электростатическое поле порождает магнитное поле переменное

Содержание
  1. Как сказал.
  2. Вопросы к экзамену
  3. Вихревое электрическое поле
  4. Электростатическое поле порождает магнитное поле переменное
  5. 7. Взаимная связь электрических и магнитных полей
  6. Новые свойства электромагнитного поля
  7. Электромагнитная индукция
  8. Направление индукционного тока и сохранение энергии
  9. Природа электромагнитной индукции
  10. Вихревое электрическое поле
  11. Не все вопросы имеют смысл
  12. О симметрии
  13. Ток смещения
  14. Электромагнитное поле
  15. Электромагнитное поле
  16. Физика
  17. Явление самоиндукции
  18. Получение и передача переменного электрического тока
  19. Трансформатор. Электромеханические индукционные генераторы. Статор. Ротор
  20. Электромагнитное поле
  21. Вихревое и электростатическое поле. Напряженность электрического поля
  22. Электромагнитные волны
  23. Конденсатор
  24. Заряд конденсатора. Электрическая емкость конденсатора
  25. Колебательный контур
  26. Получение электромагнитных колебаний
  27. Принципы радиосвязи и телевидения
  28. Амплитудная модуляция. Передающие устройства. Детектор. Детектирование

Как сказал.

Информация в чистом виде ‒ это не знание. Настоящий источник знания ‒ это опыт.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

newСписок лекций по физике за 1,2 семестр

Вихревое электрическое поле

velp1

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

velp2

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

Источник

Электростатическое поле порождает магнитное поле переменное

backglasscontentglassforward

7. Взаимная связь электрических и магнитных полей

Новые свойства электромагнитного поля

Электромагнитная индукция

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Для этого достаточно положить кусок внутрь катушки. Не может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока или изменить его величину? Долгое время ничего обнаружить не удавалось.

000045
Электромагнитная индукция

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий любопытный факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колла- дон также пытался получить электрический ток с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вдвинув магнит в катушку, Колладон шел в эту комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр показывает нуль. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит мог лежать преспокойно внутри нее сотни лет, не вызывая в катушке тока.

С подобного рода случайностями сталкивался и Фарадей, потому что он неоднократно пытался получить электрический ток при помощи магнита и при помощи тока в другом проводнике, но безуспешно.

* ( Сравнительно редкий случай, когда столь точно известна дата нового замечательного открытия.)

Итак, первоначально была открыта индукция неподвижных друг относительно друга токов. Затем, ясно понимая, что замыкание и размыкание соответствуют сближению или удалению проводников с током, Фарадей экспериментально доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг относительно друга.

Фарадей не только открыл явление, но и первым осуществил несовершенную пока еще модель генератора электрического тока, превращающего механическую энергию вращения в ток. Это был массивный медный диск, вращающийся между полюсами сильного магнита. Присоединив ось и край диска к гальванометру, Фарадей обнаружил отклонение стрелки. Ток был, правда, слаб, но найденный принцип позволил впоследствии построить мощные генераторы. Без них электричество и по сей день было бы мало кому доступной роскошью.

Направление индукционного тока и сохранение энергии

Возникший индукционный ток немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток обязательно отталкивает магнит. Для сближения необходимо совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило, подмеченное Ленцем, выполняется совершенно неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, он сам собой устремляется внутрь ее и. нарушался бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличивалась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Природа мудро распорядилась направлением индукционного тока, с тем чтобы запасы энергии не изменялись. Индуцированный в якоре генератора электростанции ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает индукционный ток.

Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Природа электромагнитной индукции

Сразу после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции ученые стремились придать ему строгую количественную форму. Сейчас трудно представить себе те мучительные усилия, которые потребовались для формулировки этого закона на языке концепции действия на расстоянии. В конце концов были получены (Нейманом и Вебером) весьма и весьма сложные формулы, неясные по своему физическому содержанию, но все же способные количественно описывать опытные факты. В настоящее время их можно найти только в книгах по истории физики.

