Электричество и магнетизм. Электромагнетизм

Электричество и магнетизм тесно связаны друг с другом. Переменное электрическое поле создает переменное магнитное и наоборот. Фактически эти явления - проявление одной фундаментальной сипы природы: электромагнитной, которая помогает сохранять целостность вещества.

Что такое электричество. Электроны имеют отрицательный электрический заряд. Если на объекте образуется избыток электронов, например, при трении, он приобретает отрицательный заряд. Объект с недостатком электронов заряжен положительно. Этот род электричества называется статическим, т.е. в нормальных условиях это электричество не движется и не перетекает на другие объекты. Достаточно высокий электрический заряд может вызвать искровой разряд, при котором электроны устремляются к месту более низкого или противоположного заряда. Электрические заряды имеют две характеристики.

Притяжение и отталкивание. Объекты с одноименным зарядом - оба положительных или отрицательных - отталкиваются друг от друга, но противоположные заряды притягиваются.

Индукция. Заряженный объект индуцирует (наводит) противоположный заряд на соседнем объекте: положительный индуцирует отрицательный, и наоборот.

Электрический ток. Движущиеся электроны образуют электрический ток. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, движение одного отрицательно заряженного электрона отталкивает электрон соседнего атома, который ударяет по следующему электрону в цепи, и т.д. Одиночный электрон передвигается недалеко, но общее электрическое возмущение передается с эффектом домино.

Ток и напряжение. Силу электрического тока измеряют по тому, сколько электронов проходит через данную точку в секунду. Она измеряется в амперах (А).

Сила, которая заставляет электроны двигаться по проводнику, называется электродвижущей и измеряется в вольтах (В), ее часто называют напряжением.

Сопротивление. То, насколько сильно материал противодействует току, называется сопротивлением. Оно возникает из-за случайных соударений атомов и электронов, что замедляет электрический ток; оно измеряется в омах (Ом).

Связь напряжения, тока и сопротивления устанавливает закон Ома. Он гласит, что напряжение (V) равно току (I), умноженному на сопротивление (R): V = I х R.

Электрические цепи. Существуют два типа электрических цепей:
- Последовательная цепь. Компоненты и электрический источник соединены друг с другом последовательной цепью. Ток движется через все компоненты по кругу, но возрастающее сопротивление уменьшает его. Так, две электрические лампы, соединенные последовательно, будут гореть менее ярко, чем одна. Разрыв любой части цепи прерывает в ней ток.

Параллельная цепь. Цепь, разделенная на не сколько ветвей с независимым соединением компонентов, называется параллельной. Каждая ветвь получает полный ток, поскольку на самом деле каждая из них непосредственно подсоединена к источнику тока. Разрыв в одной ветви параллельной цепи остановит ток только в ней.

Электрическая проводимость. Материалы различаются по способности проводить электрический ток - проводимости.
Изоляторы имеют высокое сопротивление (пластмассы, резина, керамика).
Проводники имеют много свободных электронов и хорошо проводят электричество (большинство металлов и неметалл - углерод).
Полупроводники имеют проводимость среднюю между изоляторами и проводниками (кремний).
Сверхпроводники не оказывают никакого сопротивления электрическому току (большинство металлов вблизи абсолютного нуля -273,16°С).

Путаница с током. Основные законы электричества установлены задолго до того, как был открыт электрон. Произвольно установлено, что ток течет от положительного полюса батареи к отрицательному. Когда был открыт электрон, стало понятно, что на самом деле электроны текут в обратном направлении, но соглашение о направлении тока оставили неизменным.

Изображение цепей. Цепь на рисунке состоит из батареи, соединенной с выключателем и электрической лампой. Химические реакции внутри батареи вызывают образование электронов на ее отрицательном полюсе. Они движутся по проводнику к положительному полюсу.

