Содержание

Взаимодействие токов. Магнитное поле – Магнитное поле

Цели: дать учащимся представление о магнитном иоле.

Демонстрация: демонстрация опыта Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле; демонстрация силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного ноля прямого тока.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

История магнита насчитывает свыше двух с половиной тысяч лет. В VI в. до н.э. древнекитайские ученые обнаружили минерал, способный притягивать к себе железные предметы. В древние времена свойства магнита пытались объяснить, приписывая ему «живую душу». Теперь мы знаем: вокруг любого магнита существует магнитное поле.

В 1820 г. Г.-Х. Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током.

(Проводится демонстрация опыта Эрстеда.)

В 1820 г. Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля

1. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

2. В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).

3. Магнитное поле материально, так как оно действует на тела и, следовательно, обладает энергией.

4. Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Опыт Ампера

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляем вертикально, затем присоединяем их с источниками тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, то есть взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Уильям Дисельберт выпустил в 1600 г. книгу под названием «Новая физиология в магнитах, магнитных силах и великом магните Земли». С этой книги, собственно, и начинается подлинное научное изучение электрических и магнитных явлений. Дисельберт описал в своей книге все свойства магнитов, которые в его эпоху были известны, а также изложил результаты собственных очень важных опытов. Он указал на ряд существенных различий между электрическим и магнитным притяжениями и ввел само слово «электричество».

Хотя после Дюсельберта различие между электрическими и магнитными явлениями было уже всем неоспоримо ясно, тем не менее, ряд фактов указывает на то, что при всем своем различии эти явления каким-то образом тесно и неразрывно связаны друг с другом. Наиболее бросаются в глаза факты намагничивания железных предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний.

Знаменитый французский физик Д. Араго (1786-1853) в своей работе «Гром и молния» описывает интересный случай: «В июне 1681 г. корабль «Королева», находившийся в сотне миль от берега в открытом море, был поражен молнией, которая причинила значительные повреждения в мачтах, парусах. Когда наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два показывали на юг, а третий – на запад».

Араго описывает также случай, когда молния, ударившаяся в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.

В начале XVIII в. было установлено, что молния представляет собой электрический ток, идущий через воздух. Поэтому факты могли подсказать, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить это удалось только в 1820 г. Эрстеду.

Первые успехи в исследовании магнитных явлений в Средние века

В Средние века изучение магнитных явлений приобретает практическое значение. Это происходит в связи с изобретением компаса.

Уже в XII в. в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света. О компасе европейцы узнали от арабов, которым было уже к этому времени известно свойство магнитной стрелки. Еще раньше, вероятно, такое свойство знали в Китае.

Начиная с XII в. компас все шире применялся в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.

Практическое применение магнитных явлений приводило к необходимости их изучения. Постепенно выяснялся целый ряд свойств магнитов.

В 1600 г. вышла книга английского ученого У. Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия.

Еще раньше узнали, что магнит всегда имеет два полюса. Они были названы по имени частей света – северный полюс и южный полюс. В числе свойств магнита Гильберт указывал на то, что одинаковые полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Гильберт предполагал, что Земля представляет собой большой магнит. Чтобы подтвердить это предположение, Гильберт проделал специальный опыт. Он выточил из естественного магнита большой шар. Приближая к поверхности шара магнитную стрелку, он показал, что она всегда устанавливается в определенном положении, так же как стрелка компаса на Земле.

Гильберт описал явление магнитной индукции, способы намагничивания железа и стали и т. д. Книга Гильберта явилась первым научным исследованием магнитных явлений.

III. Закрепление материала

– Какие взаимодействия называют магнитными?

– Перечислите основные свойства магнитного поля.

– Опишите опыт Эрстеда.

– Что доказывает опыт Эрстеда?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание

§ 1 учебника.

«Взаимодействие токов. Магнитное поле, его характеристики». 11-й класс

Цель урока:

  • дать учащимся представление о магнитном поле;
  • сформировать представления учащихся о магнитном поле и его свойствах.

Демонстрации:

1. Опыт Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле;
2. Силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока.

Оборудование:

  • источник питания;
  • ключ;
  • переменный резистор;
  • амперметр;
  • катушка на подставке;
  • компас;
  • соединительные провода.

ХОД УРОКА

I. Актуализация знаний

  1. Знакомство с учениками, с классом.
  2. Знакомство с учебником, правилами и требованиями учителя.
  3. Запись учениками школьных принадлежностей для урока физики.

а) учебник;
б) тетрадь 48 л.;
в) тетрадь для лабораторных и практических работ – 12-18 л.;
г) тетрадь для контрольных работ – 12-18 л.;
д) микрокалькулятор
е) линейка, карандаш, ластик, треугольник, транспортир, ручка (синяя и чёрная).

II. Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ.

а) ИОТ – 6;
б) ИОТ – 7;
в) ИОТ – 8;
г) журнал по технике безопасности на уроках физики (роспись учащихся об ознакомлении с правилами по ТБ).

 III. Изучение нового материала.

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле.
Вокруг любого магнита существует магнитное поле.
В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (демонстрация опыта Эрстеда).
В 1820 году Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля.

1. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

  • В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).
  • Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно обладает энергией.
  • Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Опыт Ампера

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляются вертикально, затем присоединяем их к источнику тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют

магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Изобретение компаса

В 12 веке в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света.
Применение (12 в.) в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.
Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Эксперимент 1

Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением компаса.
Вывод: вокруг проводника с током существует (возникает) магнитное поле.

Эксперимент 2

Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было около 12 см. замкнём электрическую цепь. В данном случае отклонения стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстоянии 8 см, наблюдается отклонение стрелки (300).

Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки. Чем дальше от проводника с током, тем слабее магнитное поле.

Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.
Линии магнитной индукции не пересекаются. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте поля была пропорциональна значению модуля магнитной индукции.
Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле   вихревое.

Правило правого винта: Если вы когда-нибудь закручивали винт или шуруп, то вы наверняка знаете, в какую сторону он закручивается, а в какую выкручивается. Люди унифицировали направление закручивая винтов и шурупов. Это значит, что все шурупы и винты во всем мире закручиваются в одну сторону. То есть, если вы купите некий прибор в другой стране, то в случае его ремонта или сборки вам не потребуются винты с нарезкой в иную сторону, такие, каких не купишь в вашей стране. Нарезка всех винтов в мире совпадает. Это правило нарушают лишь в некоторых особых случаях, когда от нарезки зависит вращение некой части устройства. Но для таких случаев делают специальные детали. Это простое, но гениальное решение избавило от множества потенциальных проблем.

«Правило буравчика», направление тока и линий его магнитного поля

Оказывается, что это правило применимо не только в механике к закручиванию винтов. Если мы имеем проводник с током, то это правило помогает нам определить направление линий магнитного поля, образованного этим током. Только это правило в данном случае носит название «правила буравчика». Правило буравчика звучит следующим образом:
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Буравчик это винт или шуруп, который мы ввинчиваем. Направление ручки буравчика это направление вращения нашей руки. Если ток движется от нас, то и шуруп движется от нас, то есть мы его ввинчиваем, так как мы условились считать их направления совпадающими.
Тогда направление вращения нашей руки в процессе ввинчивания это направление магнитных линий. Они будут направлены по часовой стрелке.
В случае противоположного направления электрического тока, линии магнитного поля будут направлены, соответственно, против часовой стрелки. Таким же было бы направление руки в процессе выкручивая винта или направление ручки буравчика в случае его движения к нам.
А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? Очень просто. По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

Правило правой руки

В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, картина будет более сложной. Поэтому для простого нахождения направления линий магнитного поля в таком случае существует правило правой руки. Оно гласит:

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Открытие электромагнетизма:

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.

Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника ∆l, то сила ∆F, действующая со стороны этого элемента на полюс магнита, будет пропорциональна ∆F ~ (∆lr2)sinθ –, где ∆l – элемент проводника, θ – угол, образованный этим элементом и прямой, проведенной из элемента ∆l в точку, в которой определяется сила, а r – кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии, являющейся продолжением элемента проводника.
После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:

где ∆H – напряженность магнитного поля, I – сила тока, а k – коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4π.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером в 1820г.
Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

IV. Закрепление изученного материала.

  1. Какие взаимодействия называются магнитными.
  2. Основные свойства магнитного поля.
  3. Опишите опыт Эрстеда, что доказывает опыт Эрстеда?
  4. Правило правого винта.
  5. От чего зависит магнитная индукция поля внутри вытянутой катушки?

V. Домашнее задание.

§ 1,2  учебника Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б.    Физика – 11 (базовый и профильный уровни),– М.: Просвещение, 2010 г.

Магнитное поле — определение, виды

Магнитное поле

Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.

Магнитное поле — это особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.

У нее есть несколько условий для существования:

  • магнитное поле существует независимо от наших знаний о нем;
  • порождается только движущимся электрическим зарядом;
  • обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
  • магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты?

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.

Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.

Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.

