У сучасному світі ми користуємося магнітами у вражаючій кількості предметів, апаратів і пристроїв у безліч способів. Від того, як плавно і щільно зачиняються дверцята холодильнику до чистого звуку у ваших навушниках, від генерації та передачі електроенергії до двигуну у вашій автівці. Все перелічене вище так чи інакше використовує магнітну силу.
Враховуючи повсюдність магнітів у сучасному світі, наша власна цивілізація була би безпорадною, якби їх не відкрили, не вивчили чи не сконструювали. Наприклад, не було би способу передавати електрику через всю країну (або просто до Харкова з сусідніх областей. А що було би з США чи Канадою?). Всі електродвигуни були би просто химерними деталями. І ми би не змогли говорити з друзями на відстані – як уже звикли це робити.
Таким чином, ми не повинні сприймати ці конкретні речі як належне. Скоріше, нам усім, а не лише вченим, слід спробувати зрозуміти, що вони собою представляють: як вони працюють, який особливий зв’язок між електрикою та магнетизмом і як вони рухають наш світ.
Це наше особливе завдання в цій серії статей: дозволити кожному зрозуміти, скажімо, чому електрони мають магнітний момент або чому електричний струм може створювати магнітне поле. Чому магнітний потік може індукувати електричний заряд, або чому все це так важливо для нашого світу.
Давайте подивимося на ці фізичні скарби ближче – від основ магнітного поля до найважливіших із магнітних технологій.
Що таке магнетизм?
Почнімо з основного.
Магнетизм — це сила, яка присутня в усіх об’єктах і між ними, вона виникає внаслідок руху електронів і призводить до притягування чи відштовхування різних об’єктів. Це «безконтактна» сила, яка більшою чи меншою мірою впливає на кожен окремий об’єкт у світі, і є результатом руху субатомних частинок, електронів та їхнього електричного заряду.
Електрони, магнітні моменти і три типи магнетизму
Кожен атом у речовині складається з частинок, включаючи нейтрони, електрони та протони. У магнетизмі всю роботу виконують електрони.
Вони прагнуть обертатися навколо нейтронів, і кожен з них має свій власний заряд – позитивний або негативний. Зазвичай відбувається так, що електрони «спарюються» з електронами з протилежним зарядом — тобто електрон із негативним зарядом утворюється в пару з електроном із позитивним — і тому матеріал буде відносно стабільним, оскільки кожен із зарядів нейтралізує інший.
Коли речовини мають спарені електрони, ми називаємо це діамагнетизмом.
Однак існує багато типів матеріалів, включаючи кисень, які мають неспарені електрони. В цьому випадку речовина стає набагато більш магнітною, оскільки всі електрони можуть вирівнюватися. У більшості цих матеріалів, однак, це не так, оскільки «магнітні моменти» кожного з цих окремих електронів не однакові, якщо тільки вони не перебувають під впливом зовнішнього магнітного поля.
Речовини, які проявляють магнетизм лише у зовнішньому магнітному полі, ми називаємо парамагнітними.
І, нарешті, є феромагнітні речовини. Це магнітні матеріали, які мають неспарені електрони з однаковим магнітним моментом. Це означає, що спонтанно вони можуть стати магнітними – і залишатимуться магнітними навіть після видалення зовнішнього магнітного поля.
Чи вивчає таке фізика 9 клас онлайн?
Що таке магнітне поле?
Кожен магніт або магнітний предмет має магнітне поле – простір навколо магніту, в якому присутня магнітна сила. Це простір, на який впливає магнітний заряд магніту.
(Цікаво, чи це вже рекорд вживання слів «магніт/магнітний» в одному реченні?)
Постійні магніти та електромагніти мають стійкі магнітні поля, які ви могли би побачити на власні очі за допомогою залізних ошурків, які формують лінії магнітного поля. Вони слідуватимуть за потоком від північного полюса магніту до його південного полюса і розташуються вздовж цих уявних ліній.
Магнітні поля змінюються залежно від сили магніту.
Це дуже розлога тема, тому запрошуємо вас дізнатися більше про магнітні поля у нашій статті!
Що таке електромагніт?
Крім магнітних моментів електронів, є ще дещо, що створює магнітні поля, – це електричні заряди. Це відкриття, зроблене ще в 1830-х роках, було одним із найважливіших в історії фізики, оскільки воно створило зв’язок між магнетизмом і електрикою.
Ми вже з’ясували, що електрони в речовині мають магнітний заряд – через факт їхнього руху всередині магнітного матеріалу.
Але місце, де електрони дійсно рухаються, це електричні струми, які насправді є просто рухом електронів. Коли струм рухається по дроту, дріт намагнічується, бо рух електронів створює магнітне поле.
Це виявив Андре-Марі Ампер, який показав, що паралельні дроти притягуються або відштовхуються один від одного залежно від того, в якому напрямку проходитиме струм (пізніше його ім’я дали одиниці вимірювання сили електричного струму, до речі).
Хочете знати більше? Вам допоможе репетитор з фізики!
