Еще со времен Фарадея изучаются электромагнитные явления. Однако взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля внимание к себе привлекло лишь в последние годы. Основным толчком к изучению данных явлений стала астрофизика. Уже долгие годы предполагается, что основная часть материи во Вселенной находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Главные сведенья в области электромагнитной динамики были получены в результате астрофизических исследований.
Роль электромагнитных явлений в физике
В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.
Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.
Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.
Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.
Главная особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.
Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.
В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем. Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике. После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.
Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.
Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.
Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:
$F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$
Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:
$F_H = G\frac{m_1m_2}{R^{2}}$
Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:
- магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
- магнитных зарядов в природе не существует;
- электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
- магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.
Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.
Электромагнитные явления. Основные термины и формулы
Электрический заряд – это величина, которая характеризует свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.
Существует два вида электрических зарядов:
- положительные заряды, носителями которых являются протоны;
- отрицательные заряды, носителями которых являются электроны.
Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Атом превращается в ион, если он получает или отдает несколько электронов.
Электризация – это процесс приобретения заряда при помощи макроскопического тела.
На данный момент существует несколько способов электризации:
- при помощи трения;
- при помощи влияния.
Электрическое поле – это форма материи, что существует вокруг заряженных частиц и тел, и действует на другие частицы, что имеют заряд.
Основными законами электростатики являются:
- Закон Кулона для неподвижных зарядов: $F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$
- Закон сохранения заряда (для замкнутой системы): $ q_1 + q_2… + q_n = const $
Электрический ток – это направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд.
Есть несколько условий, которые обеспечивают существование электрического тока:
- наличие свободных частиц, которые имеют заряд;
- наличие электрического поля.
Действие электрического поля может быть:
- тепловым;
- магнитным;
- химическим;
- световым.
Электрическое поле формируется при помощи источников тока, в которых осуществляется работа по разделению зарядов. Это происходит за счет преобразования нескольких видов энергии в энергию электрического поля.
К характеристикам участка цепи можно отнести:
- Силу тока: $I = \frac {q}{t}=A (ампер)$ - измерение осуществляется при помощи амперметра.
- Напряжение: $U = \frac{A}{q}= В (вольт)$ - измеряется при помощи вольтметра.
- Сопротивление: $R = p\frac{l}{S} = Ом$ - измеряется при помощи омметра.
Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом:
$I = \frac{U}{R}$
Существует два вида соединения проводников: последовательное и параллельное. Последовательное соединение проводников выглядит следующим образом:
- $I = I_1 = I_2 =…= I_n$
- $U = U_1 + U_2+…+U_n$
- $R = R_1 + R_2 +…+ R_n$
Параллельное соединение проводников выглядит следующим образом:
- $ I = I_1+I_2+…+I_n$
- $U = U_1 = U_2 =…= U_n$
- $ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} +…+ \frac{1}{R_n}$
Работа тока: $A = Ult$
Мощность тока выглядит так: $P = IU$
Количество теплоты, что выделяется при прохождении сквозь проводник тока можно выразить следующим образом: $Q = I^2 Rt$
Электрический ток может существовать в различных средах:
- В металлах осуществляется направленное движение свободных электронов.
- В жидкостях происходит направленное движение свободных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза выглядит следующим образом: $m = qk = klt$
- В газах происходит направленное движение электронов и ионов, что образуется в результате ионизации.
- В полупроводниках – направленное движение свободных дырок и электронов.
Магнитное поле – это особая форма материи, существующая вокруг заряженных движущихся частиц и тел, и действует на другие заряженные частицы и тела, что движутся в этом же поле.
Линии магнитного поля – это условные линии, вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок в магнитном поле.
Интересные факты применения электромагнитных явлений
Сохранились записи, которые подтверждают, что в древние времена императора Нерона, что страдал ревматизмом, лечили электрованнами. Суть такого лечения заключалась в следующем: в деревянную кадку с водой были помещены электрически скаты. Находясь в такой ванной, человек подвергался действию электрических полей и зарядов.
В Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Под детские пеленки подкладывались изолированные металлические сети, что разделялись сухой подкладкой. Эти сети соединялись с низковольтным источником тока и с электрическим звонком. Когда подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и срабатывал звонок. Это позволяло матерям сразу знать, когда нужно заменить пеленку.
В тех регионах, где встречаются сильные морозы, существовала проблема слива нефтепродуктов, поскольку их вязкость при низких температурах была слишком высокая. Тогда ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, которая позволяла сократить энергозатраты.
При помощи электромагнитных явлений можно было определить отпечатки пальцев человека, что держал в руках гильзы и патроны. Поместив гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась металлическая пленка, на которой проявлялись отпечатки пальцев, что легко поддавались идентификации.