У любого магнита есть два полюса — северный и южный.

Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:



Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный?

Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.

Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).

Важный нюанс

Мы привыкли к тому, что на географическом севере находится северный магнитный полюс и на него указывает синяя стрелка компаса. Однако это не совсем так.

Из физики магнетизма нам известно, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс магнита, а выходят из северного. Если вы посмотрите на картину силовых линий магнитного поля Земли, то увидите, что они входят в Землю в районе северного географического полюса у канадских берегов Северного Ледовитого океана, а выходят в районе южного географического полюса в Антарктиде. Значит, с точки зрения физики у Земли на севере расположен южный магнитный полюс, а на юге — северный. Такие полюсы называются «истинными».

Однако, вопреки законам физики, люди договорились, что для простоты будут называть тот магнитный полюс, который находится на севере, северным, а тот магнитный полюс, что на юге, — южным. Такие магнитные полюсы Земли называются «мнимыми».

Опыт Эрстеда

Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эр­стед опыт­ным пу­тём свя­зал элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­та с от­кло­не­ни­ем стрел­ки ком­па­са.

Это явление использовали, когда создавали первые ам­пер­мет­ры, так как от­кло­не­ние стрел­ки про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не то­ка. Оно ле­жит в ос­но­ве лю­бо­го элек­тро­маг­ни­та.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Опубликованные материалы на сайте СМИ “Солнечный свет”. Статья Магнитное поле.

Магнитная индукция. Автор: Калашникова Александра Сергеевна.

Автор: Калашникова Александра Сергеевна
Понятие магнитного поля. Его характеристики и свойства тема 11 класса по физике


Автор: Калашникова Александра Сергеевна

Магнитное поле. Магнитная индукция
Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле.
По закону Кулона между неподвижными электрическими зарядами действуют силы притяжения и силы отталкивания. Согласно теории близкодействия, каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд, и наоборот. Два магнита или магнит и железо тоже взаимодействуют: притягиваются или отталкиваются. Почему же? Значит по той же теории близкодействия, в природе существует и магнитное поле. Что же это такое?
Проведем следующий опыт. Возьмем два гибких проводника, укрепим их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока. Если ток по ним не течет, взаимодействие между проводниками не обнаружится. Но если через проводники пропустить токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга. В случае токов одного направления проводники притягиваются. Значит, существует другого рода взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Движущиеся заряды, то есть электрический ток, создают магнитное поле. Взаимодействие электрических токов осуществляется посредством магнитного поля.
Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике. Значит, электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток в другом проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый проводник.
Магнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Основные свойства магнитного поля, которые установлены экспериментально:
1) Магнитное поле порождается электрическим током, то есть движущимися зарядами.
2) Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток, то есть на движущиеся заряды.
3) С удалением от источника МП оно ослабевает.
Так же как и электрическое поле, магнитное поле существует реально. Это особая форма материи, которая существует независимо от нас и от наших знаний о нем.
Можно взять замкнутый контур малых размеров, по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется, то есть маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы. Проводящие проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести вместе. Тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю. При помещении в магнитное поле он приходит во вращательное движение.
Другой пример. Подвесим на тонких гибких проводниках, сплетенных вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод. При пропускании электрического тока через них рамка поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводе рамка повернется на 180 градусов. Это еще одно подтверждение того, что магнитное поле порождают движущие заряды.
Нужно запомнить, что источником магнитного поля является только движущийся заряд. Вокруг неподвижного заряда существует только электрическое поле.
В жизни можно увидеть и постоянные магниты, железосодержащие вещества, внутри которых циркулируют микротоки, поэтому они также имеют вокруг себя магнитное поле. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость ее не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита. Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.
Электрическое поле характеризуется векторной величиной – напряженностью электрического поля. Характеристику же магнитного поля называют вектором магнитной индукции.
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса (эс) к северному (эн) магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Во внешнем магнитном поле вектор магнитной индукции направлен от северного магнитного полюса к южному. Можно наблюдать, как магнит в магнитном поле ориентируется так, что своим северным полюсом притягивается к южному магнитному полюсу, и наоборот.
Также можно наблюдать, что одноименные заряды магнитов отталкиваются, разноименные – притягиваются. Это явление можно объяснить, только понимая, что такое вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции направлен в ту сторону, куда перемещается буравчик с правой нарезкой, если вращать его по направлению тока в рамке. Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля. Если же вращать буравчик по направлению тока в кольцевом проводнике, то поступательное движение буравчика укажет на направление вектора магнитной индукции поля, созданного этим током.
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности. Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Необходимо запомнить правило правого винта или правило буравчика, которое состоит в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции магнитного поля, созданного этим током.
Также направление вектора магнитной индукции можно установить по правилу правой руки. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока. Если обхватить правой рукой кольцевой проводник так, чтобы четыре пальца были направлены по течению тока, то отогнутый большой палец укажет на направление вектора магнитной индукции поля, перпендикулярной плоскости кольца.
В задачах по физике можно встретить такую задачу. Необходимо определить полюса катушки с током.
Воспользуемся правилом правой руки. Мысленно обхватим правой рукой катушку с током так, чтобы загнутые четыре пальца были направлены по течению тока. Напомним, что ток направлен от положительного полюса к отрицательному полюсу источника тока. Отогнутый большой палец показывает нам направление вектора магнитной индукции справа налево в данной задаче. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса (эс) к северному (эн) магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Значит, слева находится магнитный полюс у катушки с током.
Для решения этой задачи воспользуемся правилом буравчика. Мысленно будем вертеть буравчик так, чтобы направление вращения ручки буравчика совпадало с направлением тока в катушке. Тогда поступательное движение буравчика совпадет с вектором магнитной индукции. В данной задаче вектор магнитной индукции направлен справа налево. Справа находится южный полюс в сердечнике катушки, слева – северный. К северному полюсу магнита будет направлен северный полюс намагниченного сердечника. Одноименные магнитные полюса отталкиваются. Значит, сердечник с катушкой и магнит будут отталкиваться.
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции (бэ) в данной точке поля. Линии магнитной индукции характеризуют магнитное поле аналогично тому, как линии напряженности характеризуют электростатическое поле.
Построим линии магнитной индукции для магнитного поля прямолинейного проводника с током. Линии магнитной индукции для магнитного поля прямолинейного проводника с током – это концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника.
Приведем картину магнитного поля катушки с током (соленоида). Соленоид дан в разрезе. Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля можно считать параллельными. Если в такую катушку внести железный сердечник, то он намагнитится, то есть будет иметь магнитные свойства.
Такое устройство, состоящее из железного сердечника, обмотанного изолированным проводом, по которому течет ток, называют электромагнитом. Электромагниты широко используют в технике для подъемов тяжелых грузов на железной подставке.
Тороид представляет собой тонкий провод, плотно (виток к витку) намотанный на каркас в форме тора (бублика). Вне тороида величина вектора магнитной индукции равна нулю. В тороиде магнитное поле однородно только величине, т.е. по модулю, но направление его в каждой точке различно.
Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида. Магнитный северный полюс N близок к южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс S – к северному географическому полюсу. Ось такого воображаемого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11 с половиной градусов. Периодически магнитные полюсы Земли меняют свою полярность.
На протяжении всей геологической историиЗемлимагнитныеполюсанашей планеты неоднократноменялисьместами. Такую сменуполюсовназываютгеомагнитной инверсией.
За последний миллион лет это случалось 7 раз. 570 лет назад магнитные полюса Земли были расположены в районе экватора. Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.
Наглядную картину линии магнитной индукции можно получить с помощью мелких железных опилок. В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий магнитной индукции.
Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электростатическим полем дело обстоит иначе. Его силовые линии во всех случаях имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле – вихревое поле. Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим зарядам, в природе нет.
Определять модуль вектора магнитной индукции необходимо для решения главной задачи, которая звучит следующим образом: сформулировать закон, определяющий силу, которая действует на проводник с током со стороны магнитного поля. Действие магнитного поля на проводник с током рассмотрим на следующей установке: свободно подвешенный горизонтально проводник находится в магнитном поле. Для этого воспользуемся подковообразным магнитом. Силу будем измерять с помощью специальных весов, связанных с проводником двумя стерженьками. Она направлена горизонтально, перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.
Увеличивая силу тока в энное количество раз, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в энное количество раз. Чтобы добиться равновесия между движением проводника и магнитом, приходится добавлять еще магниты. Сила магнитного поля достигает максимального значения (эф максимальное), когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику. Максимальная сила, действующая на участок проводника длиной (дельта эль), по которому течет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока на длину участка (дельта эль) :.
Задача.
Между полюсами магнита подвешен горизонтально на двух невесомых нитях прямой проводник длиной 20 см и массой 10 г. Индукция однородного магнитного поля перпендикулярна проводнику и направлена вертикально; Величина магнитной индукции равна 49 миллитесла. На какой угол альфа от вертикали отклонятся нити, поддерживающие проводник, если по нему пропустить ток в 2 ампера?
Решение.
На проводник действуют следующие силы: сила упругости двух нитей, сила тяжести и сила со стороны магнитного поля, которая равна произведению силы тока на длину участка и величины магнитной индукции.
При равновесии проводника суммы проекций сил на вертикальную и горизонтальную ось равны нулю. Получаем . Поделим второе уравнение на первое и определим тангенс угла как отношение магнитной силы на силу тяжести: . Следовательно, нити от вертикали отклонятся на (11 целых и 3 десятых) градуа.
Отношение силы магнитного поля на силу тока в проводнике и длину проводника – не изменяется в данном опыте. Поэтому можно это отношение принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника. Модулем вектора магнитной индукции назовем отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка: .
Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции. В каждой точке магнитного поля можно определить направление вектора магнитной индукции и его модуль, если измерить силу, действующую на участок проводника с током. За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 метр при силе тока в нем 1 ампер действует со стороны поля максимальная сила в 1 ньютон. Единица магнитной индукции получила название тесла (Тл) в честь ученого-электротехника Никола Тесла (1856-1943).
Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы – амперметрах и вольтметрах. Он устроен следующим образом. На легкой алюминиевой раме прямоугольной формы с прикрепленной к ней стрелкой намотана катушка. Рамка укреплена на двух полуосях. В положении равновесия ее удерживают две тонкие спиральные пружины. Силы упругости со стороны пружин, возвращающие катушку в положение равновесия, пропорциональны углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита с наконечниками специальной формы. Внутри катушки расположен цилиндр из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в той области, где находятся витки катушки. В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля, прямо пропорциональны силе тока. Благодаря этому можно определить силу тока по углу поворота катушки, если проградуировать прибор.
В связи с широчайшим развитием электронных систем управления, связи и электроэнергетических объектов, возросло антропогенное электромагнитное загрязнение, которое возникает в результате изменений электромагнитных свойств среды.
Это приводит не только к нарушению работы электронных систем, но и к изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах.
Между магнитным и электрическим полями существует связь:
1) Вокруг неподвижных зарядов существует электрическое поле.
2) Электрическое поле действует с силой на неподвижные и движущиеся заряды.
3) Вокруг подвижных зарядов существует электрическое и магнитное поля.
4) Магнитное поле действует только на подвижные заряды.

