник с током $I$, то между магнитным полем и электронами, которые проходят по проводнику, возникнут электромагнитные силы, что образуют результирующую силу $F$, стремящуюся вытолкнуть из магнитного поля проводник.
Замечание 1
Электромагнитную силу можно определить при помощи закона Ампера. Он сформулирован так: электромагнитная сила, которая действует на проводник с электрическим током, что находится в магнитном поле и располагается перпендикулярно направлению данного поля, равна произведению индукции поля $B$, силы тока $I$ и длины проводника $ l $.
По правилу левой руки можно определить направление действия силы $F$: левая рука располагается так, чтобы магнитные линии входили прямо в ладонь, а четыре вытянутых пальца совмещались с направлением электрического тока – тогда большой палец, что расположен под прямым углом, укажет направление действия силы.
«Электромагнитные силы» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Помощь с рефератом от нейросети
Сила возникнет только в том случае, если проводник располагается под некоторым углом или перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если проводник располагается вдоль силовых линий магнитного поля, то электромагнитная сила приравнивается нулю.
Чтобы изменить направление электромагнитной силы, нужно изменить направление магнитного поля или направление электрического тока в проводнике.
Электромагнитная сила $F$ возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ее возникновение наглядно можно представить как результат взаимодействия магнитных полей. Собственное круговое магнитное поле возникает вокруг проводника с электрическим током, оно будет складываться с внешним полем. При этом справа от проводника, в котором силовые линии поля совпадают с внешними линиями магнитного поля, осуществляется разрежение силовых магнитных линий.
Замечание 2
Силовые линии магнитного поля обладают свойством упругости, которое напоминает свойство резиновых нитей, что стремятся сократиться по длине и вытолкнуть проводник из места сгущения силовых линий в сторону их разрежения. В результате этого и возникает электромагнитная сила $F$.
Если в магнитное поле поместить не проводник, а катушку или виток с током, и расположить их вертикально, то используя правило левой руки, можно определить, что электромагнитные силы, действующие на них, направляются в разные стороны. В результате взаимодействия двух сил возникает вращающий момент $M$, который приведет к повороту катушки или витка.
$M = FD$, где $D$ — это расстояние между сторонами катушки или витка.
Виток будет вращаться в магнитном поле, пока не займет положение, что будет перпендикулярным силовым линиям поля. Для того чтобы увеличить вращающий момент в электродвигателях, применяется не один виток, а несколько.
Виды электромагнитных сил
Определение 1
Электромагнитные силы – это силы, которые действуют между телами по причине того, что эти тела состоят из заряженных движущихся частиц, между которыми действуют магнитные и электрические силы.
К электромагнитным силам можно отнести:
- сила трения $ \vec< F_> $;
- сила упругости $ \vec< F_> $;
- вес тела $ \vec < P>$.
Определение 2
Сила трения $ \vec< F_> $ — это электромагнитная сила, которая возникает вследствие того, что соприкасающиеся тела имеют неровные поверхности.
Сила трения всегда направлена в сторону, которая противоположна движению. Она не имеет точки приложения. Существует два вида силы трения:
- Сила трения покоя. Она возникает при относительном покое тел, иными словами, когда соприкасающиеся тела относительно друг друга абсолютно неподвижны. Сила трения покоя по величине всегда приравнивается внешней силе и направляется в противоположную сторону. Она не может превышать максимального значения $F_ = \mu N$.
- Если внешняя сила, которая приложена к телу, становится больше $F_$, то случается проскальзывание. Сила трения в таком случае имеет название «сила трения скольжения».
Сила трения скольжения определяется по следующей формуле:
- $ \mu $ — это коэффициент трения (безразмерная величина), который зависит только от материала изготовления тел и степени их обработки;
- $ N$ — это сила реакции опоры.
Кроме вышеперечисленных сил трения также можно выделить электромагнитные силы вязкого трения и силы трения качения.
Определение 3
Сила упругости $ \vec< F_> $ — это электромагнитная сила, которая возникает при упругой деформации в теле.
Она направляется противоположно деформации. Модуль силы упругости можно вычислить по формуле:
$ |F_| = k \delta l$, где
- $k$ — жесткость пружины;
- $\delta l$ — это деформация.
Также к электромагнитным силам можно отнести вес тела.
Определение 4
Вес тела $ \vec < P>$ – это электромагнитная сила, с которой тело воздействует на другие тела по причине его притяжения к поверхности Земли.
