Связь между электричеством и магнетизмом
Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году обнаружил связь между электричеством и магнетизмом. Он заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда по лежащему рядом проводу идет ток. Так было открыто свойство электрического тока создавать магнитное поле. Это явление подробно исследовал французский ученый А. Ампер. Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взамодействия проводов с током и магнитных полей используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах. Английский ученый Майкл Фарадей повторил опыты Эрстеда, а спустя год уже мог наблюдать вращение магнита вокруг провода с током. Эрстед поставил перед собой следующую задачу — «превратить магнетизм в электричество». На ее решение ушло десять лет. В 1831 году Фарадей понял, что только переменное магнитное поле может породить электричество. Так была открыта электромагнитная индукция. В дальнейшем это привело к созданию генератора электрического тока. Генераторами называют источники электрической энергии. В 1834 году изобретатель-электротехник Борис Семенович Якоби изобрел и построил первый электродвигатель — машину, которая энергию электрического тока превращает в работу.
45. Концепция В.И.Вернадского о ноосфере.
Очень важным в учении В. И. Вернадского о ноосфере было то, что он впервые осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружающую среду.
По его мнению, ноосфера есть уже качественно иная, высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и самого человека. Это не просто сфера приложения знаний человека при высоком уровне техники. Для этого достаточно понятия «техносферы».
Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятельность человека будет основываться на строго научном и действительно разумном понимании всех происходящих процессов и обязательно сочетаться с «интересами природы».
Условие гармоничного и сбалансированного взаимоотношения Человека и Биосферы можно записать в виде следующего тождества
Ноосфера Социум < Биосфера Человек
Из этого тождества следует, что движение Человека в Ноосферу происходит по цепочке: «Человек-Социум-Биосфера — Ноосфера»[5,с.124].
В этом тождестве каждая компонента определяется через три других и, следовательно, понятие "Ноосфера приобретает простой и ясный смысл
Ноосфера _ Биосфера • Социум Человек
В его учении основной аспект направлен на биосферу — живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли. Постепенно вмешательство человека все увеличивается, человечество становится основной планетарной геологообразующей силой.
Поэтому человек несет прямую ответственность за эволюцию планеты. Понимание им данного тезиса необходимо и для его собственного выживания. Стихийность же развития сделает биосферу непригодной для обитания людей.
В связи с этим человеку следует соизмерять свои потребности с возможностями биосферы, т.е. суть в учении В.И. Вернадского определяется тождеством
Биосфера 1
Воздействие на нее должно быть дозировано разумом в ходе эволюции биосферы и общества.
46. Геологические процессы и строение Земли.
Земля, имея форму геоида — эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядра. Земная кора и верхняя часть верхней мантии, образующие твердую литосферу, подстилаются пластичной астеносферой, играющей важную роль в глубинных геологических процессах. Химический состав Земли близок к среднему химическому составу метеоритов, а состав сферических оболочек резко неоднороден и изменяется с глубиной. Ядро наиболее плотная оболочка Земли. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. Температура вещества достигает 2500 3000 °С, а давление
ЗООГпа. Внутреннее ядро, предположительно находится в твердом состоянии. Состав внешнего и внутреннего
одинаков Ре №, близкий к составу метеоритов.
Мантия самая крупная оболочка Земли. Масса 2/3 массы планеты. Верхняя мантия характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Под континентами и океанами ее строение существенно отличается. В океанах на глубине
50 км., а материках 80 120 км. начинается слой пониженных сейсмических скоростей, который носит название сейсмического волновода или астеносферы (т.е. геосфера без прочности) и отличается повышенной пластичностью. (Волновод распространяется под океанами до 300 400 км., под материками — 100- 150 км.) К ней приурочено большинство очагов землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, а также зона подкорковых конвекционных течений и зарождение важнейших эндогенных процессов.
В. В. Белоусов объединяет земную кору, верхнюю мантию, включая астеносферу в тектоносферу. Промежуточный слой и нижняя мантия отличаются более однородной средой, чем верхняя мантия. Верхняя мантия сложена преимущественно ферро-магнезиальными силикатами (оливин, пироксены, фанаты), что соответствует перидотитовому составу пород. В переходном слое С основной минерал оливин. Химический состав: оксиды 81, А1? Ре (2+, 3+), "П, Са, М§, N3, К, Мп. Преобладают 81 и М§. В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы. Прямые это методы непосредственных наземных и дистанционных (из тропосферы, космоса) изучений состава и строения земной коры. Основной геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искусственных горных выработок (каналы, шуффы, карьеры, шахты) и буровых скважин (мах 3,5 4 км. в Индии и ЮАР, Кольская скважина более 12 км., проект 15 км.) В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 100 км. и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.
