Хочемо поставити вам цікаве питання, а ви поміркуйте: яким би був наш світ, якби у нас не було електромагнітів?
Хоча самі магніти — як і магнітне поле загалом — є природними явищами, електромагнітів це визначення не стосується. Їх треба було відкрити або вигадати. І, враховуючи те, що ці об’єкти поєднують електричний струм із магнітним матеріалом, вони прийшли в наше життя насправді відносно недавно.
Електромагніти є одними з найпотужніших магнітів, які ми маємо. І через це вони стали надзвичайно важливими для промисловості, розвиту технологій і всіляких повсякденних речей, які є навіть у наших домівках.
Отже, вивчення властивостей електромагнітів — це не просто дика, відірвана від реальності теорія, о ні. Навпаки, вони надзвичайно корисні – і можуть робити те, що ніяким іншим фізичним об’єктам не підвладно.
І це ми ще промовчали про те, що наука про електромагніти і електромагнетизм сама по собі досить захоплива. Хоча ні, щойно сказали!
Отже, повернемося до нашого запитання: де б ми були сьогодні без потужності електромагніту? Відповідь, чесно кажучи, вас не влаштує: у проваллі темноти і застою. У нас, наприклад, не було б генераторів – і не було б можливості накопичувати та передавати електроенергію.
Але ми ще повернемося до цього питання пізніше. Давайте трохи поглянемо на теорію електромагнетизму, вам таке уже розповідав ваш вчитель фізики Київ?
Коли ми дізналися про електромагніти?
Якби не електромагніти, є ймовірність того, що ми би зараз жили життям наших предків з 1820-х років.
Технологія електромагнетизму не була відома до 1820-х років, коли два вчені, незалежно один від одного – один у Данії, Ганс Крістіан Ерстед, а інший, Вільям Стерджен в Англії, – почали досліджувати взаємодією електрики та магнетизму. Ерстед першим зрозумів, що електричний струм створює магнітне поле, тоді як Стерджен створив перший примітивний електромагніт.
Однак ніхто не знав, як котушка мідного дроту може створювати магнітне поле ще впродовж майже століття, аж поки в 1906 році французький фізик П’єр Ернест Вейс не взявся вирішувати цю проблему. І з його теорією магнітного домену ми підійшли на крок ближче до того, щоб дізнатися, що насправді відбувається в середині цього скрученого дроту.
Але в цій історії відсутні два найважливіші імені в історії електромагнетизму. Можливо, ви чули про Майкла Фарадея, який відкрив принцип електромагнітної індукції. Або Андре-Марі Ампера, який показав, що два паралельні дроти відштовхуються та притягуються один до одного залежно від того, в якому напрямку проходить струм, і який дав своє ім’я одиниці вимірювання сили електричного струму (в цьому випадку ми напишемо ампер з маленької букви). Запрошуємо дізнатися більше про цих зухвальців і новаторів з цієї статті.
Відтоді електромагнетизм став технологією, яка набирала сили, наповнюючи наш світ речами, про важливість яких ми навіть не підозрюємо.
Давайте поглянемо на все з наукової точки зору. І згодом залучимо дітей, бо фізика для дітей - величезний пласт. І згодом дійдемо до фізика підготовка до ЗНО.
Хвилинка повторення: що таке магнетизм?
Наука про електромагнетизм базується на об’єкті магніту та всіх пов’язаних з ним явищах: магнітних полюсах, магнітній силі та заряджених частинках, які оживляють усе це на субатомному рівні.
Але чи пам’ятаєте ви, що таке магнетизм? Ми детально обговорюємо це в іншій нашій статті «Що таке магнетизм?», але тут корисно коротко нагадати.
Магнетизм працює завдяки неспареним електронам. Хоча електрони є частинками, які складають атом, більшість матеріалів мають у своєму складі електронні пари з протилежними зарядами. Ці заряди відомі як «спіни» і зазвичай називаються «позитивний заряд» і «негативний».
Коли електрони сполучаються, їхній відповідний магнітний момент нейтралізується, тобто вони не мають магнітної сили.
Однак, коли вони не спарені, вони не нейтралізуються – і в належних магнітних матеріалах, науково відомих як феромагнітні матеріали, ці електрони можуть спонтанно спрямовуватися в одному напрямку, надаючи матеріалу власне магнітні властивості.
Цей феромагнетизм зустрічається в таких матеріалах, як залізо та нікель.
Що таке електромагнетизм?
Хоча магнетизм – природнє явище і працює «за своєю природою», електромагніти функціонують дещо інакше. Відкриття таких учених, як Ампер, Фарадей та Ерстед полягають саме в усвідомленні того, що магнетизм має не тільки один спосіб дії.
Так, вони побачили, що потік електричного струму також має магнітне поле. Відкриття Ампера – що проводи зі струмом, який рухається в протилежних напрямках, притягуються – доводить це твердження.
В електромагнетизмі весь дріт, по якому йде електричний струм, намагнічується. Знову ж таки, це дія електронів. Але замість того, щоб рухатися у певному напрямку або вишикуватися «всередині», в потоці електричного струму електрони відділяються від своїх атомів і течуть вздовж всієї довжини матеріалу. Так виникає магнітна сила.
Основні взаємодії
Явище електромагнетизму – поєднання магнетизму та електрики – набагато важливіше, ніж сам електромагніт.