Скачать работу

Педагогическое сообщество «Урок.рф»


72 Дорогие педагоги, педагогическое сообщество «Урок» представляет вам новую образовательную платформу «Умная Ворона» – umnayavorona.ru. Больше года мы разрабатывали этот сайт с искренним желанием создать что-то полезное для вас и ваших учеников. Спешим рассказать о его возможностях!

СОЗДАЙТЕ…


0

«Влияние этнических особенностей на традиционное жилище удмуртов»


0

Программӕмӕ гӕсгӕ Фыдыбӕстӕйы Стыр хӕсты темӕйыл фыст уацмыстӕй ахуырдзаутӕ базонгӕ уыдзысты. цалдӕримӕ, уымӕ гӕсгӕ ахуыргӕнӕг йӕ урок райдайдзӕн хӕсты тыххӕй 6еседӕйӕ.


0

Правополушарное (интуитивное) рисование – это современный метод обучения детей технике рисования. Это не просто способ создания удивительной красоты картин, а сложная система из простых приемов, способствующая посмотреть на творчество под другим углом с позиции наблюдателя.


0

Правополушарное (интуитивное) рисование – это современный метод обучения детей технике рисования. Это не просто способ создания удивительной красоты картин, а сложная система из простых приемов, способствующая посмотреть на творчество под другим углом с позиции наблюдателя.


2

К празднику первоклассники – воспитанники театральной студии выполнили рисунки к Международному женскому Дню 8 марта


2

К празднику второклассники – воспитанники театральной студии выполнили рисунки к Международному женскому Дню 8 марта


1

Данная разработка предназначена для учителей русской литературы. Цели: Образовательные: осмысление исторической закономерности возникновения антигуманной теории Раскольникова; постижение обучающимися общественного и нравственного значения творчества Достоевского. 5. Развивающие: развитие монологической речи учащихся, умения систематизировать и обобщать изученный материал, аргументировать свое мнение 6. Воспитательные: формирование у обучающихся активной жизненной позиции, гуманизма, общечеловеческих ценностей, развитие высоких нравственных чувств, стремления к идеалам красоты и гармонии.


1

К празднику второклассники – воспитанники театральной студии выполнили рисунки к Международному женскому Дню 8 марта


1

К празднику второклассники – воспитанники театральной студии выполнили рисунки к Международному женскому Дню 8 марта


2

К празднику первоклассники – воспитанники театральной студии выполнили рисунки к Международному женскому Дню 8 марта


Шпаргалка по физике

 

  1. Взаимодействие токов. (магнитное)

Между неподвижными электрическими зарядами действуют  силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд.

Взаимодействия между  проводниками с током, т. е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называются магнитными силами. 

Укажем основные свойства магнитного поля:

  1. МП порождается электротоком;
  2. МП обнаруживается поле по действию на электроток;
  3. Движущиеся электрозаряды создают магнитное поле.

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

Опыты показали, что модуль силы, действующей  на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока Iи Iв проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними

Магнитное поле. Согласно теории близкодействия, подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное ионе, котоpoe действует на ток в другом проводнике. А поле, соаданное электрическим  током второго проводника, действует  на первый.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Перечислим основные свойства магнитного поля, которые устаноилеиы  экспериментально.

1.    Магнитное поле порождается электрическим током (направленон движущимися зарядами).

2.    Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

 

 

  1. Магнитное поле и его характеристики.

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда. Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают  силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Магнитное поле токов принципиально  отличается от электрического поля. Магнитное  поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Укажем основные свойства магнитного поля:

1. МП порождается электротоком;

2. МП обнаруживается поле по действию на электроток;

3. Движущиеся электрозаряды создают магнитное поле.

Магнитное поле. Согласно теории близкодействия, подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное ионе, котоpoe действует на ток в другом проводнике. А поле, соаданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле представляет собой особую форму  материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися  электрически заряженными частицами.

Перечислим  основные свойства магнитного поля, которые  устаноилеиы экспериментально.

1.    Магнитное поле порождается электрическим  током (направленон движущимися  зарядами).

2.    Магнитное поле обнаруживается  по действию на электрический  ток (на движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

 

 

  1. Постоянные магниты и их взаимодействие.

Постоянные  магниты  – это  тела,  длительное  время  сохраняющие  намагниченность. 
Основное свойство магнтов: притягивать тела  из  железа  или  его  сплавов (напр. стали).

Постоянный  магнит  всегда  имеет  2  магнитных полюса:  северный  (   N  )  и  южный  (  S  ). 
Наиболее  сильно магнитное поле постоянного магнита у его полюсов.

Постоянные магниты изготавливают обычно из з  железа,  стали,  чугуна  и  других  сплавов  железа (сильные магниты), 
а   также  из  никеля,  кобальта  ( слабые  магниты ). 
М агниты  бывают  естественные  (  природные)  из  железной  руды магнитного железняка   
и  искусственные,  полученные  намагничиванием  железа при  внесении  его в  магнитное  поле.

Взаимодействие магнитов :  
одноименные  полюса  отталкиваются, 
а  разноименные  полюса  притягиваются. 
Взаимодействие  магнитов  объясняется   тем,  что  любой  магнит  имеет  магнитное  поле, 
и  эти  магнитные  поля  взаимодействуют  между  собой.   
Магнитное поле постоянных магнитов.  
В чем причины намагничивания железа? 
Согласно   гипотезе  французского ученого  Ампера  внутри  вещества  существуют  элементарные электрические  токи  (  токи  Ампера ),  которые  образуются  вследствие  движения  электронов  вокруг  ядер  атомов  и  вокруг  собственной  оси.  При  движении  электронов  возникает  элементарные магнитные  поля. При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.  
     

 

 

 

  1. Сила Ампера.

Зако́н Ампе́ра  — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sina

I – сила тока в проводнике; 
B – модуль вектора индукции магнитного поля; 
L – длина проводника, находящегося в магнитном поле; 
a – угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.

Силу, действующую на проводник  с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Максимальная сила Ампера равна:

F = I·L·B Ей соответствует a = 900.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

 

 

  1. Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.

Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

В основе этого преобразования лежит  магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Существует несколько типов  электродвигателей. Отметим два  главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти  в любой электрической розетке  в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Универсальные двигатели могут  работать от источника любого типа.

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

амперметры — для измерения силы электрического тока;

вольтметры — для измерения электрического напряжения;

омметры — для измерения электрического сопротивления;

мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

 

 

  1. Индукция магнитного поля. Магнитный поток.

магнитное поле – это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

магнитная индукция – это силовая характеристика магнитного поля.

Вектор  магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.

Магни́тная инду́кция   — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой   магнитное поле действует на заряд  , движущийся со скоростью  .