Косвенные геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.
Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен сейсмический (землятрясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Бывают 2 типа: продольные, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны, представляющие реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью. Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.
Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.
47. Специфика системного метода исследования.
Для лучшего понимания природы систем необходимо рассмотрен, сначала их строение и структуру, а затем и классификацию. Строение системы характеризуется теми компонентами, из которых она образована. Такими компонентами являются: подсистемы, части или элементы системы, в зависимости от того, что принимается за основу деления.
Подсистемы составляют части системы, которые обладают определенной автономностью, но в то же время они подчинены системе и управляются ею. Обычно подсистемы выделяются в особым образом организованных системах, которые называются иерархическими.
Элементами обычно называют наименьшие единицы системы, хотя в принципе любую часть можно
рассматривать в качестве элемента, если отвлечься от ее размера.В качестве типичного примера можно
привести человеческий организм, который состоит из нервной, дыхательной, пищеварительной и других
подсистем, часто называемых просто системами. В свою очередь, подсистемы содержат в своем составе
определенные органы, которые состоят из тканей, а ткани — из клеток, а клетки — из молекул. Многие живые
и социальные системы построены по такому же иерархическому принципу, где каждый уровень организации,
обладая известной автономностью, в то же время подчинен предшествующему, более высокому уровню. Такая
тесная взаимосвязь и взаимодействие различных компонентов обеспечивают системе как целостному, единому
образованию наилучшие условия для существования и развития.
Структурой системы называют совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее компонентов. В западной литературе такие свойства называют эмерджентными, или возникающими в результате взаимодействия и присущими только системе. В зависимости от конкретного характера взаимодействия компонентов различают различные типы систем: электромагнитные, атомные, ядерные, химические, биологические и социальные. В рамках этих типов можно, в свою очередь, рассматривать отдельные виды систем. В принципе к каждому отдельному объекту можно подойти с системной точки зрения, поскольку он представляет собой определенное целостное образование, способное к самостоятельному существованию. Так, например, молекула воды, образованная из двух атомов водорода и одного атома кислорода, представляет собой систему, компоненты которой взаимосвязаны силами электромагнитного взаимодействия. Весь окружающий нас мир, его предметы, явления и процессы оказываются совокупностью самых разнообразных по конкретной природе и уровню организации систем. Каждая система в этом мире взаимодействует с другими системами.
Система и ее окружение. Для более тщательного исследования обычно выделяют те системы, с
которыми данная система взаимодействует непосредственно и которые называют окружением или внешней
средой системы. Все реальные системы в природе и обществе являются, как уже указывалось, открытыми и,
следовательно, взаимодействующими с окружением путем обмена веществом, энергией и информацией.
Представление о закрытой, или изолированной, системе является далеко идущей абстракцией, не отражающей
адекватно реальность, поскольку никакая реальная система не может быть изолирована от воздействия других
систем, составляющих ее окружение. В неорганической природе открытые системы могут обмениваться с
окружением либо веществом, как это происходит в химических реакциях, либо энергией, когда система
получает свежую энергию из окружения и рассеивает в нем «отработанную» энергию в виде тепла. В живой
природе системы обмениваются с окружением, кроме вещества и энергии, также и информацией, посредством
которой происходит управление и передача наследственных признаков от организмов к потомкам. Особое
значение обмен информацией приобретает в социально-экономических и культурно-гуманитарных системах,
где такой обмен служит основой для всей коммуникативной деятельности людей. Классификация систем может
производиться по самым разным основаниям. Прежде всего, все системы можно разделить на системы
материальные и идеальные, или концептуальные. К материальным системам относится подавляющее
большинство систем неорганического, органического и социального характера. Все материальные системы, в
свою очередь, могут быть разделены на основные классы соответственно той форме движения материи,
которую они представляют. В связи с этим обычно различают гравитационные, физические, химические,
биологические, геологические, экологические и социальные системы. Среди материальных систем выделяют
также искусственные, специально созданные обществом технические и технологические системы, служащие
для производства материальных благ.
Все эти системы называются материальными или объективными потому, что их содержание и свойства не
зависят от познающего субъекта. Однако субъект может все глубже, полнее и точнее познавать их
свойства и закономерности с помощью создаваемых им концептуальных систем. Такие системы называются
идеальными именно потому, что представляют собой отражение материальных, объективно существующих в
природе и обществе систем. Наиболее типичным примером концептуальной системы является научная теория,
которая выражает с помощью своих понятий, обобщений и законов объективные, реальные связи и отношения,
существующие в конкретных природных и социальных системах.