Истинный смысл закона электромагнитной индукции был найден Максвеллом. Он же придал закону ту простую и ясную математическую форму, базирующуюся на представлении о поле, которой сейчас пользуется весь мир.

Попробуем представить себе, с помощью какого рода рассуждений Максвелл смог усмотреть в явлении электромагнитной индукции новое фундаментальное свойство электромагнитного поля.

Допустим перед нами обыкновенный трансформатор. Включив первичную обмотку в сеть, мы немедленно получим ток в соседней вторичной обмотке, если только она замкнута. Электроны, находящиеся в проволоке обмотки, придут в движение.

Но ведь электронам закон электромагнитной индукции не известен. Короче говоря, какие силы приводят электроны в движение?

* ( В действительности дело обстоит не так уж просто. И в неподвижном проводнике электроны совершают беспорядочное движение. Но средняя скорость такого движения равна нулю, так как число электронов, движущихся в любом заданном направлении, равно в среднем числу электронов, движущихся в противоположном направлении. Соответственно ток, вызванный непосредственно магнитным полем, должен быть также равен нулю.)

Кроме магнитного, на заряды, мы знаем, действует еще электрическое поле. Причем оно-то как раз может действовать и на неподвижные заряды. Это его главное свойство. Но ведь то поле, о котором у нас шла речь (электростатическое поле), создается непосредственно электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля. Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идея близкодействия считается незыблемой?

Не будем спешить с выводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новых полей, как в свое время выход из всех трудностей видели во введении новых сил. Ведь у нас нет никакой гарантии, что все главные свойства магнитного и электрического полей известны. В законах Кулона и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные поля. А что если у переменных полей появляются новые свойства? Будем надеяться, что идея единства электрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет и дальше.

Читайте также:  кран для душа встраиваемый в стену

Тогда остается единственная возможность: предположить, что электроны ускоряются во вторичной обмотке электрическим полем и это поле порождается переменным магнитным полем непосредственно в пустом пространстве. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство магнитного поля: изменяясь во времени, оно порождает вокруг себя электрическое поле.

Сущность явления электромагнитной индукции совсем не в появлении индукционного тока, а в возникновении электрического поля.

Вихревое электрическое поле

Возникающее при изменении магнитного поля электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его силовые линии не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и нигде не кончаются, представляя собой замкнутые линии, подобные силовым линиям магнитного поля. Это так называемое вихревое поле.

Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля.

Еще один естественный вопрос. Ведь все сказанное в конце концов не более чем предположение, достоверность которого совсем не самоочевидна. Может быть, в действительности дело обстоит и не так? Само- то электрическое поле мы не воспринимаем и судим о его присутствии только по силам, действующим на заряженные частицы!

Не все вопросы имеют смысл

О симметрии

Порождение электрического поля магнитным Максвелл усмотрел в явлении электромагнитной индукции. Следующий и уже последний шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был им сделан без каких-либо указаний со стороны эксперимента.

Им руководили, надо полагать, в сущности те же соображения, которые заставили строителей Аничкова моста в Ленинграде поставить фигуры укрощаемых лошадей по обе стороны дороги, те же соображения, которые не позволяют вам перегружать вещами одну половину комнаты за счет другой. Это не что иное, как соображения симметрии, но только симметрии, понимаемой не в узком геометрическом смысле, а более широко.

Свойства симметрии глубоко заложены в природе, и, по-видимому, именно поэтому симметрия воспринимается нами как некая необходимая гармония окружающего мира.

В электромагнитных явлениях речь, конечно, идет не о той внешней красоте и изяществе, которая может быть присуща тому, что мы наблюдаем непосредственно с помощью органов чувств. Здесь речь может идти о внутренней стройности, гармоничности, которую открывает природа перед человеком, стремящимся постичь ее изначальные законы. Чувствуя эту гармонию в природе, человек, естественно, стремится усмотреть ее и там, где факты пока еще не демонстрируют ее с полной наглядностью.