направление линий магнитной индукции – определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.

Правило буравчика ( в основном для прямого проводника с током):

Если направление  поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Правило правой руки ( в основном для определения направления магнитных линий  
внутри соленоида):

Если обхватить  соленоид ладонью правой руки так, чтобы  четыре пальца были направлены вдоль  тока в витках, то отставленный большой  палец покажет направление линий  магнитного поля внутри соленоида.

 

 

  1. Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная  индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что  электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

вление  электромагнитной индукции заключается  в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике при  изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

Зако́н электромагни́тной  инду́кции Фараде́я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов.[1] Закон гласит:

Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменениямагнитного потока, проходящего через этот контур.

 

 

  1. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Зако́н электромагни́тной  инду́кции Фараде́я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов.[1] Закон гласит:

Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменениямагнитного потока, проходящего через этот контур. [1]

Некоторые физики отмечают, что закон  Фарадея в одном уравнении  описывает два разных явления: двигательную ЭДС, генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС, генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей работе О физических силовых линиях в 1861 году. Во второй половине части II этого труда Максвелл даёт отдельное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений. 

физика11 – Основи електродинаміки

Глава 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Неподвижные электрические заряды создают во¬круг себя электрическое поле. Движущиеся заря¬ды создают, кроме того, магнитное поле.
§ 1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ
Между неподвижными электрическими зарядами дей¬ствуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно тео¬рии близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, кото¬рое действует на другой заряд.
Однако между электрическими зарядами могут сущест¬вовать силы и иной природы. Их можно обнаружить с помощью следующего опыта.
Возьмем два гибких проводника, укрепим их верти¬кально, а затем присоединим нижними концами к полю¬сам источника тока . Притяжения или отталкива¬ния проводников при этом не обнаружится .
Если теперь другие концы проводников замкнуть прово¬локой так, чтобы в проводниках возникли токи противопо¬ложного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга. В случае же токов одного направле ния проводники притягиваются.
Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между направленно движущимися элек¬трическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники е током действуют друг на друга, називають магнітними силами.
Магнитное поле. Согласно теории близкодействия, по¬добно тому как и пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в про¬странстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное* поле, которое действует на ток в другом провод¬нике. А поле, созданное электрическим током второго про¬водника, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особую форму мате¬рии, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными части¬цами.
Перечислим основные свойства магнитного поля, кото¬рые установлены экспериментально.
1. Магнитное поле порождается электрическим током (направленно движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды).
Подобно электрическому полю, магнитное поле су¬ществует реально, независимо от нас, от наших знаний
о нем.
Экспериментальным доказательством реальности магнит¬ного поля, как и реальности электрического поля, может служить факт существования электромагнитных волн.
Замкнутый контур с током в магнитном поле. Для изу-чения магнитного поля можно взять замкнутый контур ма¬лых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произволь¬ной формы. Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести их вместе. Тогда результирующая сила, дейст¬вующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.
Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.
Podvesim на тонких гнучких провідників, ткані разом, маленький, плоский кадру, що складається з декількох котушки дроту. На відстані, чим більше разів ваш розмір кадру, перемістити дріт вертикально. Кадр в передачею електричного струму через неї і ЧеRES дроту (повернутий) і розташовані так, що дріт оказывается в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводе рамка поворачивается на 180°.
Опыт показывает, что магнитное поле создается не толь¬ко токами в проводниках. Любое направленное движение электрических зарядов вызывает появление магнитного поля. Так, например, токи в газах, полупроводниках вызы¬вают возникновение в окружающем их пространстве маг¬нитного поля. Смещение связанных электрических зарядов в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, также вызывает появление магнитного поля.
Из курса физики вам известно, что магнитное поле соз¬дается не только электрическим током, но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах плоскую рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плос¬кость не установится перпендику¬лярно линии, соединяющей полюсы магнита. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие .
Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле.
Вокруг любых направленно дви¬жущихся зарядов возникает маг-нитное поле. Оно также появляется в случае, если в пространстве суще¬ствует электрическое поле, изме¬няющееся со временем.
Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.
1. Какие взаимодействия называют магнитными!
2. Перечислите основные свойства магнитного поля.


ВЕКТОР МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.
ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Электрическое поле характеризуется векторной вели¬чиной — напряженностью электрического поля. Надо бы ввести также и величину, характеризующую магнитное поле количественно. Дело это непростое, так как магнитные взаимодействия сложнее электрических. Векторную харак¬теристику магнитного поля называют вектором магнитной
индукции и обозначают буквой В. Сначала мы рассмотрим
вопрос только о направлении вектора В.
Магнитная стрелка. Мы видели, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, препятствующие ориентации рамки, поворачивается до тех пор, пока она не установится определенным образом. Вам известно, что так же ведет себя и магни і ная стрелка маленький продолговатый магнит с двумя полюсами на концах — южным S и северным N.
Направление вектора магнит¬ной индукции. Ориентирующее действие магнитного поля на магнит¬ную стрелку или рамку с током можно использовать для определе¬ния направления вектора магнит¬ной индукции.
За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током. Положи-тельная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается бурав¬чик (с правой нарезкой), если вра¬щать его по направлению тока в рамке.
Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно опреде¬лить направление вектора магнит¬ной индукции в любой точке поля.
Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направле¬ние поступательного движения бу¬равчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направле¬ние вращения ручки буравчика ука¬зывает направление вектора магнитной индукции.
Опыт по определению направле¬ния вектора индукции магнитного 

Земли проводит каждый, кто ориентируется на мест­ности по компасу.

Линии магнитной индукции. Наглядную картину маг­нитного пол» можно получить, если построить так назы­ваемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции налы на ют линии, касательные к которым в любой их точке соипадаю’г с вектором В в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.

Для магнитного поля прямолинейного проводника с то­ком из приведенных ранее опытов следует, что линии маг­нитной индукции — концентрические окружности, лежа­щие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касатель­ный к данной линии.

Если длина соленоида много больше его диаметра, то маг­нитное поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстоя­ниях друг от друга. 

Магнитный северный полюс Nблизок к Южному географическому полюсу, а магнит­ный южный полюс S— к Северному географическому по­люсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вра­щения Земли угол 11,5°. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена про­изошла около 30 ООО лет назад.

Картину линий магнитной индукции можно сделать ви­димой, воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы.

В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как малень­кая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, точнее выяснить распо­ложение линий магнитной индукции.

Вихревое поле. Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электро­статическим полем дело обстоит иначе. Его силовые ли­нии во всех случаях имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрица­тельных.

Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно за ключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.

 

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ДВИЖУЩИЙСЯ ЗАРЯД. СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток — это упорядоченно движущиеся заряженные частицы. Поэтому действие магнитного поля па проводник с током есть результат действия поля на дви­жущиеся заряженные частицы внутри проводника. Най­дем силу, действующую на одну частицу.

Силу, действующую на движущуюся заряженную части­цу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца (1853— 1928) — основателя электронной теории строения вещест­ва. Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной ДI, к числу Nзаряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с то­ком. Пусть длина отрезка ДI и площадь попереч­ного сечения проводника Sнастолько малы, что вектор

индукции магнитного поля В можно считать одинако­вым в пределах этого отрезка проводника. Сила тока I в про­воднике связана с зарядом час­тиц q,концентрацией заряжен­ных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения V следующей формулой:

І= qnvS.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Магнитное поле создается не только электрическими токами, но и постоянными магнитами.

Намагничивание вещества. Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ,

20 по псе вещества, помещенные в магнитное поле, намагничи­ваются, т. е. сами становятся источниками магнитного тши. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индук­ции в вакууме.

Гипотеза Ампера. Причина, вследствие которой тела об- мадлют магнитными свойствами, была установлена фран­цузским ученым Ампером. Сначала, под непосредственным впечатлением от наблюдения за поворачивающейся вблизи проводника с током магнитной стрелкой в опытах Эрстеда Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, проходящими внутри земного шара. Главный шаг был сделан: магнитные свойства тела можно объяснить циркулирую­щими внутри него токами. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определя­ются замкнутыми электрическими токами внутри него.

) гот решающий шаг от возможности объяснения магнит- пых свойств тела токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия то­ков, — свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов цир­кулируют элементарные электрические токи. (Теперь мы хорошо знаем, что эти токи образуются вследствие движе­ния электронов в атомах.) Если плоскости, в которых цир­кулируют эти токи, расположены беспорядочно по отно­шению друг к другу из-за теплового движения молекул, то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В на­магниченном состоянии элементарные токи в теле ориенти­рованы так, что их действия складываются.

Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка (контур) с током в магнитном поле ведут себя одина­ково. Стрелку можно рассматривать как совокупность маленьких контуров с током, ориентированных одинаково.