Если тело находится в состоянии покоя относительно вертикали или движется вверх или вниз равномерно, то его вес приравнивается к силе тяжести:
Если тело движется вверх с замедлением или вниз с ускорением, то его вес значительно меньше силы тяжести. Найти его можно по следующей формуле:
Если тело падает свободно, то наступает невесомое состояние. Вес тела в таком случае приравнивается нулю:
Если тело опускается вниз с замедлением или движется вверх с ускорением, то его вес превышает силу тяжести. Найти вес тела можно по формуле:
В таком случае отношение веса тела к силе тяжести можно назвать перегрузкой.
Формулу веса тела, которое движется равноускорено через векторную разность, в общем случае можно выразить в таком виде:
Электромагнитные силы в природе
Огромную совокупность электромагнитных процессов охватывает классическая теория электричества. Среди основных типов взаимодействий (гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые) электромагнитные силы занимают первое место по разнообразию проявлений и частоте встречаемости. Упругая сила пара имеет электромагнитную природу, поэтому смена «столетия пара» на «столетие электричества» означает лишь смену эпохи, когда люди не могли управлять и воздействовать на электромагнитные силы, на ту эпоху, где человечество распоряжается этими силами на свое усмотрение.
Электромагнитные силы, которые существуют в природе, перечислить сложно. Благодаря им определяется устойчивость атомов, происходит объединение атомов в молекулы, обуславливается взаимодействие между ними, что приводит к образованию жидких и твердых тел. Все виды трения и упругости имеют электромагнитную природу.
Роль электрических сил имеет огромное значение в атомном ядре. При взрыве атомной бомбы в ядерном реакторе электромагнитные силы разгоняют осколки ядер, что приводит к выделению мощной энергии. Даже взаимодействие между телами происходит при помощи электромагнитных волн – радиоволн, света, а также теплового излучения.
§ 7. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Магнитное поле. Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Оно воздействует только на движущиеся заряды.
Общеизвестно действие постоянных магнитов и электромагнитов на ферромагнитные тела, существование и неразрывное единство полюсов магнитов и их взаимодействие (разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются). По аналогии с магнитными полюсами Земли полюсы магнитов называют северным и южным .
Магнитное поле наглядно изображается магнитными силовыми линиями , которые задают направление магнитного поля в пространстве (рис. 20). Эти линии не имеют ни начала, ни конца, т. е. являются замкнутыми .
► В пространстве, окружающем магнит или электромагнит, за положительное направление магнитных силовых линий условно принято направление от северного полюса к южному. Чем интенсивнее магнитное поле, тем выше плотность силовых линий.
Силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника представляют собой концентрические окружности, охватывающие провод. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. При удалении от провода с током магнитное поле ослабевает.
Рис. 20. Магнитные поля прямого и подковообразного магнитов
Направление магнитных силовых линий определяется правилом буравчика: если ввинчивать винт по направлению тока, то магнитные силовые линии будут направлены по ходу винта (рис. 21, а ).
Для получения более сильного магнитного поля применяют катушки с обмоткой из проволоки. В этом случае магнитные поля отдельных витков катушки складываются и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток. Магнитные силовые линии выходят из катушки на том конце, где ток направлен против хода часовой стрелки, т. е. этот конец является северным магнитным полюсом (рис. 21, б ). При изменении направления тока в катушке изменится и направление магнитного поля.
Рис. 21. Магнитное поле прямого провода ( а ) и катушки ( б )
Рис. 22. К правилу левой руки
Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В .
Рассмотрим проводник с током I , расположенный перпендикулярно направлению магнитных силовых линий однородного магнитного поля (рис. 22).
Направление действия электромагнитной силы Р на проводник определяется «правилом левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия электромагнитной силы.
По этой силе можно судить об интенсивности магнитного поля , т. е. о его магнитной индукции .
Если на проводник длиной один метр с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в один ньютон, то магнитная индукция такого поля равна одной тесле [Тл].
► Магнитная индукция — векторная величина: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям.
Магнитный поток. Величина, измеряемая произведением магнитной индукции В на площадь S , перпендикулярную вектору магнитной индукции, называется магнитным потоком Ф:
Если магнитную индукцию выражают в теслах, а площадь в квадратных метрах, то поток выражается в веберах [Вб]: 1 Вб=1Тл·1 м 2 .
Магнитодвижущая сила (мдс). Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой , действующей вдоль замкнутой магнитной силовой линии. Мдс равна току, создающему магнитное поле, и выражается в амперах.