Магнитное поле рождает электрическое. Не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле в свою очередь порождает магнитное? Это диктуемое соображениями симметрии предположение составляет основу известной гипотезы Максвелла о токах смещения.

Ток смещения

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Переменное электрическое поле в пустоте или внутри диэлектрика было названо им током смещения. Током названо потому, что это поле порождает магнитное поле точно так же, как и обычный ток. (Этим начинается, этим же и кончается сходство тока смещения с током проводимости.) Добавка «смещение«, с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отдаленном времени, когда с изменением электрического поля в пустоте связывалось смещение частиц гипотетического эфира.

Утверждение Максвелла долгое время оставалось не чем иным, как гипотезой. Причем гипотезой, которую мы сейчас с полным правом можем назвать гениальной: экспериментально была доказана ее абсолютная справедливость.

Сейчас может показаться, что ничего нет в этом предположении необычайного, поражающего самой возможностью подобной догадки. Не мог ли ее высказать любой ученый? Нет! Не надо забывать, что сама возможность этой гипотезы возникла лишь после объяснения электромагнитной индукции на основе представлений о поле. И это в то время, когда большинство известных ученых вообще не придавало самому понятию поля сколько-нибудь серьезного значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования оставалось еще несколько десятков лет.

Максвелл не только высказал гипотезу, но тут же сформулировал точный количественный закон, определяющий величину магнитного поля в зависимости от скорости изменения поля электрического.

000047
Ток смещения

И, во-вторых, не каждый человек, к сожалению, Максвелл.)

Действуя подобным образом, вообще говоря, нетрудно из области науки шагнуть в область фантастики, если только с самого начала не будет угадано правильное направление. А заранее это никогда не бывает известно. Именно в выборе направления при построении теории сказываются в первую очередь способности гения.

Итак, еще одно фундаментальное, не подлежащее разложению на более элементарные, свойство электромагнитного поля было обнаружено. Переменное электрическое поле порождает в пустом пространстве магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле). Причем в растущем электрическом поле силовые линии магнитного поля образуют правый винт с полем, в отличие от левого винта для поля в явлении электромагнитной индукции. Глубокий смысл этого мы потом выясним.

Электромагнитное поле

Пусть в некоторой области пространства имеется неоднородное электрическое поле, созданное каким- либо зарядом, покоящимся относительно Земли. Магнитного поля вокруг заряда нет. Но так будет только по отношению к Земле. (В системе отсчета, связанной с Землей, как принято говорить.) Для движущегося наблюдателя неоднородное, но не меняющееся со временем поле будет представляться уже переменным. А переменное электрическое поле рождает магнитное, и движущийся наблюдатель зарегистрирует магнитное поле наряду с электрическим.

Точно так же лежащий на земле магнит создает только магнитное поле, но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Подобно тому как меняется окраска окружающего нас пейзажа, если рассматривать его сквозь различные цветные стекла, меняется величина и конфигурация полей при переходе от одной системы отсчета к другой.

000048
Электромагнитное поле

Подобно тому как синие предметы становятся невидимыми, если их рассматривать через красное стекло, подходящим выбором системы отсчета мы можем в ряде случаев сделать магнитное поле, к примеру, ненаблюдаемым.

Разница в одном, но очень важном обстоятельстве. Мы можем отбросить цветные стекла и сказать: вот истинные цвета пейзажа, вот каков он в действительности! С полным правом один из светофильтров (атмосферу) можно объявить привилегированным. Сделать же это с системой отсчета нельзя. Все они имеют совершенно одинаковые права на существование. Поэтому нет какой-то особой конфигурации полей, имеющей абсолютную значимость, независимую от системы отсчета.

Источник

Электромагнитное поле

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электромагнитное поле.

Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.

St33 01

Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)

St33 02

Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)

У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.

У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3 ):

St33 03

Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока

Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.

Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится.

Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.

Читайте также:  веранда на участке детского сада

Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит движется — приближается к автомобилю или удаляется от него. В системе отсчёта автомобиля магнитное поле меняется со временем — нарастает или убывает; наблюдатель в автомобиле фиксирует вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем нашего магнита.

Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что электрическое поле и магнитное поле служат двумя различными проявлениями одного физического объекта — электромагнитного поля.

Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.

Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.

Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!

Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).

Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.

Источник

Физика

План урока:

Явление самоиндукции

В уроке 9 было разобрано понятие магнитного потока (Ф). Изменение магнитного потока, пронизывающего контур, служит причиной возникновения индукционного тока в этом контуре, то есть, явление электромагнитной индукции.

Теперь необходимо рассмотреть эти понятия на примере чуть более сложной системы, называемой соленоидом.

По определению соленоид – это катушка из проводникового материала с равномерным распределением витков, радиус которых значительно меньше длины катушки.Подробно ознакомиться с устройством соленоида можно в уроке 8-го класса «Электромагнитные явления. Часть 1».

Вспомним основные свойства соленоида:

Рисунок 1 – Правило правой руки для соленоида

Когда соленоид подключен к электрической цепи в момент замыкания – по его виткам начинает течь ток, который создает магнитное поле. Это поле начинает пронизывать витки соленоида, изменяя магнитный поток, проходящий через них. А изменяющийся магнитный поток, в свою очередь, провоцирует возникновение индукционного тока, который по правилу Ленца будет противонаправлен тому току, который спровоцировал его появление.

Рисунок 2 – Ток в соленоиде в момент замыкания цепи (I – ток от источника, i – индукционный ток)

Когда ток установится, магнитный поток через витки станет неизменным, а значит индукционный ток исчезнет.

Явление, когда изменяющийся ток в цепи провоцирует появление индукционного тока, называется самоиндукцией. А возникающий ток называется током самоиндукции.

Как известно, магнитный поток (Ф) прямо пропорционален числу магнитных линий, которые пронизывают контур, то есть величине магнитной индукции ( ). А индукция пропорциональна силе тока, протекающего в проводнике. Получается, что магнитная индукция и сила тока прямо пропорциональны:

Если ввести величину, равную отношению магнитного потока (Ф) к силе тока (I), она не будет зависеть от свойств цепи, а только от свойств самого контура:

Эту величину назвали индуктивностью. Можно сказать, что индуктивность – это способность соленоида сопротивляться изменению силы тока.

Единицей измерения индуктивности принята Гн (Генри).

На самом деле индуктивностью обладает любой проводник, не только катушка или соленоид. Однако заметное действие она оказывает только в случае катушки с достаточно большим числом витков.

Для того, чтобы создать ток самоиндукции, магнитное поле должно совершить работу. А для совершения работы необходим запас энергии. Значит, магнитное поле обладает энергией. Эту энергию можно найти по формуле:

Где L – индуктивность катушки, I – сила тока в ней (речь о силе тока, порождаемого источником, а не об индукционном токе).

Получение и передача переменного электрического тока

Трансформатор. Электромеханические индукционные генераторы. Статор. Ротор

До текущего момента при изучении электрических явлений, в основном, рассматривался постоянный ток. Однако на практике большинство устройств работают на переменном токе. Даже тот ток, который течет по устройствам, подключенным в обычную домашнюю розетку, является переменным.

Переменный ток – это электрический ток, который с течением времени меняется по модулю и направлению.

Рассмотрим устройство для получения переменного электрического тока, называемого электромеханическим индукционным генератором (см. рисунок 3). Он состоит из неподвижной проводящей ток рамки – статора (1) – и подвижного ротора (2).

Рисунок 3 – Схема простейшего генератора переменного тока (1 – статор, 2 – ротор)

Статор генератора является полым цилиндром, на котором витками намотан медный провод (это так называемая обмотка статора – на рисунке вид сверху, поэтому ее не видно). Ротор генератора является электромагнитом*. При вращательном движении ротора (как правило это делается механической силой извне) вращается и магнитное поле, создаваемое им. Таким образом магнитный поток, пронизывающий обмотку статора изменяется, создавая в нем индукционный ток, который дальше уже может разводиться на различные узлы и работающие механизмы.