Наиболее сильные магнитные поля создают вещества, называемые ферромагнетиками. Магнитные поля создают ся ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного

 

вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядер. В ферромаг­нетиках существуют области с параллельными ориента­циями спинов, называемые доменами; размеры доменов порядка 0,5 мкм. Параллельная ориентация спинов обес­печивает минимум потенциальной энергии. Если ферро­магнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках уве­личивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего ПОЛЯ.

 

 

 

Глава 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

До сих пор мы рассматривали электрические и маг­нитные поля, не изменяющиеся с течением време­ни. Было выяснено, что электростатическое поле создается неподвижными заряженными частица­ми, а магнитное поле — движущимися, т. е. элек­трическим током. Теперь познакомимся с элек­трическими и магнитными полями, которые меняются со временем.

Самый важный факт, который удалось обнаружить, — это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнит­ным полями. Оказалось, что изменяющееся во времени маг­нитное поле порождает электрическое поле, а изменяющее­ся электрическое поле — магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно наблюдается на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ  ИНДУКЦИИ

В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике: «Пре­вратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта зада­ча была им решена.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделан осново­положником представлений об электромагнитном поле М. Фарадеем, который был уверен в единой природе элек­трических и магнитных явлений. Благодаря этому он и сделал открытие, вошедшее в основу устройства генерато

ров всех электростанций мира, превращающих механиче­скую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальванические элемен­ты, аккумуляторы и пр., — дают ничтожную долю выра­батываемой электрической энергии.)

Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было до­думаться до главного, а именно: движущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, по­казывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка ко­торого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присо­единены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Кол­ладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попро­сить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

 

МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Для того чтобы дать точную количественную формулиров­ку закона электромагнитной индукции Фарадея, нужно вве­сти новую величину — поток вектора магнитной индукции.

Вектор магнитной индукции В характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Можно ввести еще одну

величину, зависящую от значении вектора В не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плос­ким замкнутым контуром.

Для этого рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур), ограничивающий поверхность площадью Sи по­мещенный в однородное магнитное поле. Нор­маль п (вектор, модуль которого равен единице) к плоско­сти проводника составляет угол а с направлением вектора

Магнитной индукции В. Магнитным потоком Ф (потоком вектора магнитной индукции) через поверхность площа­дью Sназывают величину, равную произведению модуля 30 шчстора магнитной индукции В на пло­щадь Sи косинус угла а между векторами В и п:

Ф = BScosа.                      

Произведение Вcosа = Вппредставля­ет собой проекцию вектора магнитной ин­дукции на нормаль п к плоскости конту­ра. Поэтому  Ф = B„S.

 

НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ТОКА.

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Присоединив катушку, в которой возникает индукци­онный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что на­правление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или уда­ляется от нее.

Возникающий индукционный ток того или иного на­правления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнит­ной индукции выходят из него). На основе закона сохране­ния энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.

Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индук­

ционный ток такого направле­ния, что магнит обязательно отталкивается. Для сближе­ния магнита и катушки нужно совершить положительную ра­боту. Катушка становится по­добной магниту, обращенному одноименным полюсом к при­ближающемуся к ней магни­ту. Одноименные же полюса отталкиваются.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Сформулируем закон электромагнитной индукции количественно. Опыты Фарадея показали, что сила индукци-
 онного тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции В,
пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие «магнитный поток». Магнитный поток можно графически представить как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S. Чем больше индукция магнитного поля, тем большее число линий магнитной индукции пронизывает эту поверхность. Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время At.магнитный поток меняется на АФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генерация электрического тока, Рон Куртус

SfC Главная > Физика > Электричество >

Рона Куртуса (обновлено 24 июня 2018 г.)

Электрический ток может быть генерирован перемещением металлической проволоки через магнитное поле. Это относится как к электричеству переменного тока (AC), так и к электричеству постоянного тока (DC). Это другой метод, чем тот, где постоянный ток создается батареей, в которой используются химические реакции.Это также отличается от статического электричества, которое представляет собой накопление зарядов на поверхности.

Электрические генераторы вращают катушку проводов через магнитное поле. Разница между генератором переменного тока и генератором постоянного тока заключается в том, что генератор переменного тока использует контактные кольца для передачи тока в электрическую цепь, а генератор постоянного тока использует коммутатор с разъемным кольцом. Генераторы могут быть очень маленькими или довольно огромными. Очень большие из них производят электроэнергию для сообщества. Электродвигатель очень похож на генератор, за исключением того, что мощность подается на вращение роторов.

Возможные вопросы:

  • Что происходит, когда провод проходит через магнитное поле?
  • Как используется проволочная петля в электрогенераторе?
  • Как выглядят коммерческие генераторы?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения



Движение провода через магнитное поле

Когда провод из проводящего материала пересекает магнитное поле, в проводе возникает электрический ток.

Провод должен быть частью цепи

Обратите внимание, что провод должен быть частью электрической цепи. В противном случае электронам некуда деваться. Другими словами, в проводе с открытыми концами не возникает электрического тока. Но если концы присоединить к лампочке, к электросчетчику или даже друг к другу, то цепь замыкается и возникает электрический ток.

Движение провода через магнитное поле создает электрический ток,
измеряется метражом, прикрепленным к концам провода

Направление тока

Направление магнитного поля и направление провода будут определять направление тока через провод.По соглашению направление магнитного поля от северной до южной.

лет назад Бенджамин Франклин определил направление электрического тока как движение от плюса (+) к минусу (-). В то время ученые не знали о существовании отрицательно заряженных электронов и их роли в электрическом токе.

Таким образом, по соглашению ток идет от плюса (+) к минусу (-). Но обратите внимание, что в действительности отрицательно заряженные электронов движутся в направлении, противоположном направлению тока .Электроны движутся от (-) к (+).

Вам просто нужно помнить, что электроны движутся в направлении, противоположном направлению тока.

Другие конфигурации

Помимо перемещения провода через магнитное поле, вы также можете создать электрический ток в проводе, перемещая магниты и удерживая провод неподвижно.

Другой метод создания тока состоит в том, чтобы оставить оба неподвижными, но изменить магнитное поле. Этот метод используется для изменения напряжения переменного тока в электрических трансформаторах.

(дополнительную информацию см. в разделе «Трансформаторы переменного тока»).

Петля закручена

Если из провода сделать петлю, которая затем закручивается или вращается в магнитном поле, вы можете получить непрерывный ток. Поскольку каждая сторона петли движется в другом направлении в магнитном поле, ток течет по петле в зависимости от того, в каком направлении она вращается.

Ток передачи

Также должен быть какой-то способ передачи тока на остальную часть цепи.В генераторе переменного тока это достигается наличием кольца на каждом конце провода. Металлический контакт или щетка трется или скользит по каждому кольцу, позволяя электричеству течь по цепи. В генераторе постоянного тока это делается с помощью одного разъемного кольца, называемого коммутатором. Генератор переменного тока использует два контактных кольца.

Сравнение контуров и колец постоянного и переменного тока

Генератор в действии

Следующая анимация показывает генератор переменного тока в действии. При перемещении одной стороны петли к другому полюсу магнитного поля ток в ней меняет направление.Два токосъемных кольца генератора переменного тока позволяют току менять направление и становиться переменным током.

Простой генератор переменного тока

(Изображение из серии передач PBS American Experience: Внутри генератора переменного тока)

В генераторе постоянного тока коммутатор с разъемным кольцом приспосабливается к изменению направления тока в контуре, создавая таким образом постоянный ток, проходящий через щетки и выходящий в цепь.

Обратите внимание, что постоянный ток не является постоянным значением.Скорее это “ухабистый” сигнал, с нулевым напряжением при обрыве кольца. Мощность от тока может быть математически описана как квадрат синусоиды. Поскольку большинство генераторов постоянного тока имеют более одного контура, «удары» выравниваются и не замечаются.

Чем быстрее провод проходит через магнитное поле, тем больше сила тока.

Полноразмерные генераторы

Генераторы, используемые для подачи электроэнергии в дома и на предприятия, вместо одного контура имеют несколько магнитов и контуров, состоящих из проводов, намотанных на железный сердечник, подобно электромагниту. Чем больше витков провода проходит через магнитное поле, тем выше создаваемое напряжение.

Большой генератор с несколькими обмотками

Генераторы, используемые для обеспечения населения электроэнергией, огромны. Ротор может быть более 10 футов в диаметре.

Может использоваться как двигатель

Обратите внимание, что когда провод генератора намотан на железный сердечник, его также можно использовать в качестве электродвигателя. Вместо того, чтобы вращать петли в магнитном поле для создания электричества, по проводам проходит ток, создавая электромагниты.Затем внешние магниты будут отталкивать электромагниты и вращать вал как электродвигатель.

Если ток постоянный, коммутаторы с разъемным кольцом необходимы для создания двигателя постоянного тока. Если ток переменный, два токосъемных кольца необходимы для создания двигателя переменного тока.

Осмотрите отключенный от сети электродвигатель, чтобы увидеть, как мотор и генератор выглядят внутри.