Системный характер научной теории выражается в самом ее построении, когда отдельные ее понятия и суждения не просто перечисляются, а объединяются в рамках определенной Целостной структуры. В этих целях обычно выделяются несколько основных, или первоначальных, понятий, на основе которых, во-первых, по правилам логики определяются другие, производные, или вторичные, понятия. Аналогично этому среди всех
теориях называются аксиомами, а в естественнонаучных теориях — законами или принципами. Так, например,
в классической механике такими основными суждениями являются три основных закона механики, в
специальной теории относительности — принципы постоянства скорости света и относительности. В
математизированных теориях физики соответствующие законы часто выражаются с помощью систем
уравнений, как это осуществлено Дж.К. Максвеллом в его теории электромагнетизма. В биологических и
социальных теориях обычно ограничиваются словесными формулировками законов. На примере эволюционной
теории Ч. Дарвина мы видели, что ее основное содержание можно выразить с помощью трех основных
принципов или даже единственного принципа естественного отбора.
Все наше знание не только в области науки, но и в других сферах деятельности мы стремимся определенным
образом систематизировать, чтобы стала ясной логическая взаимосвязь отдельных суждений, а также всей
структуры знания в целом. Отдельное, изолированное суждение не представляет особого интереса для науки.
Только тогда, когда его удается логически связать с другими элементами знания, в частности с суждениями
теории, оно приобретает определенный смысл и значение. Поэтому важнейшая функция научного познания
состоит как раз в систематизации всего накопленного знания, при которой отдельные суждения, выражающие
знание о конкретных фактах, объединяются в рамках определенной концептуальной системы. Другие
классификации в качестве основания деления рассматривают признаки, характеризующие состояние системы,
ее поведение,взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и другие
свойства. Наиболее простой классификацией является деление систем на статические и динамические, которое
в известной мере является условным, так как все в мире находится в постоянном изменении и движении.
Поскольку, однако, даже в механике мы различаем статику и динамику, то кажется целесообразным
рассматривать специально также статические системы.
Среди динамических систем обычно выделяют детерминистические и стохастические системы. Такая классификация основывается на характере предсказания динамики или поведения систем. Как отмечалось в предыдущих главах, предсказания, основанные на изучении поведения детерминистических систем, имеют вполне однозначный и достоверный характер. Именно такими системами являются динамические системы, исследуемые в классической механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые чаще всего называют вероятностно-статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них, как отмечалось в предыдущих главах, имеют достоверный, а лишь вероятностный характер. По характеру взаимодействия с окружающей средой различают, как мы уже знаем, системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, ибо представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция, оказавшаяся не соответствующей объективной действительности, в которой подавляющее большинство систем, если не все они, являются открытыми.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Открытие Эрстеда
Внешне электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Заслуга окончательного слияния двух этих понятий принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу, разрабатывавшему единую теорию электромагнитных волн с 1850-х годов и до самой его безвременной кончины в 1879 году. Однако появлению уравнений Максвелла предшествовала целая череда открытий первой половины XIX века, начало которой положил датский физик Ханс Кристиан Эрстед.
Эрстеду были свойственны два качества, которые принято считать помехой для успешной карьеры исследователя, а именно, страстное увлечение философией и сильное желание донести науку до понимания масс. В начале своей стажировки в Париже, например, он серьезно подмочил свою научную репутацию, яростно защищая взгляды немецких философов-обскурантистов. На этом фоне и его доводы в пользу наличия связи между электричеством и магнетизмом были восприняты, по крайней мере, современниками, как очередное мистическое пустозвонство. Эрстед утверждал, например, что магнетизм возникает в результате неизбежного конфликта между положительным и отрицательным аспектом электричества.
Чем бы ученый ни руководствовался, но в 1820 году в Копенгагенском университете состоялась его лекция с демонстрацией, на которой он использовал только что изобретенную электрическую батарею в качестве источника тока. На этой лекции Эрстед продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом. Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, прежде всего Ампера (см. Закон Ампера), а также Био и Савара (см. Закон Био—Савара), на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.
За преданность Эрстеда делу популяризации науки и публичную демонстрацию только что открытого явления Американская ассоциация учителей физики назвала премию, присуждаемую учителю года, «медалью Эрстеда».