На своем пути электроны проходят через проволочную спираль внутри лампы. Это нагревает спираль, вызывая свечение и излучение тепловой энергии. Размыкание выключателя прерывает цепь, и электроны не могут больше двигаться

Что такое магнетизм. Подобно электричеству, магнетизм представляет собой силу, образуемую движением электронов внутри атомов. Все материалы магнитны, но одни более магнитны, чем другие. Они называются ферромагнитными материалами.

Вращающиеся электроны внутри атомов создают маленькие магнитные поля - участки, в которых действуют магнитные силы. В ферромагнитных материалах поля многих атомов усиливают друг друга в небольших участках - доменах - с образованием мини-магнитов. Обычно домены организованы хаотически и их магнитные поля нейтрализуют друг друга. Но если все домены выровнены в одном направлении, образуется обычный магнит. Он будет притягивать другие ферромагнитные материалы и притягивает или отталкивает другой магнит в зависимости от того, как расположены его домены.

Постоянный магнит всегда обладает магнетизмом, переменный может приобретать или терять свою магнитную силу.

Магнитные полюса. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный, на противоположных концах. Земля является магнитом, и северный полюс магнита назван так потому, что он притягивается к Северному полюсу Земли. Южный полюс смотрит на юг. Противоположные магнитные полюса притягивают друг друга, тогда как одноименные отталкиваются.

Силовые линии. Магнитное поле имеет направление, оно действует вдоль невидимых линий, называемых силовыми. Они образуют петлю вокруг магнита от полюса к полюсу, их можно увидеть, если рассыпать железные опилки вокруг магнитного стержня.

Индукция. Подобно тому как электрический заряд вызывает появление противоположного заряда, магнит наводит магнетизм в расположенном рядом ферромагнитном материале. Северный полюс индуцирует южный, и наоборот. Магниты притягивают ненамагниченные ферромагнитные материалы - железные опилки или булавки.

Магнитный компас. Земля обладает магнитным полем, образуемым движением расплавленного железа в ее ядре, и она ведет себя подобно гигантскому стержню. Компас - это легкий магнит, который определяет направление этого поля. Северный полюс компаса указывает на магнитный север Земли. Сбивает с толку то, что северный полюс компаса притягивается к северу: называемый нами северным полюс магнита на самом деле то же, что южный полюс земного магнита.

Магнитные поля. Железные опилки, насыпанные на лист бумаги, положенный сверху магнитов, покажут направление и силу магнитных полей вокруг них: (1) вблизи северный и южный полюса притягиваются, и (2) два сближенных южных полюса отталкиваются

Электромагнетизм. Взаимосвязь электричества и магнетизма - электромагнетизм - основа электрических моторов и широко используется в промышленности.

Магнетизм из электричества. Когда электрический ток проходит через проводник, он образует слабое магнитное поле. Поле усиливается, если проволоку намотать на катушку. Металлический сердечник внутри катушки концентрирует поле еще сильнее. Катушка, подобная этой, называется электромагнитом.

Электрические моторы. В простейшей форме электрический мотор состоит из катушки с проволокой, подвешенной в магнитном поле между полюсами постоянного магнита или электромагнита. Ток в катушке создает собственное магнитное поле с силами притяжения и отталкивания между ним и магнитным полем вокруг. Эти силы вызывают движение, катушка вращается, приводя в движение вал.

Ток подводится к катушке через угольные стержни, называемые щетками. Специальное устройство, коллектор, соединяет щетки с катушкой. Оно обеспечивает изменение направления тока на противоположное в катушке каждые пол-оборота, так что катушка всегда выталкивается вверх с одной стороны и притягивается вниз с другой. Это создает постоянное вращательное движение.

Электричество из магнетизма. Движение проводника или катушки в магнитном поле создает внутри них электрический ток. Это явление известно как электромагнитная индукция. Если вращающаяся катушка динамо-машины оборудована коллектором, соединение будет переключаться на обратное каждые пол-оборота, так что вырабатываемый ток будет всегда течь в одном направлении, что называется постоянным током. Без коллектора ток будет менять направление на обратное каждые пол-оборота; это называется переменным током.