Резюме

Движение провода через магнитное поле генерирует электрический ток. Электрические генераторы вращают катушку проводов через магнитное поле.Разница между генератором переменного тока и генератором постоянного тока заключается в том, что генератор переменного тока использует контактные кольца для передачи тока в электрическую цепь, а генератор постоянного тока использует коммутатор с разъемным кольцом. Очень большие генераторы производят электроэнергию для населения. Электродвигатель очень похож на генератор, за исключением того, что мощность подается на вращение роторов.


Осознание того, что вы сделали все возможное, заставляет вас чувствовать себя хорошо


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

веб-сайтов

Источники электроэнергии постоянного и переменного тока

Ресурсы по физике

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные за покупку книг)

Книги с самым высоким рейтингом по производству электроэнергии

.

Поделиться этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
electric_current_generation.htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа Чемпионов

Темы по физике

Генерация электрического тока

Генерация электрического тока путем биоискусственного фотосинтеза

Обзор

Adv Biochem Eng Биотехнологии .2019;167:361-393. дои: 10.1007/10_2017_44.

Принадлежности Расширять

Принадлежности

  • 1 Отдел солнечных материалов, Центр экологических исследований Гельмгольца GmbH – UFZ, Лейпциг, Германия.
  • 2 Отдел солнечных материалов, Центр экологических исследований Гельмгольца GmbH – UFZ, Лейпциг, Германия. [email protected]

Элемент в буфере обмена

Обзор

Бабу Халан и соавт. Adv Biochem Eng Biotechnol.2019.

Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Adv Biochem Eng Биотехнологии . 2019;167:361-393.дои: 10.1007/10_2017_44.

Принадлежности

  • 1 Отдел солнечных материалов, Центр экологических исследований Гельмгольца GmbH – UFZ, Лейпциг, Германия.
  • 2 Отдел солнечных материалов, Центр экологических исследований Гельмгольца GmbH – UFZ, Лейпциг, Германия. [email protected]

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

Обильная солнечная энергия может быть устойчивым источником энергии.В этой главе освещаются последние достижения, проблемы и будущие сценарии в области биоискусственного фотосинтеза, который представляет собой новое подмножество биоэлектрохимических систем (БЭС) и технологий. Технологии BES используют каталитические взаимодействия между биологическими фрагментами и электродами. На стыке BES и фотогальваники этот обзор посвящен технологиям сбора света, основанным на биоискусственном фотосинтезе. Такие технологии перспективны, поскольку электрическая энергия вырабатывается из солнечного света и воды без необходимости дополнительного органического сырья.В этом обзоре основное внимание уделяется фотосинтетической генерации и переносу электронов и сравнивается текущее состояние биоискусственного фотосинтеза с другими искусственными системами, которые имитируют химию фотосинтетического преобразования энергии. Рассмотрены основные принципы и работа функциональных единиц биоискусственного фотосинтеза. Представлены избранные фотобиоэлектрохимические системы, используемые для получения управляемых светом электрических токов от фотосинтезирующих организмов. Достижимый текущий выход и теоретические максимумы пересматриваются путем концептуализации операционных и технологических методов окна.Факторы, влияющие на общую эффективность фототока, ограничения производительности и узкие места при масштабировании, выделены с точки зрения повышения эффективности преобразования энергии фотобиоэлектрохимических систем. В завершение обрисовываются проблемы, связанные с технологиями биоискусственного фотосинтеза. Графическое резюме Рабочее окно для (био-)искусственного фотосинтеза. Зеленый кружок в правом верхнем углу: цель разработки для научно-исследовательских и инженерных работ.

Ключевые слова: искусственный фотосинтез; цианобактерии; внеклеточный перенос электронов; водород; микробные топливные элементы; Фотобиоэлектрохимические системы; Фотовольтаика.

Похожие статьи

  • Солнечное топливо за счет искусственного фотосинтеза.

    Гаст Д., Мур Т.А., Мур А.Л. Гаст Д. и др. Acc Chem Res. 2009 21 декабря; 42 (12): 1890-8. doi: 10.1021/ar

    9b. Acc Chem Res. 2009. PMID: 191

  • Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива.

    Магнусон А., Андерлунд М., Йоханссон О., Линдблад П., Ломот Р., Поливка Т., Отт С., Стеншё К., Стайринг С., Сундстрём В., Хаммарстрём Л. Магнусон А. и др. Acc Chem Res. 2009 21 декабря; 42 (12): 1899-909. doi: 10.1021/ar7h. Acc Chem Res. 2009. PMID: 19757805

  • Пробуждается сила: использование солнечной энергии помимо фотосинтеза.

    Руссо Д.А., Зедлер ДЖАЗ, Дженсен П.Е.Руссо Д.А. и соавт. J Опытный бот. 2019 27 марта; 70 (6): 1703-1710. дои: 10.1093/jxb/erz054. J Опытный бот. 2019. PMID: 30773590 Бесплатная статья ЧВК. Рассмотрение.

  • Принципы, эффективность и принципиальный характер преобразования солнечной энергии в фотосинтетическое окисление воды.

    Дау Х, Захариева И. Дау Х и др. Acc Chem Res. 2009 21 декабря; 42 (12): 1861-70. дои: 10.1021/ар

      5г. Acc Chem Res. 2009. PMID: 19908828

    • Эволюция реакционного центра имитирует системы, способные генерировать солнечное топливо.

      Шерман Б.Д., Вон М.Д., Бергкамп Дж.Дж., Гаст Д., Мур А.Л., Мур Т.А. Шерман Б.Д. и соавт. Фотосинтез Рез. 2014 май; 120 (1-2): 59-70. doi: 10.1007/s11120-013-9795-4. Epub 2013 11 февраля. Фотосинтез Рез. 2014. PMID: 23397434 Рассмотрение.

    термины MeSH

    • Электрофизиологические явления*

    LinkOut — больше ресурсов

    • Полнотекстовые источники

    • Прочие литературные источники

    History of Magnetism and Electricity

    600 г.
    до н.э. – Магнитный камень

    Магнитные свойства природных железистых ферритов (Fe 3 O 4 ) камней (магнитных камней) были описаны греческими философами.

    600 г. до н.э. – Электрический заряд

    Янтарь — желтоватый полупрозрачный минерал. Еще в 600 г. до н.э. греческий философ Аристофан знал о его своеобразном свойстве: при натирании куском меха янтарь приобретает способность притягивать мелкие кусочки материала, например, перья. На протяжении веков считалось, что это странное, необъяснимое свойство принадлежит только янтарю. Этот странный эффект оставался загадкой более 2000 лет, пока примерно в 1600 году нашей эры доктор Уильям Гилберт не исследовал реакции янтаря и магнитов и впервые не упомянул слово «электрический» в отчете по теории магнетизма.

    Позднее, в 1895 г., Х.А. Лоренц разработал электронную теорию. Теперь мы знаем, что есть три способа получения электричества: статический, электрохимический и электромагнитная индукция.

    1175 – Первое упоминание о компасе

    Александр Некем, английский монах из Сент-Олбанса, описывает работу компаса.

    1269 – Первое подробное описание компаса

    Петрус Перегринус де Маринкур, французский крестоносец, описывает плавучий компас и компас с точкой поворота.

    1600 – Статическое электричество (De Magnete)

    В 16 веке Уильям Гилберт (1544-1603), придворный врач королевы Елизаветы I, доказал, что многие другие вещества являются электрическими (от греческого слова «янтарь», «электрон»). и что они имеют два электрических эффекта. При натирании мехом янтарь приобретает смолистое электричество; стекло, однако, при трении о шелк приобретает стекловидное электричество. Электричество отталкивает одно и то же и притягивает противоположное электричество. Ученые думали, что трение на самом деле создает электричество (их слово для обозначения заряда).Они не осознавали, что на мехе или шелке осталось равное количество противоположного электричества. Доктор Уильям Гилберт понял, что сила создается, когда кусок янтаря (смола) натирается шерстью и притягивает легкие предметы. Описывая это свойство сегодня, мы говорим, что янтарь «электризуется» или обладает «электрическим зарядом». Эти термины произошли от греческого слова «электрон», означающего янтарь, и отсюда возник термин «электричество». Только в конце 19 века было обнаружено, что это «что-то» состоит из отрицательного электричества, известного сегодня как электроны.

    Гилберт также изучал магнетизм и в 1600 г. написал «О магнетизме», который дал первое рациональное объяснение таинственной способности стрелки компаса указывать направление с севера на юг: Земля сама была магнитной . «Де Магнете» открыл эру современной физики и астрономии и положил начало столетию, отмеченному великими достижениями Галилея, Кеплера, Ньютона и других.

    Гилберт описал три способа намагничивания стальной иглы: прикосновение к магнетиту; холодным волочением в направлении север-юг; и при длительном воздействии магнитного поля Земли при ориентации север-юг.

    1660 – Генератор статического электричества

    Отто фон Герике изобретает грубую машину для производства статического электричества.

    1729 – Проводники и непроводники

    Стивен Грей описывает, что мощность, которой обладает одно наэлектризованное тело, может передаваться другому, соединяя их.