Датский физик. Родился в Рудкебинге в семье аптекаря. Начальное образование состояло преимущественно в изучении немецкого в приемной семье, в которой он какое-то время воспитывался, после чего Эрстед с одиннадцатилетнего возраста стал помогать отцу в аптеке, где на практике освоил аптечное дело. После переезда семьи в Копенгаген поступил в местный университет, в 1797 году получил диплом фармацевта, а еще через два года защитил докторскую диссертацию. Продолжил свое образование, переезжая из города в город и стажируясь в ведущих европейских лабораториях, где и познакомился с последними исследованиями электрических и магнитных явлений. После нескольких лет чтения публичных научно-популярных лекций в 1806 году получил преподавательскую должность в родном университете. В 1820 году Эрстед сделал своё уникальное открытие, наглядно демонстрирующее связь между электричеством и магнетизмом. С 1829 года работал директором Копенгагенского политехнического института.
Электромагнетизм*
где dF — действие элемента тока на магнитный полюс; i — сила тока; m — количество магнетизма, θ — угол, составляемый направлением тока в элементе с линией, соединяющей полюс с элементом тока; ds — длина элемента тока; r —расстояние рассматриваемого элемента от полюса; k — коэффициент пропорциональности.
На основании закона действие равно противодействию, Ампер заключил, что магнитный полюс должен действовать на элемент тока с такой же силой
dФ = k(imSin θ ds)/r 2 , (2)
прямо противоположной по направлению силе dF, точно также действующей по направлению, составляющему прямой угол с плоскостью, проходящей через полюс и данный элемент. Хотя выражения (1) и (2) хорошо согласуются с опытами, тем не менее на них приходится смотреть не как на закон природы, а как на удобное средство описывать количественную сторону процессов. Главная причина этого в том, что мы не знаем никаких токов, кроме замкнутых, и, следовательно, допущение элемента тока в сущности неправильно. Далее, если мы прибавим к выражениям (1) и (2) какие-нибудь функции, ограниченные только условием, что интеграл их по замкнутому контуру равен нулю, то согласие с опытами будет не менее полное.
Все факты вышеуказанные приводят к выводу, что электрический ток вызывает вокруг себя магнитное поле. Для магнитной силы этого поля должны быть справедливы все законы, справедливые для магнитного поля вообще. В частности, вполне уместно введением понятия о силовых линиях магнитного поля, вызываемого электрическим током. Направление силовых линий в этом случае может быть обнаружено обычным способом при посредстве железных опилок. Если пропустить вертикальную проволоку с током через горизонтальный лист картона и насыпать на картон опилок, то при легком постукивании опилки расположатся концентрическими кругами, если только проводник достаточно длинен. Если проводник имеет форму замкнутого вертикального круга, то на горизонтальном сечении опилки расположатся приблизительно так, как показано на фиг. 2.
Так как силовые линии вокруг проволоки замыкаются и так как силовая линия определяет путь, по которому двигалась бы единица магнетизма в данном поле, то ясно, что можно вызвать вращение магнитного полюса вокруг тока. Первый прибор, в котором подобное вращение было осуществлено, был построен Фарадеем. Очевидно, что по силе магнитного поля можно судить о силе тока. К этому вопросу мы сейчас и подойдем.
Рассматривая магнитный потенциал очень длинного прямолинейного тока, мы легко можем доказать, что этот потенциал многозначен. В данной точке он может иметь бесконечно большое число различных значений, разнящихся одно от другого на 4 kmi π , где k — коэффициент, остальные буквы известны. Этим и объясняется возможность непрерывного вращения магнитного полюса вокруг тока. 4 kmi π и есть работа, совершаемая при одном обороте полюса; она берется за счет энергии источника тока. Особый интерес представляет случай замкнутого тока. Замкнутый ток мы можем себе представить в виде петли, сделанной на проволоке, по которой течет ток. Петля имеет произвольную форму. Два конца петли свернуты в жгут (шнур) и идут к далеко поставленному элементу. Опыт показывает, что жгут, составленный из двух проводников, по которым ток течет в противоположных направлениях и которые навиты один на другой, не производит магнитного поля. Элемент предполагается далеко расположенным. Следовательно, остается только петля, которую можно рассматривать, как замкнутый ток. Рассматривая магнитный потенциал такого замкнутого тока в какой-нибудь точке P и сравнивая его с потенциалом в той же точке двойного магнитного слоя, ограниченного тем же контуром, что и наш ток, мы придем к такому выводу (как известно, двойным магнитным слоем называется бесконечно тонкий листок, ограниченный данным контуром и намагниченный перпендикулярно к своей поверхности; произведение σε — поверхностной плотности намагничивания на толщину слоя — называется магнитной силой листка; обозначим ее через ф).