*Напоминание: электромагнит – это обмотка, надетая на стальной сердечник. По обмотке течет ток, создавая магнитное поле, которое своим направлением формирует два полюса магнита (сердечник усиливает магнитное поле).

Становится понятным, откуда взялось название такого генератора – механическая энергия вращения ротора заставляет изменяться магнитное поле, которое порождает индукционный ток.

Учитывая, что ток провоцируется вращающимся магнитным полем, можно сделать вывод, что его изменения будут повторяться с некоторой периодичностью. На самом деле ток, который создают такие генераторы, будет изменяться со временем по гармоническому закону. График изменения тока со временем изображен на рисунке 4 (для сравнения даны графики постоянного и переменного токов).

Рисунок 4 – График зависимости силы тока от времени (1 – постоянный ток; 2 – переменный)

Видно, что график i(t) имеет определенный период и частоту. Как правило, в технике используется ток определенной частоты. Например, в РФ это 50 Гц.

А как же передавать этот ток на большие расстояния до потребителя?

Для передачи тока используются линии электропередачи или, сокращенно, ЛЭП. При прохождении тока по проводнику часть энергии расходуется на нагревание этого проводника. По закону Джоуля-Ленца тепловые потери будут составлять:

Сопротивление можно найти по формуле:

где ρ – удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник, l – длина проводника, S площадь его поперечного сечения.

То есть, чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление и, следовательно, тем больше будет потерь на выделение теплоты Q.

Уменьшить потери энергии на выделение теплоты можно не только за счет сопротивления, но также за счет уменьшения силы тока I. Однако тогда необходимо рассчитать все так, чтобы у потребителя не падала мощность, которая зависит от силы тока (I) и напряжения (U):

То есть необходимо повышать напряжение U. Над решением этой задачи работал русский ученый П.Н. Яблочков. Плодом его исследованием стало новое устройство, названное трансформатором.

Итак, трансформатор состоит из сердечника, на который намотаны две обмотки из изолированных проводов (см. рисунок 5). Одна из обмоток трансформатора (она называется первичной) подключена к источнику переменного тока, который создает переменного магнитное поле. Благодаря явлению самоиндукции в другой (вторичной) обмотке возникает ток, а на ее концах возникает напряжение.

Читайте также:  смешной мужик на поле чудес в очках

Рисунок 5 – Схема трансформатора

Из этого выражения видно, что если N2>N1, то и U2>U1. Такой трансформатор будет называться повышающим.

(N1>N2) или, как его еще называют, трансформатор тока используется для уменьшения

силы тока до удобных для измерения значений.

Трансформатор, преобразующий значения напряжения и силы переменного тока без изменения их частоты и выдаваемой мощности, называется силовым трансформатором.

Электромагнитное поле

Вихревое и электростатическое поле. Напряженность электрического поля

Как известно, для возникновения тока в цепи необходимо электрическое поле (оно заставляет свободные заряженные частицы двигаться упорядоченно). При явлении электромагнитной индукции возникает ток. Это значит, что должно быть и электрическое поле. Помимо этого, движущиеся частицы порождают магнитное поле.

Исследованием связи электрического и магнитного полей занимался английский физик Дж. Максвелл. Он создал теорию электромагнитного поля. Одним из самых значимых его выводов гласит: любое изменение со временем магнитного поля порождает переменное электрическое поле, а любое изменение со временем электрического поля приводит к возникновению переменного магнитного поля.

Изменяющиеся электрическое и магнитное поля взаимно порождают друг друга, а вместе такая система образует единое электромагнитное поле.

Электрическое поле, которое порождается ускоренно движущимися зарядами, отличается от создаваемого неподвижными зарядами – электростатического:

Такое поле получило название –вихревое поле.

Напомним, что электростатическое поле образуется вокруг неподвижного электрического заряда. Его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (рисунок 6).

Вектор напряженности электрического поля направлен туда же, куда и сила, действующая на заряд.