    1734 – Электрическое притяжение и отталкивание

    Шарль-Франсуа де Систерне Дюфе первым обнаружил два вида электричества.

    1730 – составной магнит

    Servigton Savery производит первый составной магнит, соединяя несколько искусственных магнитов с общими полюсными наконечниками на каждом конце.

    1740 – Первый коммерческий магнит

    Гоуэн Найт производит первые искусственные магниты для продажи научным исследователям и земным навигаторам.

    1745 – Электрическая сила, конденсатор

    Лейденская банка — одна из первых и простейших форм электрического конденсатора, независимо друг от друга изобретенная примерно в 1745 году голландским физиком Питером ван Мусшенбруком из Лейденского университета и Эвальдом Георгом фон Клейстом из Померании. Первоначальная лейденская банка представляла собой стеклянную банку с водой, закрытую пробкой, с проволокой или гвоздем, проходящей через пробку в воду.Банку заряжали, держа ее в одной руке и контактируя оголенным концом провода с электрическим устройством. Если нарушался контакт между проводом и источником электричества и касался провода другой рукой, происходил разряд, переживаемый как сильный удар.

    Если заряд Q поместить на металлические пластины, напряжение возрастет до величины V. Мерой способности конденсатора накапливать заряд является емкость C, где C = Q/V. Заряд течет от конденсатора так же, как от аккумулятора, но с одним существенным отличием.Когда заряд покидает пластины конденсатора, больше нельзя получить без перезарядки. Это происходит потому, что электрическая сила консервативна. Высвобождаемая энергия не может превышать запасенную энергию. Способность совершать работу называется электрическим потенциалом .

    С ЭДС также связан тип сохранения энергии. Электрическая энергия, получаемая от батареи, ограничена энергией, запасенной в химических молекулярных связях. И ЭДС, и электрический потенциал измеряются в вольтах, и, к сожалению, термины «напряжение», «потенциал» и «ЭДС» используются довольно свободно.Например, вместо ЭДС часто используется термин потенциал батареи.

    1747 – Стекловидное электричество, сохранение заряда

    Бенджамин Франклин (1706-90) был американским печатником, писателем, философом, дипломатом, ученым и изобретателем.

    После открытия Гилбертом того, что сила электрического заряда создается трением различных материалов, Бенджамин Франклин в 1747 году усовершенствовал это, объявив, что этот электрический заряд существует из двух типов электрических сил, силы притяжения и силы отталкивания .(Уильям Уотсон (1715–1787) в Англии независимо пришел к такому же заключению.) Чтобы идентифицировать эти две силы, он дал названия, положительные и отрицательные заряды, и для их символизации он использовал знаки + и -, где + означает положительный и отрицательный заряды. – для отрицательного. Бенджамин Франклин понял, что все материалы обладают одним типом электрической «жидкости», которая может свободно проникать в материю, но не может быть ни создана, ни уничтожена. Действие трения просто переносит жидкость от одного тела к другому, электризуя их обоих.Франклин и Ватсон ввели принцип сохранения заряда: общее количество электричества в изолированной системе постоянно. Франклин определил жидкость, которая соответствовала стекловидному электричеству, как положительное, а отсутствие жидкости как отрицательное. Поэтому, согласно Франклину, направление потока было от положительного к отрицательному — противоположное тому, что сейчас известно как верное. Затем была разработана двухжидкостная теория, согласно которой образцы одного типа притягиваются, а образцы противоположного типа отталкиваются.

    Франклин был знаком с лейденской банкой (стеклянная банка, покрытая внутри и снаружи фольгой), как она могла хранить заряд и как она вызывала удар при разряде. Франклин задался вопросом, были ли молнии и гром также результатом электрических разрядов. Во время грозы в 1752 году Франклин запустил воздушного змея с металлическим наконечником. К концу мокрой проводящей конопляной лески, по которой летал змей, он прикрепил металлический ключ, к которому привязал непроводящую электричество шелковую нить, которую держал в руке.Эксперимент был чрезвычайно опасным, но результаты были безошибочными: когда он держал костяшки пальцев рядом с ключом, он мог вырывать из него искры. Следующие двое, пытавшиеся провести этот чрезвычайно опасный эксперимент, были убиты.

    1750 – Первая книга по производству магнитов

    Джон Митчелл публикует первую книгу по изготовлению стальных магнитов.

    1757 – Электроэнергия, паровой двигатель

    Джеймс Уатт (1736-1819) не проводил экспериментов с электричеством. По профессии он был производителем инструментов и в 1757 году открыл ремонтную мастерскую в Глазго.Уатт измерил скорость работы лошади, втягивающей мусор в старую шахту, и обнаружил, что она составляет около 22 000 футо-фунтов в минуту. Он добавил запас в 50%, получив , что 33 000 ft-lbs равны одной лошадиной силе .

    Джеймс Уатт также изобрел паровой конденсационный двигатель. Его усовершенствования паровых двигателей были запатентованы в течение 15 лет, начиная с 1769 года, и его имя было присвоено электрической единице мощности, ватту. Когда генератор Эдисона был соединен с паровым двигателем Уатта, крупномасштабное производство электроэнергии стало практическим предложением.

    1767 – Электрическая сила

    Еще в 1600 году было известно, что сила притяжения или отталкивания уменьшается по мере разделения зарядов . Это соотношение было впервые поставлено на численно точную или количественную основу Джозефом Пристли, другом Бенджамина Франклина. В 1767 году Пристли косвенно пришел к выводу, что когда расстояние между двумя маленькими заряженными телами увеличивается в какой-то раз, силы между телами уменьшаются в квадрате этого множителя.Например, если расстояние между зарядами увеличить втрое, сила уменьшится до одной девятой своей прежней величины. Хотя доказательство Пристли было строгим, оно было настолько простым, что он не особо его защищал. Вопрос не считался решенным до тех пор, пока 18 лет спустя Джон Робинсон из Шотландии не провел более прямые измерения задействованной электрической силы.

    1780 – Электрический ток

    Из-за несчастного случая итальянский ученый 18-го века Луиджи Гальвани начал цепь событий, кульминацией которых стало развитие концепции напряжения и изобретение батареи.В 1780 году один из помощников Гальвани заметил, что рассеченная лягушачья лапка дергается, когда он касается ее нерва скальпелем. Другой помощник подумал, что в это же время он увидел искру от заряженного электрогенератора. Гальвани рассудил, что электричество было причиной мышечных сокращений. Однако он ошибочно полагал, что эффект был вызван передачей особой жидкости или «животного электричества», а не обычным электричеством.

    Эксперименты, подобные этому, в которых ноги лягушки или птицы стимулировались контактом с различными типами металлов, побудили Луиджи Гальвани в 1791 году выдвинуть свою теорию о том, что ткани животных генерируют электричество. Экспериментируя с тем, что он назвал атмосферным электричеством, Гальвани обнаружил, что мышца лягушки дергается, когда ее подвешивают к медному крюку на железной решетке.

    1792 – Электрохимия, гальванический элемент

    К 1792 году другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, не согласился: он понял, что главными факторами в открытии Гальвани были два разных металла – стальной нож и жестяная пластина, – на которых лежала лягушка. . различные металлы, разделенные влажной тканью лягушки, вырабатывали электричество.Лапка лягушки была просто детектором.

    В 1800 году Вольта показал, что когда влага попадает между двумя разными металлами, возникает электричество. Это побудило его изобрести первую электрическую батарею, гальваническую батарею, которую он сделал из тонких листов меди и цинка, разделенных влажным картоном (войлок, пропитанный рассолом).

    Таким образом, был открыт новый вид электричества, электричество, которое постоянно текло, как поток воды, вместо того, чтобы разряжаться в одиночной искре или ударе. Вольта показал, что электричество можно заставить перемещаться из одного места в другое по проводам, тем самым сделав важный вклад в науку об электричестве.

    1820 – Электромагнетизм, ток

    В 1820 году физик Ганс Христиан Эрстед узнал, что ток, протекающий по проводу, приводит в движение стрелку компаса, расположенную рядом с ним. Это показало, что электрический ток создает магнитное поле.

    Андре Мари Ампер, французский математик, посвятивший себя изучению электричества и магнетизма, первым объяснил электродинамическую теорию.Он показал, что два параллельных провода, по которым течет ток, притягиваются друг к другу, если токи текут в одном направлении, и противодействуют друг другу, если токи текут в противоположных направлениях. Он сформулировал в математических терминах законы, управляющие взаимодействием токов с магнитными полями в цепи, и в результате этого единица электрического тока , ампер, была получена от его имени. Электрический заряд в движении называется электрическим током. Сила тока — это количество заряда, проходящего через данную точку в секунду, или I = Q/t, где Q кулонов заряда, проходящего через t секунд.Единицей для измерения тока является ампер или ампер, где 1 ампер = 1 кулон/сек. Поскольку ток также является источником магнетизма, он является связующим звеном между электричеством и магнетизмом.