Если сила двойного магнитного слоя численно равна ki и если двойной магнитный слой расположен на поверхности S (фиг. 3) таким образом, что его положительная сторона (сев. магнетизм) приходится с той стороны, откуда ток представляется идущим обратно часовой стрелке, то потенциал в каких-либо точках P и Р’ от двойного магнитного слоя и от замкнутого тока отличается только на величину постоянную, т. е. не зависящую от координат.
Обозначим потенциалы от замкнутого тока через Ω и Ω’, а от двойного магнитного слоя через V и V’ ; телесный угол, под которым из точек P и P’ виден контур, обозначим через ω и ω ‘.
Тогда мы будем иметь
Ω = ki ω + С , Ω ‘ = ki ω ‘ + C , (3)
Итак, силы, с которыми действуют на данное количество магнетизма замкнутый ток и двойной магнитный слой, ограниченный тем же контуром, что и ток, и удовлетворяющий указанным выше двум условиям, равны и по величине и по направлению. Следовательно, любой замкнутый ток можно заменить эквивалентным ему двойным магнитным слоем. Такой способ рассмотрения замкнутых токов приводит к установлению электромагнитной единицы силы тока.
Условие эквивалентности есть ф = ki приняв k = 1, получим i = 1, если ф = 1. Это и есть электромагнитная единица. Словами эта теорема может быть выражена так.
Электромагнитная единица силы тока есть сила такого тока, которые, проходя по замкнутому контуру, оказывает на данное внешнее количество магнетизма то же действие, что и двойной магнитный слой, ограниченный тем же контуром и обладающий силой ф = 1. Отсюда сейчас получаются измерения электромагнитной единицы силы тока.
[ i ] = [ ф ] = [ m] ε / S = [ L 3/2 M ½ T — 1 ] / [ L ] = [ L ½ M ½ T — 1 ] (4)
Рассматривая работу, совершаемую при передвижении единицы количества северного магнетизма в магнитном поле замкнутого тока по замкнутой кривой из данной точки снова в первоначальное положение, можно убедиться в том, что эта работа равна 0, когда кривая движения единицы магнетизма не охватывает собой линии тока (фиг. 4, кривые РР 1 P 2 Р , РР 1 ‘ Р 2 ‘Р ) и равна ╠ 4 π i , когда кривая движения охватывает собой линию тока (кривая QQ’Q 2 Q 1 Q).
Это происходит от того, что, переходя через двойной магнитный слой, потенциал меняется не непрерывно, а скачком на ╠ 4 π i . Следовательно, если единица количества магнетизма n раз обернется вокруг тока, то работа будет ╠ 4π ni . Мы видим, что и потенциал замкнутого тока есть функция многозначная с периодом ╠ 4 π i . Общее выражением для потенциала замкнутого тока, т. е. для величины работы, необходимой для переведения единицы северного магнетизма из бесконечности в данную точку, равно
Ω = ╠ i ω + п4π i. (5)
Прежде, чем пойти дальше в рассмотрении электромагнитных явлений, нам надо установить понятие о магнитном потоке.
Пусть H есть нормальная к элементу поверхности dS слагающая магнитной силы поля. Тогда через элемент поверхности dS проходит, как говорят, магнитный силовой поток HdS.
Выражение это требует введения еще одного множителя, если мы примем во внимание магнитную проницаемость среды и если нам надо обобщить вывод на случай нескольких сред. В таком случае его пишут так: μ HdS, и называют потоком магнитной индукции, или просто магнитным потоком через элемент поверхности. Если мы от элемента поверхности перейдем к определенной площади, то надо взять двойной интеграл от выражения μ HdS. Условимся говорить, что из данной поверхности исходит одна силовая трубка, если
Тогда вообще μ HdS = dN
прямо дают число силовых трубок N, проходящих через данную поверхность. Выражение μ HdS не теряет свойства непрерывности при переходе из одной среды в другую.
Далее, в данном магнитном потоке для любого сечения S справедливо соотношение ∫∫ μ H n dS = const, где H n — нормальная производящая магнитной силы. Это свойство уподобляет магнитный поток потоку несжимаемой жидкости. О силовых трубках магнитного потока прежде всего предполагают, что они не начинаются у одного полюса и кончаются у другого; а что они внутри магнита идут от второго полюса к первому и, следовательно, замкнуты сами на себя (фиг. 5). Следовательно, мы имеем замкнутую магнитную цепь.