Электромагнитные волны

Дж. Максвелл выяснил, что электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн. Более того, ученый посчитал, что распространение этих волн всегда будет происходить со скоростью света (с):

Электромагнитная волна – это система взаимно порождающих друг друга магнитного и вихревого электрического полей, распространяющаяся в пространстве.

Интересен факт, что для распространения электромагнитной волне не нужна среда, она может распространяться и в вакууме.

Итак, как же охарактеризовать эту волну?

Для любой волны справедливы закономерности:

Если учесть, что для электромагнитной волны v = c, можно записать, что длина электромагнитной волны вычисляется так:

Классификация электромагнитных волн по их длинам приведена в таблице 1.

Конденсатор

Заряд конденсатора. Электрическая емкость конденсатора

Обычно соленоиды используют в паре с еще одним устройством, называемым конденсатором. Что же это за устройство?

Конденсатор – это устройство, позволяющее накапливать заряд. Он состоит из двух обкладок и непроводящей прослойки между ними. Обкладки – это металлические пластины различной формы (чаще всего рассматривают плоский конденсатор, но бывают разные, например, цилиндрические). А непроводящая прослойка может быть просто воздушным зазором или слоем диэлектрика между обкладками.Примеры конденсаторов изображены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Виды конденсаторов ( а) – плоский конденсатор; б) – цилиндрический)

На электрических схемах конденсатор, вне зависимости от его вида, изображается так, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Изображение конденсатора в электрических цепях

Рассмотрим принцип действия конденсатора. Когда обкладки конденсатора подключаются к источнику тока, на них начинают стекаться заряды разного знака (см. рисунок 9).

Рисунок 9 – Конденсатор в электрической цепи

Заряд, который конденсатор может накопить на обкладках зависит от свойств самого конденсатора.

Электроемкость или просто емкость конденсатора (С) – это величина, характеризующая способность конденсатора накапливать заряд на обкладках.

Рассчитать электроемкость можно по формуле:

где q –заряд конденсатора, U – напряжение, к которому он подключен.

Следует оговориться, что под зарядом конденсатора (q) подразумевается модуль заряда одной обкладки.

Еще одна оговорка состоит в том, что электростатическое поле обладает энергией. То есть вместе с зарядом, конденсатор накапливает энергию электростатического поля.

Как видно из формулы для расчета, единицы измерения электроемкости:

Однако электроемкость – важная и часто использующаяся величина, поэтому для нее ввели единицу измерения, названную Фарадом (Ф).

Электроемкость в 1 Ф – это очень большая величина. Чаще всего используются конденсатора с электроемкостью в мкФ или мФ.

Колебательный контур

Получение электромагнитных колебаний

На основе двух рассмотренных устройств – соленоида и конденсатора – работает система, названная колебательным контуром. Она лежит в основе многих процессов, таких как радиовещание или телевидение. Но прежде чем рассматривать колебательный контур, необходимо понять, о каких колебаниях идет речь.

В технике для передачи информации зачастую используют электромагнитные волны. Например, радиовещание осуществляется с помощью электромагнитных волн, источником которых служит передающее устройство, а приемником – антенна. Электромагнитные волны порождаются ускоренно движущимися заряженными частицами (в случае антенны – это будут свободные электроны).Двигаться постоянно ускоренно частицы будут при колебательных движениях. То есть необходимо устройство, способное заставить электроны в антенне колебаться.

Еще важно отметить, что зафиксировать электромагнитную волну можно только если ее частота будет больше 105 кГц (это очень высокая частота). То есть заряженные частицы должны колебаться с высокой частотой.

Такие колебания свободных электронов называются электромагнитными (потому что служат источником электромагнитных волн).

Получается, что источником волны должно быть устройство, которое способно совершать высокочастотные электромагнитные колебания. Одним из таких устройств является колебательный контур (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Колебательный контур

Колебательный контур – это система, состоящая из конденсатора (или нескольких конденсаторов) и катушки индуктивности. В этой системе могут существовать электромагнитные колебания.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из колебательного контура, источника тока и ключа (рисунок 11), который может быть замкнут в положении 1 (на источник) и 2 (на катушку индуктивности).

