Наука про електромагнетизм – це одна з найважливіших галузей, які нам відомі. Електромагнетизм знаходиться в центрі практичного застосування у промисловості та всіх наших знань про фізичну структуру Всесвіту.
Можливо, ви про це не замислювалися, але без знань про електромагнетизм ми не змогли б транспортувати або виробляти електроенергію. Цього би просто не сталося. Ми б не могли виробляти величезну кількість електроенергії, яка нам потрібна по всій країні та в кожній оселі. У нас би не було генераторів. Подумайте про це, коли вмикаєте світло, кип’ятите електрочайник або дивитеся телевізор.
Між тим, до речі, електромагнетизм – це дивовижне поєднання електрики та магнетизму – формує зв’язки Всесвіту. Ось чому ми не можемо сказати, що хтось «винайшов» електромагнетизм: його швидше виявили, а потім розрахували як силу, що утримує разом різні частини атома. Він відповідає за хімічні сполуки, а ще це сила, яка виробляє світло.
Таким чином, електромагнетизм є всюди. Але тут ми розглянемо особливе явище, відоме як електромагнітна індукція – створення електрорушійної сили через наявність змінного магнітного поля.
Уже думаєте, що вам потрібні додаткові уроки фізики?
Не хвилюйтеся, якщо поки не все зрозуміло, тому що ми коротко продублюємо все, що вам потрібно знати, аби зрозуміти цей справді дивовижний процес.
Що таке електромагнетизм?
Почнемо з основного. Не нагадаєте, що таке електромагнетизм? Він знадобиться для підготовка до ЗНО з фізики.
Почнімо з магнетизму
Ну, ми знаємо, що таке магнетизм, чи не так? Деякі матеріали є магнітними, тобто діють магнітною силою, а інші – ні. У цих магнітних матеріалах (а ті, які залишаються магнітними навіть за межами зовнішнього магнітного поля, ми називаємо постійними магнітами або феромагнітними матеріалами) всі неспарені електрони вирівняні, тобто вони діють у певному напрямку.
У немагнітних матеріалах цього не відбувається – електрони або всі спарені, або абсолютно випадково розташовані.
Феромагнітні матеріали – як залізо чи нікель – є або довільно магнітними, або намагнічуються через те, що вони контактували з магнітним полем. І хоча самі по собі ці матеріали круті, вони не такі зручні, як електромагніти, які можна вмикати та вимикати. А ще електромагніти набагато потужніші.
А потужні магніти можуть зробити дуже багато.
А електромагнетизм?
Електромагніт, тим часом, є магнітом, який живиться електричним струмом.
Електрика сама по собі має магнітну силу. І хоча вона присутня навіть у простому мідному дроті – і, як ми вже говорили, у всіх мініатюрних вимірюваннях електричного заряду в кожному атомі та хімічній сполуці – вчені знайшли способи зробити цю силу набагато потужнішою.
Як правило, в електромагнітах використовуються котушки дроту, кожна з яких обмотується навколо шматка металу – зазвичай заліза. Ця конструкція називається соленоїдом. Коли через цей дріт протікає електричний струм, вироблене магнітне поле зосереджується на магнітному сердечнику, шматку металу в центрі соленоїда. Ці електромагніти дуже потужні, але, як тільки ви вимикаєте електрику, соленоїд перестає намагнічуватися.
Отже, так, електромагніт насправді є просто дуже сильним магнітом. Однак ця конкретна комбінація електрики та магнетизму неймовірно корисна. І одним із найважливіших застосувань є електромагнітна індукція – створення електрорушійної сили (ЕРС або індукованої напруги) через рух магнітного поля.
Потім ці магніти виробляють електрику. Тепер ви розумієте, чому вони можуть бути корисними?
До речі, в іншій статті можна ознайомитися з нашим посібником з магнетизму та електромагнетизму!
Коротка історія електромагнітної індукції
Щоб краще пояснити процес та важливість електромагнітної індукції, пропонуємо коротко пройтися по її історії. Для цього нам потрібно повернутися до найперших експериментів, які вивели її на яв, – аж до 1830-х років.
На той час людство мало підковоподібний електромагніт завдяки винаходу Вільяма Стерджена – і люди вже знали, що потоки електричного струму мають власну магнітну силу завдяки відкриттям Ампера та Ерстеда.
Однак саме людина на ім'я Майкл Фарадей відкрив принципи електромагнітної індукції, коли провів невеликий експеримент, опублікований у 1831 році.
Майкл Фарадей
Майкл Фарадей фактично став одним із найвпливовіших вчених в історії – чого вартує лишень його робота про магнетизм, яка показує, як ця сила може впливати, наприклад, на промені світла. Однак його найважливішим експериментом був той, який відкрив електромагнітну індукцію.
Фарадей взяв залізне кільце і обмотав дві протилежні його сторони двома різними шматками дроту. Пропускаючи електричний струм через один із дротів, він очікував побачити якийсь електричний заряд або вплив на другий дріт.