Рассмотрим одну силовую трубку этой цепи. Пусть её сечение dq. Возьмем элемент силовой линии dl в этой трубке. Работа необходимая, чтобы обвести вокруг по этой силовой линии единицу количества магнетизма пусть будет равна А. Она называется магнитодвижущей силой.
С другой стороны, магнитный поток равняется
N = μ Hdq или H = N/ μ dq , (8)
N = А/(∫dl/μ dq ) = [∫Hdl] /[ ∫(1/ μ )( dl/ dq )]. (9)
Формула полученная весьма похожа на формулу Ома. Магнитный поток играет роль силы тока ∫ Hdl — магнитодвижущая сила, аналогичная электродвижущей силе в формуле Ома ∫(1/μ)( dl/ dq ), играет роль магнитного сопротивления. Оно, подобно электрическому, прямо пропорционально длине и обратно пропорционально поперечному сечению. 1/μ — удельное магнитное сопротивление.
Хевисайд предложил называть величину ∫(1/μ)( dl/ dq ) магнитной неподатливостью. Обозначая ее одной буквой W , мы получаем известное соотношение A = NW ,т. е. магнитодвижущая сила равна произведению магнитного потока на магнитное сопротивление.
Перейдем теперь снова к Э. Определим магнитную силу внутри соленоида. Вообразим себе тонкостенную трубку сечения q и длины l; q предполагается малым сравнительно с l. В стенках течет ток; направление токовых линий перпендикулярно к направлению оси трубки. Осуществить этот случай можно, свив проволоку в спираль и пропуская через нее ток (соленоид, фиг. 6).
Если у соленоида на длину l приходится n витков и по нему течет ток i , то это равносильно тому, как если бы обороты соленоида не были изолированы один от другого и если бы в образованной при этом сплошной металлической трубке протекал ток равный ni . Внутри соленоида магнитные силовые линии будут параллельны оси соленоида. Применим к магнитному потоку соленоида только что полученное выражение для магнитной цепи. Мы видели, что если провести единицу магнетизма по замкнутой кривой вокруг проволоки с током i , то производится работа 4π i . Следовательно, магнитодвижущая сила соленоида из n оборотов и с силой тока i будет равна 4π ni .
Что касается сопротивления магнитной цепи, то трубки магнитной индукции, выйдя из соленоида, где они параллельны оси соленоида, замкнутся через внешнее пространство. При этом сечение сильно возрастет и, следовательно, сопротивление будет мало по сравнению с сопротивлением внутри соленоида. Мы можем пренебречь первым сравнительно со вторым. Тогда выражение для магнитного потока напишется так: N = A/W, A = 4 π ni ,
W = l/q, N = 4 π niq/l.
Магнитная сила внутри соленоида
H = N/q = 4 π ni/l . (10)
Если оба конца соленоида свести и устроить замкнутый соленоид, то силовые линии вовсе не выйдут наружу, и вышенаписанные формулы становятся строго верными. Внешнего действия такой соленоид не обнаружит, так как для каждой внешней замкнутой кривой магнитодвижущая сила = 0.
Если оба конца свободны, то соленоид должен действовать как магниты. Количество магнетизма полюса может быть измерено таким образом m = N/4 π = niq/l.
Эти формулы есть следствие формулы (2). Число силовых линий значительно возрастет, если ввести в соленоид железный сердечник, так как тогда уменьшится сопротивление магнитной цепи.
Соответственно этому получатся и более мощные магниты. На этом основано устройство электромагнитов. Внутри катушки из изолированной проволоки (соленоида) помещается сердечник из мягкого железа.
Число линий сил внутри соленоида будет
4 π ni /( 1/ μ) ( l/q). (11)
Заметим, что только что написанная формула в несколько более общем виде
N = (Σ 4 π ni)/ [ Σ (1/ μ) (l /q)] играет большую роль в электротехнике. Она известна под именем формулы Каппа и братьев Гопкинсонов. Итак, соленоид с железным сердечником есть электромагнит. Э. придается самая разнообразная форма. Фиг. 7 изображает прямой электромагнит, фиг. 8 обыкновенный большой подковообразный магнит; на таблице Электромагнит, фиг. 5 представлен горизонтальный электромагнит Румкорфа, особенно удобный для исследования магнитооптических явлений; фиг. 9 — электромагнит Джоуля, очень большой подъемной силы, так как в нем сердечник очень широкий и очень короткий, т. е. очень малого сопротивления.
Электромагниты значительно превосходят все другие магниты по силе, и только благодаря им и стало возможно исследование многих свойств и явлений в магнитном поле, напр., магнитных свойств всех тел (пара- и диамагнетизм), магнитного вращения плоскости поляризации, магнитострикция, явления Керра, Зеемана, Холля, гистерезис etc.
