Применение электромагнетизма

Сферы практического применения электромагнетизма

Невозможно переоценить практическое значение теории электромагнетизма, которая обеспечила интенсивный научно – технический прогресс за прошлые сто пятьдесят лет.

Прошедшие десятилетия принципиально изменили мир. На основе электромагнитной теории разработаны технологии, которые дали возможность сконструировать современные устройства сбора, обработки и хранения информации. Например:

• Атомно – силовой микроскоп, который служит иллюстрацией электростатического взаимодействия. Это микроскоп обеспечивает атомное разрешение.
• Сканеры.
• Интравизоры.
• Магнитно – резонансный томограф.
• Металлодетекторы с высокой чувствительностью.
• Накопители на флэш-памяти с объемом до 1 Тб.
• Ксерокопировальные устройства.
• Разные принтеры, аппараты факсимильной связи.

Возможности современных ускорителей заряженных частиц в сверхсильных магнитных полях выходят за рамки воображения. Так, Большой адронный коллайдер дает энергию протонам около 14TэВ.

Современные проезда на магнитной подушке способны развивать скорости более 500 км/ч.

Электромагнитные пушки могут придать снаряду скорость на вылете близкую к первой космической, при попадании в мишень снаряд такой пушки превращает твердую мишень в облако плазмы.

Огромный прогресс достигнут в повсеместном использовании интернета, мобильной и космической связи.

К актуальным вопросам, относимым, в том числе, к компетенции электромагнетизма причисляют:

1. Проблему применения электричества атмосферы.
2. Транспортировку энергии без проводов.
3. Проблемы магнетизма Земли.
4. Защиту нашей планеты от солнечного ветра.
5. Вопросы солнечной энергетики.
6. Замещение невосстанавливаемых источников энергии альтернативами.
7. Создание наноструктур и материалов, которые имеют уникальные электрические и магнитные свойства.

Однако не следует забывать, что многие современные приборы и устройства имеют в своей основе процессы и явления, описанные еще в XIX веке, поэтому следует их изучать. Рассмотрим некоторые из них.

Машина постоянного тока

Явление электромагнитной индукции используется в электрических генераторах. В них электрический ток возникает при движении проводника в магнитном поле.

При перемещении проводника, имеющего длину $l$ нормально к вектору магнитной индукции ($\vec B$) магнитного поля, в этом проводнике появляется электродвижущая сила индукции, следовательно, в проводнике будет течь индукционный ток. На проводник с током оказывает действие сила Ампера ($\vec F_A$).

Используя правило левой руки несложно убедиться, что направление силы Ампера противоположно направлению скорости перемещения проводника ($\ vec v$) (рис.1). Для осуществления движения проводника с постоянной скоростью на этот проводник необходимо действовать с некоторой силой $\vec F$, которая будет равна по величине силе Ампера, но направлена в противоположную сторону.

Данная внешняя сила при перемещении проводника на расстояние $\Delta l=v\Delta t$ будет совершать работу:

$A=F\Delta l=IBl\Delta l$=$\frac{q}{\Delta t}B\Delta S=q\frac{\Delta Ф}{\Delta t}=q\bullet Ɛ_{i}\left( 1\right)$.

Выражение (1) показывает, что работа внешних сил, заставляющих проводник перемещаться в магнитном поле, равна работе ЭДС индукции.

Основные части генератора постоянного тока:

• индуктор, создающий магнитное поле;
• якорь, в его обмотке возникает ЭДС индукции;
• коллектор; электрические щетки.

Рисунок 1. Машина постоянного тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

По пластинам коллектора скользят электрические щетки, которые осуществляют соединение концов обмоток с внешней электрической цепью.

Индуктор может быть неподвижен, в этом случае его называют статором.

Тогда якорь машины совершает вращение и носит название ротора. Якорь содержит сердечник из стали в форме цилиндра. Концы обмоток якоря соединяются с пластинами коллектора.

Если якорь вращается в магнитном поле индуктора, то в его обмотках возникает ЭДС индукции. При помощи скользящих контактов коллектора и электрических щеток обмотка якоря, в которой ЭДС индукции максимальна в данный момент времени, соединяется с потребителями.

Электродвигатель

Машина постоянного тока является обратимой. Это означает то, что данную машину можно применять для преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

При использовании генератора постоянного тока как электродвигателя через обмотку индуктора пропускают постоянный ток.

Если подключить к щеткам постоянное напряжение в обмотке якоря появляется электрический ток, тогда провода обмотки испытывают действие силы Ампера со стороны магнитного поля. На противоположных сторонах якоря силы Ампера имеют противоположные направления, при их воздействии якорь начинает вращаться. При помощи электрического двигателя приводятся в движение колеса электрического транспорта.

Электрические приборы

Ряд электрических приборов использует то, что магнитные поля оказывают воздействие на проводники с током. В этих приборах электрический ток, который следует измерить, пропускают через проводящую рамку, которая размещена в поле постоянного магнита. Рамка находится на оси.

Вначале, когда через рамку начинают пропускать электрический ток, на рамку действуют силы Ампера, момент этих сил заставляет ее поворачиваться. Момент сил Ампера больше, чем момент сил упругости пружин, которые противостоят повороту. Подвижная часть прибора совершает поворот с ускорением. Достигается угол поворота, при котором моменты сил уравновешиваются. Подвижная часть приобретает запас кинетической энергии вращения, проходит положение равновесия и тормозится возвращающими пружинами, останавливается и начинает движение в обратную сторону. Так, происходят затухающие колебания. С целью успокоения колебаний используют специальные успокоители.

Угол поворота стрелки в устройствах магнитоэлектрической системы пропорционален силе тока.