Тому він з’єднав цей другий дріт з гальванометром – приладом, який вимірює електричні заряди. І ось, коли Фарадей вмикав і вимикав акумулятор на першому дроті, гальванометр показував електричний заряд. Фарадей припустив, що це сталося через магнітний потік, який проходив через центр кільця.
Прояснімо: електричний струм вироблявся, лише коли змінювалося магнітне поле. Отже, Фарадей бачив зміни на гальванометрі лише в моменти, коли він вмикав і вимикав акумулятор. В інший час гальванометр нічого не показував.
Ось чому в іншому з його експериментів він вставляв і виймав стрижневий магніт із котушки дроту. Тут той самий електричний заряд було видно на гальванометрі, стрілка рухалась.
Закон Фарадея та рівняння Максвелла
Хоча Фарадей виконав всю практичну роботу, результати його експериментів не викликали особливого ентузіазму в науковій спільноті, оскільки він не представив свої висновки у математичних термінах.
Саме Джеймс Клерк Максвелл описав математично те, що показав експеримент Фарадея, аж через тридцять років. Рівняння Максвелла стали назвою цих законів, які описують те, що відбувається в електромагнітній індукції.
Як працює електромагнітна індукція?
Отже, що саме відкрив Фарадей? Якщо просто, то важливість цього відкриття полягала в тому, що зміни в магнітних полях можуть індукувати електричні струми.
Як відомо, електричний струм має магнітне поле (ось для чого ми згадали соленоїди). Проте, за дослідом Фарадея, якщо впливати на це магнітне поле іншим магнітом, потенціал або напруга електричного струму змінюється.
Якби ви взяли такий магніт і почали вставляти його у котушку та виймати з неї, ви відчули б значний опір. Під час цього опору виробляється електричний струм. Прискорте рух магніту, і індукційний струм збільшиться; посильте магнітне поле, і матимете той самий результат.
Таким чином, магніти можна використовувати для перетворення механічної енергії в електричну – так як при переміщенні магніту потече струм. Саме так працюють такі пристрої, як генератори: вони генерують електроенергію за допомогою руху магніту у магнітному полі.
Можливо, тепер ви розумієте, чому це було таке неймовірно важливе відкриття.
Якщо прогалини у розумінні ще є, розпитайте хоча б у свого шкільного вчителя або репетитора, коли будете брати уроки фізики у своєму місті, щоб поглибити знання про магнетизм і всі його похідні. Індивідуальне навчання може допомогти вам вивчити магнітні поля і фізичні сили, освоїти практичне застосування знань, забезпечуючи вам глибоке розуміння цієї фундаментальної теми фізики. І репетитор з фізики онлайн зробить свою роботу з радістю!
Як використовується електромагнітна індукція?
Щоб краще прояснити це явище, давайте поглянемо на одну з основних технологій, яка його використовує. Це електричний генератор, інструмент, який був затребуваний у віддалених неелектрифікованих районах світу, а віднедавна набув неймовірної популярності в Україні. Генератор електрики є ключовим компонентом будь-якої автономної електростанції. Без його роботи неможливо уявити повноцінне функціонування всієї енергосистеми. Простими словами, основне завдання генератора електрики зводиться до перетворення енергії, в даному випадку з механічної в електричну. Це практично фізика з нуля.
Електрогенератори
Електричні генератори працюють, створюючи магнітне поле, в якому рухаються інші намагнічені котушки.
Автомобілі, наприклад, використовують генератор змінного струму (їх ще називають «альтернатори»), щоб гарантувати, що акумулятор лишатиметься зарядженим. При змінному струмі індукційний струм рухається в змінних напрямках – звідси і назва.
Уявіть собі магнітне поле в замкнутому просторі. У центрі цього простору знаходиться обертова котушка дроту, через яку проходить струм. Як ви можете собі уявити, буде взаємодія та опір між котушкою дроту (з власним магнітним полем) і загальним магнітним полем у генераторі.
Коли одна сторона обертової котушки рухається вгору, індукується позитивний струм. Коли він рухається назад вниз, буде створюватися його протилежність. Отже, ви отримуєте струм, який постійно змінюється.
У генераторі постійного струму існує механізм, який означає, що рухи в магнітному полі є протилежними – тому немає змінності.
Для чого використовувати змінний струм?
Змінний струм широко використовується для передачі електроенергії через електромережі, оскільки він дозволяє легко підвищувати або знижувати напругу за допомогою трансформаторів. Це дає змогу ефективно передавати енергію на великі відстані з меншими втратами. Основні сфери використання змінного струму:
- Передача електроенергії. В електромережах для живлення будинків, підприємств та інфраструктури.
- Електроприлади. Більшість побутових пристроїв, таких як холодильники, кондиціонери, телевізори, використовують змінний струм.
- Електромотори. Більшість промислових та побутових двигунів працюють на змінному струмі.
- Освітлення. Лампи та інші джерела світла часто працюють на змінному струмі.
Змінний струм є універсальним для багатьох додатків через простоту його виробництва та передачі. А все про трансформатори ви можете дізнатися в нашій статті за посиланням.
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