Магнитные свойства соленоида привели Ампера к выводу, что все электромагнитные явления в сущности суть электродинамические и что всякий магнит есть соленоид. Именно Ампер предположил, что можно каждый кусок железа или стали представлять себе состоящим из маленьких молекулярных магнитов, которые суть не что иное как частицы того же железа или стали, но вокруг которых течет ток в определенном направлении. Явление намагничивания и состоит в ориентировке всех этих магнитиков параллельно друг другу. Тогда внутри магнита токи никакого действия не окажут, так как рядом с каждым током, текущим справа налево, непременно будет ток обратного направления. Токи же на поверхности сложатся в один соленоидальный. Следовательно, магнит есть соленоид. Многие, хотя не все, явления магнетизма хорошо объясняются теорией Ампера. Однако мы видели, что удобен и вполне возможен и обратный путь, когда замкнутые токи рассматриваются как двойные магнитные слои, следовательно, явления электродинамические сводятся к электромагнитным. Таким образом, можно выяснить все явления электромагнетизма, не прибегая к действию на расстояние. Выводится и правило Ампера и его же закон элементарного действия магнитного поля на элемент тока. В заключение укажу на выражение потенциальной энергии двойного магнитного слоя или замкнутого тока.
P = — фN для двойного магнитного слоя.
P = — iN для замкнутого тока. Именно из этого выражения исходя и выводится увеличение параметра тока в магнитном поле и элементарный закон действия магнитного ноля на ток.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890—1907 .
Полезное
Смотреть что такое «Электромагнетизм*» в других словарях:
электромагнетизм — электромагнетизм … Орфографический словарь-справочник
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ — (этим. см. электричество и магнетизм). Отношение между явлениями магнетическими и электрическими. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ возбуждение электрического тока приближением и… … Словарь иностранных слов русского языка
электромагнетизм — а, м. électromagnétisme m. Магнитные явления, вызываемые движением электрических зарядов. БАС 1. Не ошибемся мы, если предскажем и то, что применение магнетизма к гравированию должно произвести переворот в этом искусстве. Черн. Критика. // ОЗ… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ — ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ, отрасль физики, изучающая законы и явления, связанные со взаимодействием и взаимозависимостью между ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ и МАГНЕТИЗМОМ. Область, в которой можно обнаружить действие электромагнитной системы называется электромагнитным… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ — ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ, электромагнетизма, мн. нет, муж. (физ.). Магнитные явления, вызываемые электрическим током. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ — ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ, а, м. Совокупность явлений, определяющих неразрывную связь между электрическими и магнитными свойствами вещества. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
электромагнетизм — [IEV number 151 11 08] EN electromagnetism set of the phenomena associated with electromagnetic fields Source: 121 11 74 [IEV number 151 11 08] FR électromagnétisme, m ensemble des phénomènes associés aux champs … Справочник технического переводчика
электромагнетизм — elektromagnetizmas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. electromagnetism vok. Elektromagnetismus, m rus. электромагнетизм, m pranc. électromagnétisme, m … Automatikos terminų žodynas
электромагнетизм — elektromagnetizmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electromagnetics; electromagnetism vok. Elektromagnetismus, m rus. электромагнетизм, m pranc. électromagnétisme, m … Fizikos terminų žodynas
Электромагнетизм — Начало учению об электромагнитных явлениях положено открытием Эрстеда. В 1820 г. Эрстед показал, что проволока, по которой течет электрический ток, вызывает отклонение магнитной стрелки. Он подробно исследовал это отклонение с качественной… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Электромагнетизм: история открытия, магнетизм в природе, физика явления
Сила, которая образуется в результате течения через проводник электрического тока, называется электромагнетизмом. Чтобы эта сила возникла, нужно, чтобы проводник находился внутри магнитного поля.
Электромагнетизм играет большую роль в прикладной физике и электронике. Без эффекта магнетизма многие привычные нами устройства и элементы электроцепей не будут работать. К ним можно отнести: реле, дроссели, катушки индуктивности, генераторы, трансформаторы.
Электромагнетизм относится к естественным силам природы наряду с гравитацией, сильным и слабым взаимодействием. Его можно определить как взаимодействие между заряженными частицами. Электромагнитная сила — результат работы электромагнитных полей, и ее результатом становится электромагнитное излучение. Самый простой пример — свет. Электромагнитную силу еще называют силой Лоренца, и именно она отвечает за стабильность элементов и веществ, ведь именно электромагнитная сила удерживает молекулы и атомы на месте. Электромагнитное поле можно описать математически, чем и занимались многие ученые. Значение электромагнитного поля трудно переоценить — достаточно упомянуть, что электромагнитная теория положила начало цифровой технике, а отдельные положения ее использовал Альберт Эйнштейн в своей теории относительности.