Для проводника с током I мдс равна току I . В общем случае, когда замкнутый контур магнитной силовой линии охватывает несколько токов, суммарная мдс равна сумме токов.
Например, для случая, показанного на рис. 23, мдс
Для катушки с числом витков w и током I (рис. 24) мдс
Напряженность магнитного поля. Мдс, приходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется напряженностью магнитного поля Н и выражается в амперах на метр.
Рис. 23. Контур магнитной цепи, сцепленной с токами
Рис. 24. Тороидальная катушка
Если физические условия вдоль всей длины I магнитной линии одинаковы, то
Например, вокруг прямолинейного проводника с током I линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности переменного радиуса х , длина каждой из которых l =2 x . В этом случае напряженность Н = I · (2 x ), т. е. по мере удаления от проводника напряженность поля снижается .
Между напряженностью и магнитной индукцией, как известно, существует зависимость B = H .
Проводник с током в магнитном поле. Известно, что на проводник с током в магнитном поле, согласно правилу левой руки (см. рис. 22), действует электромагнитная сила F , которая стремится сместить его в плоскости, перпендикулярной направлению вектора В магнитной индукции поля. Эта сила тем больше, чем больше ток I в проводнике и индукция магнитного поля В , чем длиннее активная (находящаяся в магнитном поле) часть проводника I . Электромагнитная сила определяется по формуле
где — угол, под которым прямолинейный проводник расположен по отношению к магнитным силовым линиям поля.
Рис. 25. Взаимодействие двух проводников с током
В результате воздействия таких механических сил при одинаковом направлении тока лежащие рядом проводники будут притягиваться друг к другу (рис. 25, а ), при разном направлении тока — отталкиваться (рис. 25, б ).
► Особенно большие силы между проводниками возникают в электрических цепях при коротких замыканиях.
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля вокруг проводника, связанное с пересечением проводника магнитными силовыми линиями, вызывает появление эдс в этом проводнике.
При этом безразлично, будет ли изменяться магнитное поле относительно проводника или проводник будет перемещаться в магнитном поле. Индуцированная эдс прямо пропорциональна индукции В , активной длине проводника l и скорости его перемещения в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля:
где — угол между направлениями скорости v и поля. Если =90° (что бывает часто), то е=В lv . Направление эдс определяют согласно « правилу правой руки » (рис. 26).
Если поставить правую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцируемой эдс.
При изменении магнитного потока, охватываемого замкнутым контуром, в нем индуцируется эдс
где t — промежуток времени, в течение которого поток изменяется на Ф .
Рис. 26. К правилу правой руки
В катушке с w витками
Знак минус отражает правило Ленца :
индуцируемая эдс стремится противодействовать причине, ее вызывающей.
Вихревые токи. В магнитопроводах электротехнических устройств (электрических машин, трансформаторов и др.) при прохождении переменных магнитных потоков наводятся эдс и возникают так называемые вихревые токи . Эти токи нагревают магнитопровод, создают дополнительные потери и производят размагничивающее действие.
Самоиндукция. При изменении тока в проводнике, витке или катушке изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока индуцирует в проводнике (витке, катушке) эдс, действие которой по правилу Ленца направлено на поддержание предшествующего состояния поля. Такое явление называется самоиндукцией .
Явление самоиндукции в тех или иных проводниках характеризуется индуктивностью L .
Индуктивность — это размерный коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока во времени и индуцируемой при этом эдс:
Знак минус в формуле отражает правило Ленца.
► Единица индуктивности генри [Гн]. Такой индуктивностью обладает проводник, в котором возникает эдс самоиндукции, равная 1В, при изменении тока на 1А за 1 с.
Значение индуктивности L зависит от конструкции элементов цепи. Так, для катушки с числом витков w , с магнитопроводом длины l , сечения S и магнитной проницаемостью
Если катушки своими полями не влияют друга на друга, то при последовательном соединении катушек с индуктивностями L 1 , L 2 , L 3 . общая индуктивность
При параллельном соединении
Во многих случаях явлением самоиндукции можно пренебречь, считая цепь не обладающей индуктивностью. На рис. 27, а показано, как меняется ток i при подаче и снятии напряжения в цепи без индуктивности.
В цепи с индуктивностью (рис. 27, б ) ток не мгновенно достигает значения, определяемого сопротивлением цепи и приложенным напряжением. Вследствие самоиндукции происходит замедление нарастания тока i . При отключении цепи возникающая при уменьшении тока эдс самоиндукции стремится поддерживать ток i прежнего направления.