Рисунок 11 – Электрическая цепь с колебательным контуром

Сначала ключ необходимо замкнуть на источник тока – в положение 1, чтобы конденсатор в колебательном контуре зарядился. Когда на обкладках конденсатора скопится максимально возможный для данного конденсатора заряд q, внутри конденсатора образуется электростатическое поле с максимальной (для данной системы) энергией.

Далее ключ замыкают в положение 2. Конденсатор начинает отдавать заряд, а по катушке начинает течь ток. Из-за явления электромагнитной самоиндукции ток возникает не мгновенно, а постепенно нарастает. Пока идет нарастание тока, энергия электростатического поля внутри конденсатора превращается в энергию магнитного поля. Когда ток достигнет своего максимального значения, энергия электрического поля полностью перейдет в энергию магнитного, а конденсатор полностью разрядится.

Так как конденсатор разряжен, отдавать заряд больше нечему, и ток должен прекратиться, но в катушке колебательного контура снова возникает самоиндукция, препятствующая изменению тока. Индукционный ток будет сонаправлен с исходным (так как он сопротивляется уменьшению исходного), и конденсатор снова начнет заряжаться, только знак заряда на обкладках поменяется – там, где был положительный заряд, скопится отрицательный и наоборот.

Когда конденсатор полностью зарядится, энергия магнитного поля снова превратиться в энергию электрического, и процесс начнется заново. Таким образом возникнут электромагнитные колебания.

Период электромагнитных колебания можно посчитать по формуле Томсона:

Естественно, в реальных системах происходят потери энергии и эти колебания постепенно будут затухать. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний необходимо подпитывать контур от источника.

Принципы радиосвязи и телевидения

Амплитудная модуляция. Передающие устройства. Детектор. Детектирование

Перейдем к основным принципам радиосвязи и телевидения. Рассматривать их будет на примере радиовещания, то есть передачи звукового сигнала.

Как уже было сказано, передача и прием информации при радиосвязи осуществляется с помощью электромагнитных волн. Звуковой сигнал поступает в микрофон, где преобразовывается в электрические колебания (см. блок-схему на рисунке 12). Напомним, что звук – это низкочастотные колебания, частотой от 20 Гц до 20 кГц.

Рисунок 12 – Блок-схема преобразования звукового сигнала

Эти преобразованные колебания поступают в специальное устройство – модулятор. На другой вход модулятор принимает электромагнитные колебания высокой частоты и постоянной амплитуды. Модулятор преобразовывает электромагнитные колебания с помощью низкочастотных звуковых, получая в итоге разноамплитудные высокочастотные электромагнитные колебания.

Амплитудная модуляция –изменение амплитуды электромагнитных колебаний с помощью звуковых. В итоге амплитуда электромагнитных колебаний изменяется с частотой как у звуковых колебаний.

Модулированные высокочастотные колебания несут всю информацию о звуке, поэтому частоту этих колебаний называют несущей.

Модулированные колебания поступают в передающее устройство, в котором под их воздействием порождаются токи высокой частоты, которые, в свою очередь, порождают электромагнитные волны.

Электромагнитные волны высокой частоты могут распространяться на большие расстояния*. Для приема сигнала необходима принимающая антенна, настроенная на определенную частоту, равную несущей частоте сигнала**. Антенна принимает сигнал и передает его в усиливающее устройство. Затем, сигнал передается в специальное устройство, производящее процесс, обратный модуляции. Этот процесс называется детектированием, а устройство – детектором.

Детектирование проводится в два этапа:

*Здесь следует пояснить, что электромагнитные волны малой частоты (менее 100 кГц) быстро затухают и распространяться далеко не могут. Поэтому и необходимо использовать модуляторы, которые преобразовывают низкочастотные колебания в высокочастотные.

**Разные радиостанции предают сигналы с разными несущими частотами, но у каждой радиостанции одна своя фиксированная частота.

Источник

Оцените статью
Мой дом
Adblock
detector