Вначале электричество и магнетизм считались учеными двумя разными силами, которые не связаны друг с другом. Но впоследствии было доказано, что контакт положительных и отрицательных зарядов стимулируется одной и той же силой, а электрический ток создает вокруг себя магнитное поле.
Электромагниты
Электромагниты, созданные благодаря открытым знаниям, значительно сильнее, чем остальные магниты, поэтому они открыли новую страницу как в создании технологий, электротехнике, так и в изучении других научных явлений.
Первым крупным ученым, работавшим с электромагнитными силами и отклонившим магнитную стрелку с помощью проволоки, по которой шел электрический ток, стал Эрстед. Он исследовал и подробно описал свой эксперимент, но не вывел никаких общих закономерностей по поводу того, что могло бы отклонить стрелку в другом конкретном случае. Затем опубликовал свои работы Ампер, в честь которого после была названа единица силы тока. В своих исследованиях он изучал воздействие силы тока на ток или тока на магнит. Отдельное место в истории науки занимает Араго, который проводил эксперименты с магнитом и железными опилками. Параллельно вел свои разработки Дэви, которому удалось намагнитить сталь и железо электрическим током.
Магнетизм в природе
Магнетизм можно заметить и в его естественном состоянии, при добыче минеральной руды. Этот эффект возникает, если соседствуют две руды — оксид железа и магнетитовый железняк. Это так называемые естественные магниты, которые в подвешенном состоянии всегда показывают на север, занимая положение, которое соответствует магнитному полю планеты. Еще одно доказательство существования эффекта магнетизма — стрелка компаса, которая всегда показывает на север.
Для природных магнитов характерен низкий уровень силы, поэтому практического распространения они не получили. Люди стали делать искусственные магниты, сила взаимодействия между которыми значительно выше, чем между элементами природной системы.
Эффект магнетизма
Эффект магнетизма возникает между двумя объектами разных форм — постоянными и временными магнитами. Для их изготовления используются разные материалы — никель и его сплавы, железо, кобальт и хром. В то же время эти же материалы в своем природном состоянии могут показывать очень низкий уровень магнетизма — например, это характерно для никеля и кобальта.
Но если соединить эти вещества с другими, содержащими в себе железо или алюминий, получаются крайне сильные магниты. которые можно использовать в промышленности.
Когда магнит находится в спокойном состоянии, его молекулы хаотично разбросаны, поэтому эффект магнетизма крайне ослаблен. Когда материал намагничен, меняется его молекулярная структура — атомы выстраиваются в строгие цепочки, что и обеспечивает возникновение эффекта магнетизма. Эта интересная особенность получила название теория Вебера — сам ученый назвал ее теорией молекулярного выравнивания.
Если убрать силу намагничивания, внутри материала еще на некоторое время остается эффект магнетизма. Такое явление называется остаточная намагниченность. Материалы, которые демонстрируют такое явление, чаще всего используются для создания постоянных магнитов.
Магнитный поток
Еще один термин из теории об электромагнетизме — магнитный поток. В каждом магните есть два полюса, между которыми протянуты невидимые нити магнитной силы. Эти нити образуют между собой магнитное поле. Линии потока нельзя увидеть, но можно определить направление с помощью компаса. Сильнее всего магнитное поле у полюсов, там магнитные потоки расположены ближе всего друг к другу. Интересная особенность — магнитный поток не течет в прямом смысле. Он не движется в определенном направлении, он просто существует, причем гравитация на него не действует.
У силовых линий есть и другие особенности:
- они всегда образуют силовые петли, замкнутые в пространстве,
- у них есть направление — с севера на юг,
- чем ближе расположены силовые линии, тем сильнее магнетизм, чем дальше они друг от друга, тем явление магнетизма слабее,
- силовые линии не пересекаются друг с другом и не прерываются.
Контакт между двумя полями может вызвать два противоположных явления:
- отталкивание полюсов,
- притягивание полюсов.
Если в материале есть силовые линии, то есть и полюс, причем на каждом конце. Можно прервать сеанс намагничивания, если разрушить магнит, но нельзя уничтожить процесс создания магнитных потоков в принципе. Если разбить магнит, из него получится двух половинок одного магнита, у каждого из которых есть один полюс. Но из обломков получится два полноценных магнита, у каждого из которых будет два разных полюса.