Энергия магнитного поля. Магнитное поле, окружающее проводник с током, обладает энергией . Она накапливается при нарастании тока в цепи и поддерживает ток при отключении цепи от источника электроэнергии.
Рис. 27. Нарастание и спад тока в отсутствие самоиндукции ( а ) и при ее наличии ( б )
Рис. 28. Магнитная связь двух катушек
В катушке с током I , обладающей индуктивностью L эта энергия
► Энергия магнитного поля определяется работой, которую затрачивает ток на создание этого поля.
Взаимная индукция. Если две катушки с током расположить рядом, то магнитное поле каждой из них будет пронизывать контур другой.
Взаимной индукцией называется явление наведения эдс в одной цепи (контуре, катушке) при изменении тока в другой цепи.
Для оценки степени магнитной связи контуров вводится понятие взаимной индуктивности М .
Рассмотрим магнитную связь двух катушек, расположенных достаточно близко друг от друга (рис. 28). При прохождении по катушке 1 переменного тока i 1 и часть общего магнитного потока Ф 11 , создаваемая этим током и равная Ф 12 , пронизывает катушку 2 и наводит в ней эдс (рис. 28, а ). Поток Ф 12 , так же как и Ф 11 , пропорционален току i 1 :
Аналогично, при прохождении тока i 2 в катушке 2 наводится эдс в катушке 1 (рис. 28, б ) переменным магнитным потоком:
Взаимная индуктивность может быть выражена через индуктивность L 1 и L 2 катушек:
§20. Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем
Проводник с током в магнитном поле. Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами. Электромагнитная сила, возникающая при движении электрического заряда в магнитном поле, действует на него в направлении, перпендикулярном движению и направлению силовых линий, и стремится вытолкнуть заряд за пределы поля (см. рис. 34).
Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образуют результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля (рис. 48). Электромагнитная сила определяется законом Ампера. Он формулируется следующим образом. Электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника l:
F = IBl (48)
Если проводник расположен под углом ? к силовым магнитным
F = BIlsin? (48′)
Чтобы получить F в ньютонах, надо В брать в теслах, I — в амперax и l — в метрах.
Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее и четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока, тогда расположенный под прямым углом большой палец укажет направление действия электромагнитной силы. Сила F возникает только в том случае, если проводник расположен перпендикулярно или под некоторым углом к магнитным силовым линиям поля. Если же проводник расположен вдоль силовых линий поля, то электромагнитная сила будет равна нулю.
Для того чтобы изменить направление электромагнитной силы, как следует из правила левой руки, необходимо изменить направление тока в проводнике или же направление магнитного поля.
Возникновение электромагнитной силы F при взаимодействии проводника с током и магнитного поля можно наглядно представить как результат взаимодействия двух магнитных полей.
Как известно, вокруг проводника с током возникает свое собственное круговое магнитное поле (рис. 49), которое будет складываться с внешним магнитным полем (например, постоянного магнита), в которое помещен проводник с током. При этом справа от проводника, где силовые линии поля проводника совпадают с линиями внешнего поля, происходит сгущение силовых линий; слева от проводника, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям внешнего поля, происходит разрежение силовых линий. Магнитные силовые линии обладают свойством упругости, напоминающим свойство резиновых нитей. Стремясь сократиться по длине, они будут выталкивать проводник из области сгущения силовых линий в сторону их разрежения, т. е. справа налево. В результате возникает электромагнитная сила F.
Рис. 48. Электромагнитная сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Рис. 49. Сгущение и разрежение магнитных силовых линий при наличии в магнитном поле проводника с током.
Рис. 50.Электромагнитные силы,действующие в магнитном поле на виток или катушку с током.
Виток с током в магнитном поле. Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) с током и расположить его вертикально (рис. 50, а), то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы F, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М, который вызовет поворот витка, в данном случае по часовой стрелке. Этот момент
M = FD (49)
где D — расстояние между сторонами витка.
Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (рис. 50, б). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил возможно больший магнитный поток. Свойство витка и катушки с током поворачиваться в магнитном поле широко используется в электротехнике; электрические двигатели и ряд электроизмерительных приборов работают по этому принципу.
Для увеличения вращающего момента в электрических двигателях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединенные соответствующим образом, образуют обмотку якоря электродвигателя.