Фактично, електромагнетизм описується як одна з фундаментальних взаємодій, яка мотивує всі фізичні закони (серед яких гравітації, слабка та сильна взаємодії). І тому електромагнетизм насправді є тією силою, яка утримує атоми разом, він також відповідає за світло та за зв’язок хімічних сполук.
Він справді має багато роботи, цей електромагнетизм. І його відкриття, а також наша здатність використовувати його силу і властивості, були надзвичайно важливою частиною наукового розвитку людства.
Дізнайтеся про магнетизм та електромагнетизм тут!
Як працюють електромагніти?
Але як конкретно це працює, який принцип електромагнітів? Ми вже достатньо занурилися в історію винаходу, давайте говорити про функціонування електромагніту як такого.
Електромагніт працює майже так само, як і простий стержневий магніт. Він, як і звичайний постійний магніт, має північний і південний полюси, які відштовхують ідентичні полюси інших магнітів. Знову ж таки, він створює магнітне поле – те саме, яке можна побачити за допомогою залізної стружки.
Однак відмінність між електромагнітом і звичайним магнітом полягає в тому, що електромагніт має набагато сильніше магнітне поле. І, звичайно, ви можете вимкнути і ввімкнути його (активувати і дезактивувати), відключивши струм. Обидві ці особливості роблять його особливо корисним.
Будова електромагніту
Як ви вже зрозуміли з викладеного вище, фізична причина магнітної сили звичайного феромагніта та його електромагнетичного родича різниться. У першому електрони вирівнюються, а в другому потік електронів, тобто електрика, створює магнітне поле.
Отже, самі дроти є магнітними, як показав Ампер. Але щоб зробити електромагніт, знадобиться більш складний метод.
Цей метод заснований на мотках дроту. Візьміть циліндричний шматок феромагнітного металу, наприклад заліза, і оберніть навколо нього скрутку дроту, як правило, зроблену з міді. Як тільки ви ввімкнете електрику, струм потече по дроту і намагнітить метал у центрі – як постійний магніт.
Вимкніть електрику, і метал перестане бути магнітним.
Так, це насправді так просто. І вам не обов’язково потрібен залізний сердечник, оскільки магнітне поле, яке створює котушка, вже зосереджено на отворі в середині котушки. Однак це залізне ядро, або «магнітне ядро», робить електромагніт ще потужнішим — у тисячі разів потужнішим.
Ви можете зробити електромагніт самі, якщо хочете. Але будьте обережні – і робіть це під наглядом.
Де ми використовуємо електромагніти?
Отже, повернімося до початкового питання, яке ми підняли на початку цієї статті: на що було би схоже наше сьогодення, якби ми не відкрили електромагніти? Це насправді цікаве питання, та, мабуть, краще його переформулювати: чого б у нас не було, якби не було електромагнітів?
Відповідь на це питання може бути довгою. Але ми можемо відповісти на це питання, посилаючись на деякі з найпотужніших і всюдисущих технологій, які використовують електромагнетизм. Вони всюди, чесно.
Запитайте хоча б у свого шкільного вчителя або репетитора, якщо будете брати уроки фізики у своєму місті, щоб поглибити своє розуміння явища магнетизму. Індивідуальне навчання може допомогти вам вивчити магнітні поля, сили та їх практичне застосування, забезпечуючи вам глибоке розуміння цієї фундаментальної теми фізики. І репетитор з фізики онлайн з цим прекрасно впорається!
Електричні мотори та генератори
Електричний двигун, який ви знайдете в автомобілях і будь-яких інших апаратах, заснований на взаємодії магнітного поля з електричним струмом.
Вони складаються зі статора – магніту навколо краю двигуна, який залишається статичним – і ротора, обертового електромагніту, який майже ідентичний описаній вище котушці.
Коли електрика подається в котушку, вона починає притягуватися до статора, який потім перевертається так, що відштовхує її. Отже, котушка постійно обертається і виробляє механічну енергію.
Ці двигуни, до речі, є в усьому, від вашого комп’ютера до навушників, від духовки до жорсткого диска.
З механічної точки зору, генератори влаштовані так само; вони просто працюють у протилежному напрямку. Але українці, здається, вже все знають про генератори…
Трансформатори
Зважаючи на те, що лінії електропередач передають сотні тисяч електричних вольт, перш ніж електричний струм потрапить у ваш тостер (якому потрібно лише близько двохсот вольт), його потрібно зменшити. Саме це і робить трансформатор.
Він працює завдяки розміщенню двох котушок. Вся ця величезна електрична напруга проходить через першу котушку. Якщо ви помістите поряд котушку з меншою кількістю витків, електричний струм перейде на наступну котушку, але матиме нижчу напругу.
Без трансформатора ви не змогли б використовувати будь-яке електрообладнання у вашому домі.
Магнітна левітація
Однією з найкрутіших речей, які люди зробили з електромагнітами, є магнітна левітація, або маглев. Це транспортна система, в якій потяги левітують – і можуть рухатися швидше й ефективніше завдяки відсутності тертя.
Для цього потрібні набори дуже сильних магнітів. Один піднімає потяг з рейок, а інший веде його по колії.
Залишайтеся з нами, у Superprof ще багато цікавого!
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
