История открытий электричества и электромагнетизма. Создание электрических машин (стр. 2 )

В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток[2], [3], [7], [8]

(2)

В 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях [2], [3], [7], [8]:

·  Первый закон Кирхгофа

Применяется к узлам и формулируется следующим образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Знаки определяются в зависимости от того, направлен ток к узлу или от него (в любом случае произвольно).

  (3)

·  Второй закон Кирхгофа

Применяется к контурам: в любом контуре сумма напряжений на всех элементах и участках цепи, входящих в этот контур, равна нулю. Направление обхода каждого  контура можно выбирать произвольно. Знаки определяются в зависимости от совпадения напряжений с направлением обхода.

     (4)

Вторая формулировка: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящих в этот контур, равно алгебраической сумме ЭДС.

    (5)

·  Обобщение законов Кирхгофа

Пусть У - количество узлов цепи, В - количество  ветвей, К - число контуров[4].

Рисунок 3 - Линейная разветвленная электрическая цепь (У=3, В=5, K=6)

2. МАГНЕТИЗМ (МАГНИТЫ)

Магнетизм – это форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля[5].

Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела[6].

Постоянный магнит - изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.
Магниты [греч. magnetis, от Magnetis Lithos, — камень из Магнесии (древний город в Малой Азии)] бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы.

Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты (Магнитосфера) так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.

В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения.

а б в

Рисунок 4 – Виды магнитов: а) подковообразный; б) полосовой; в) кольцевой

Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.
Различные части постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, называются полюсами магнита, а средняя часть, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита. Искусственные магниты в виде полосы или подковы всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно намагнитить кусок стали таким образом, что он будет иметь 4, 6 и более полюсов, разделенных нейтральными зонами, при этом число полюсов всегда остается четным. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы.

Уединенный магнит в виде длинного и тонкого стержня называют магнитной стрелкой. Конец укрепленной на острие или подвешенной магнитной стрелки — простейший компас, указывает географический север Земли, и называется северным полюсом (N) магнита, противоположный полюс магнита, указывает на юг, и называется южным полюсом (S).
Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.

Магнитные цепи, включающие постоянные магниты, должны быть разомкнутыми, т. е. иметь воздушный зазор. Если постоянный магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера[5]-[8].

Когда постоянный магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например между полюсами подковообразного магнита, воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) постоянного магнита[7].

3. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Электромагнитное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов[8].

Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязан­ные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появ­лению другого: переменное электрическое поле, порождаемое уско­ренно движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке простран­ства в виде электромагнитных волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источ­ника и не исчезает с устранением источника (например, радио­волны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).

Электромагнитное поле в вакууме описывается напряженностью электри­ческого поля Е и магнитной индукцией В. Электромагнитное поле в среде характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величина­ми: напряженностью магнитного поля Н и электрической индукцией D. Связь компонентов электромагнитного поля с зарядами и то­ками описывается уравнениями Максвелла.

Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конеч­ной скоростью, зависящей от свойств среды (рисунок 5).

Рисунок 5 - Электромагнитные волны

Существо­вание электромагнитных волн предсказано английским физиком М. Фарадеем в 1832 г. Другой английский ученый, Дж. Максвелл, в 1865 г. теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализован­ными в пространстве, а распространяются во все стороны от источника. Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радио­волн, оптического излучения, рентгеновского излучения, гамма-излучения. Оказалось, что все эти виды излуче­ния – электромагнитные волны с различной длиной волны λ, т. е. родственны по своей природе. Каждое из них имеет своё определён­ное место в единой шкале электромагнитных волн (рисунок 6).

Рисунок 6 - Шкала электромагнитных волн

Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.