Як зробити електромагніт
Можливо, ви здивуєтеся, але з часів появи найперших електромагнітів технологія не зазнала значних змін. Вони стали потужнішими, так, але загальна структура пристроїв залишилася тою самою.
Електромагніти складаються з котушки дроту, обмотаної навколо металевого сердечника (зазвичай це феромагнітний матеріал, як залізо). Через котушку дроту пропускається електричний струм, магнітне поле якого зосереджено в отворі в котушці, тобто в залізному сердечнику. Вся ця структура відома як соленоїд і досі використовується в усіх місцях, де діє електромагнетизм.
Як тільки електричний струм вимикається, соленоїд перестає бути магнітним.
Примітка про зв’язок між магнетизмом і електрикою.
Хоча ми знаємо, що електрика створює магнітне поле, і що магнітні поля залежать від електронів, розрізнення між феноменом, яка називається магнетизмом, й іншим явищем, яке ми знаємо як електрику, є помилковим.
Зараз пояснимо.
Це не окремі сили і явища. Скоріше вони мають той самий фізичний принцип – вони як дві сторони однієї медалі. Електромагнетизм насправді є однією з фундаментальних сил у Всесвіті. Вам сподобається фізика для чайників!
Що таке електромагнітна індукція?
Одне з найкорисніших відкриттів в історії електромагнетизму було зроблено британським вченим Майклом Фарадеєм у дев'ятнадцятому столітті. Воно стало відомо як електромагнітна індукція – і донині вона залишається однією з основних частин наших знань про електромагнетизм.
Експерименти Фарадея були зосереджені на тому, як за допомогою магнітних полів можна керувати електричними зарядами. І він припустив, що зміни в магнітному полі можуть бути використані для індукції електричного струму.
Це звучить складно, але його фактичні практичні експерименти були досить простими. Він узяв залізне кільце й обмотав два різні дроти навколо протилежних сторін кільця, створивши два соленоїди на одному шматку заліза.
Прикріпивши один шматок дроту до джерела живлення (такої собі батарейки), він приєднав інший до гальванометра, машини, яка вимірює електричні заряди. Під’єднання та від’єднання першого дроту від живлення спричинило зміну заряду, яку виявив гальванометр. Фарадей отримав доказ того, що зміна магнітного поля в залізному кільці може індукувати електричний струм на окремому дроті.
Щоб підтвердити свої ідеї щодо цього конкретного зв’язку між електрикою та магнетизмом, він провів ще один експеримент. Взявши соленоїд без сердечника (тобто лише дротяну котушку), він вставив стрижневий магніт у котушку та витягнув її. Рухаючи магніт з більшою швидкістю, він виявив, що в дроті виробляється більший струм.
Чому це було так важливо? Тому що Фарадей проклав шлях до знання про те, що електричні струми протікають не лише через дріт, а також заклав теоретичну основу, на якій ми прийшли до виробництва електричної енергії, маніпулюючи її магнітним полем.
Захотілося дізнатися більше про електромагнітну індукцію? А ми вже і статтю підготували!
Що таке трансформатор?
Трансформатори є найважливішою частиною техніки, яка використовує електромагнітну індукцію.
Це, мабуть, найпоширеніші електричні пристрої на планеті, майже вся електрична енергія, яку ми виробляємо та використовуємо, проходить принаймні через один трансформатор у своїй подорожі від електростанції до розетки в нашій кімнаті.
Отже, що таке трансформатори? Трансформатор — це статичний пристрій, який перетворює струм високої напруги на струм значно нижчої напруги. Він робить це завдяки наявності двох суміжних соленоїдів і завдяки електромагнітній індукції Фарадея.
По всій країні електроенергія передається через великі електричні мережі. Але щоб знизити витрати, електроенергія, що транспортується, має надвисоку напругу. Саме вона, а не висока сила струму, зменшує витрати енергії та дозволяє мати звичайні дроти, а не умовні труби з величезним діаметром.
Однак ми не можемо використовувати електроенергію високої напруги вдома. Отже, перед тим, як електрика почне розподілятися локально по домівках, лікарнях, школах, театрах тощо, її потрібно перетворити на електроенергію нижчої напруги. Для цього і потрібні трансформатори.
Зниження напруги струм
Закон Фарадея показує, як електромагнітну індукцію можна використовувати для зменшення та підвищення напруги електричного струму.
Згадайте його експеримент: він використовував дві різні котушки, у яких зміни магнітного поля між ними двома індукували електричний струм у другій котушці.
Однак якщо ви змінюєте кількість витків у дроті, ви можете змінити напругу індукованого струму. Скажімо, у вас десять витків на першому дроті, ви можете просто вдвічі зменшити кількість витків на другому і матимете половину напруги.
Саме так і працюють трансформатори.
Ви можете взяти додаткові уроки з фізики поблизу, щоб покращити свої знання про магнетизм, електромагнетизм і всяку дотичну всячину. Репетитор з Superprof з Полтави чи Києва, Стрию чи Кам’янського радо допоможе закохатися у фізику і розібратися із складними темами. Завдяки індивідуальним інструкціям ви отримаєте глибше розуміння магнітних полів, магнітних сил та їх різноманітного застосування в техніці та повсякденному житті.
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