    1822 – Преобразования Фурье

    Барон Жозеф Фурье (1768-1830) был французским математиком. Его метод анализа волн, опубликованный в 1822 году, был побочным продуктом его работы по потоку тепла. Он показывает, как любая волна может быть построена из более простых волн. Эта мощная область математики, преобразование Фурье, внесла свой вклад в такие важные современные разработки, как электронное распознавание речи.

    1826 – Сопротивление – Токи, вызывающие нагрев

    В 1826 году немецкий физик Георг Симон Ом исследовал Принцип Вольта электрической батареи и Амперовые отношения токов в цепи . Он заметил, что когда в цепи есть ток, иногда возникает тепло, и количество тепла связано с разными металлами. Он обнаружил, что существует связь между током и теплотой, что существует некоторое «сопротивление» протеканию тока в цепи.Обнаружив это, он обнаружил, что если разность потенциалов (вольт) остается постоянной, ток пропорционален сопротивлению. Эта единица электрического сопротивления — ом — была названа в его честь. Он также сформулировал закон, показывающий зависимость между вольтами, амперами и сопротивлением , и этот закон был назван «законом Ома», также названным в его честь. Этот закон, каким мы его знаем сегодня, лежит в основе электричества.

    1830 – Индуктивность

    В 1830 году Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил, что изменение магнетизма может вызвать течение тока, но не опубликовал это.В 1832 году он описал самоиндукцию – основное свойство индуктора. В знак признания его работы индуктивность измеряется в генри. Затем была подготовлена ​​сцена для всеобъемлющей электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла. Разброс реальных токов огромен. Современный электрометр может обнаруживать токи силой до 1/100 000 000 000 000 000 ампер, что составляет всего 63 электрона в секунду. Сила тока в нервном импульсе составляет примерно 1/100 000 ампер; 100-ваттная лампочка несет 1 ампер; удар молнии достигает пика около 20 000 ампер; а атомная электростанция мощностью 1200 мегаватт может выдавать 10 000 000 ампер при 115 В.

    1836 – Daniell Cell

    В 1836 году Джон Дэниел (1790-1845) предложил усовершенствованный электрический элемент, который обеспечивал равномерный ток во время непрерывной работы. Ячейка Даниэля дала новый импульс исследованиям в области электричества и нашла множество коммерческих применений. В 1837 году Даниэллу была вручена высшая награда Королевского общества — медаль Копли — за изобретение клетки Даниэля.

    1837 – Телеграф, электромагнит

    После открытия электрической батареи и электромагнита Сэмюэл Морзе (1791-1872) представил электрический телеграф.Кодированные сообщения передавались по проводам с помощью электрических импульсов (обозначаемых точками и тире), известных как азбука Морзе. Это было действительно началом коммерческого использования электричества. Электрический телеграф известен как первое практическое использование электричества и первая система электрической связи. Здесь интересно отметить, что почта в Австралии в то время играла важную роль в организации связи.

    1840 – Механический компьютер

    Чарльз Бэббидж (1791-1871), британский математик, разработал несколько машин для создания безошибочных таблиц для навигации.Механические устройства послужили моделями для более поздних электронных компьютеров.

    1850 – Термоэлектричество

    Томас Зеебек Немецкий физик открыл “эффект Зеебека”. Он скрутил два провода из разных металлов и нагрел место соединения двух проводов, производя небольшой ток. Ток является результатом потока тепла от горячего спая к холодному. Это называется термоэлектричеством. Термо — греческое слово, означающее тепло.

    1854 – Булева алгебра

    Джордж Буль был полностью самоучкой.Он опубликовал способ использования символов, который прекрасно выражает правила логики. Используя эту систему, сложные правила могут быть написаны четко и часто упрощенно.

    1855 – Электромагнитная индукция

    Майкл Фарадей (1791-1867) англичанин сделал одно из самых значительных открытий в истории электричества: электромагнитную индукцию. Его новаторская работа была посвящена тому, как работают электрические токи. В результате его экспериментов появилось много изобретений, но они появились через пятьдесят-сто лет.Неудачи никогда не обескураживали Фарадея. Он бы сказал; «неудачи так же важны, как и успехи». Он чувствовал, что неудачи тоже учат. Фарад, единиц емкости назван в честь Майкла Фарадея.

    Фарадей очень интересовался изобретением электромагнита, но его блестящий ум продвинул более ранние эксперименты еще дальше. Если электричество может производить магнетизм, почему магнетизм не может производить электричество . В 1831 году Фарадей нашел решение.Электричество может быть получено посредством магнетизма посредством движения. Он обнаружил, что когда магнит перемещается внутри катушки с медной проволокой, по ней протекает слабый электрический ток. Х.К. Эрстед в 1820 году продемонстрировал, что электрические токи создают магнитное поле. Фарадей заметил это и в 1821 году экспериментировал с теорией, что если электрические токи в проводе могут создавать магнитные поля, то магнитные поля должны производить электричество. К 1831 году он смог доказать это и с помощью своего эксперимента смог объяснить, что эти магнитные поля были силовыми линиями.Эти силовые линии заставят ток течь в катушке с проводом, когда катушка вращается между полюсами магнита. Затем это действие показывает, что витки проволоки, разрезаемые линиями магнитной силы, каким-то странным образом производят электричество. Эти эксперименты убедительно продемонстрировали открытие электромагнитной индукции при производстве электрического тока путем изменения напряженности магнитного поля.

    1860 – Дуговые огни

    Когда практическое использование электричества стало очевидным, и электрический телеграф начал работать, вскоре ученые начали искать пути дальнейшего использования этого электричества. Следующим важным достижением было введение электрической угольной дуги, которая была продемонстрирована в экспериментальной форме в 1808 году сэром Хамфри Дэви. Он использовал большую батарею для обеспечения тока для своей демонстрации, поскольку для этих дуговых ламп требуется сильный ток, а средства механического производства электричества еще не были разработаны. Принцип этих дуговых ламп заключается в том, что когда два угольных стержня в цепи соединяются вместе, создается дуга. Эта дуга, испускающая яркое свечение, поддерживается до тех пор, пока стержни просто разделены и продолжают механически питаться таким образом, чтобы поддерживать дугу.Поскольку дуговые фонари потребляли от этих батарей сильный ток, практическое использование их началось только примерно в 1860 году. К этому времени были разработаны адекватные генерирующие источники, и тогда они использовались в основном только для уличного освещения и в кинотеатрах. Хотя дуговое освещение все еще использовалось до начала 1900-х годов, в конечном итоге оно было вытеснено лампами накаливания, за исключением того, что большинство кинотеатров используют их в своих проекторах даже сегодня.

    1860 – Двигатель постоянного тока

    История электродвигателя начинается с Ганса Христиана Эрстеда, который в 1820 году обнаружил, что электричество создает магнитное поле, как упоминалось ранее.Фарадей продолжил это в 1821 году, разработав принцип электродвигателя собственной конструкции. Некоторые из тех, кого стоит упомянуть, – Якоби в 1834 году, Элиас в 1842 году, Фроман в 1844 году и Пачинотти в 1860 году. Пачинотти использовал арматуру с кольцевой обмоткой, которая использовалась в 1860 году и была выдающимся достижением по сравнению с любыми предыдущими попытками. Большинство этих двигателей находились на экспериментальной стадии, но только в 1871 году Зеноб Теофиль Грамм представил свой двигатель, который на самом деле был развитием машины Пачинотти.Этот двигатель считается первым электродвигателем коммерческого значения. В этот период ученые сосредоточились на «двигателе», а тем временем проводились эксперименты с машинами, производящими электричество динамически.

    1866 – LeClanche Cell

    Лекланш (1839-1882) – французский инженер, который примерно в 1866 году изобрел батарею, носящую его имя. В слегка модифицированном виде батарея Лекланше, теперь называемая сухим элементом, производится в больших количествах и широко используется в таких устройствах, как фонарики и портативные радиоприемники.Эта ячейка состоит из цинкового корпуса, заполненного влажной пастой, содержащей сульфат аммония. В центре этой электролитной пасты находится угольный стержень, покрытый диоксидом марганца, который является сильным окислителем.

    1871 – Генератор постоянного тока

    С разработкой Эдисоном в 1879 году лампы накаливания с угольной нитью генератор постоянного тока стал одним из основных компонентов систем освещения с постоянным потенциалом. До этого для уличного освещения использовались только дуговые лампы. Затем коммерческое и жилое освещение, к чему стремились изобретатели, стало практичным, и так родилась электрическая световая и энергетическая промышленность. Когда Х. К. Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитные поля, был разработан двигатель постоянного тока. В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип электромагнитной индукции. Он обнаружил, что перемещение магнита через катушку с проволокой вызывает протекание электрического тока по проволоке, поэтому теперь можно было разработать электрический генератор. Но только в 1871 году, когда Грамм представил свой двигатель и генератор, электрический генератор стал использоваться в коммерческих целях. К 1872 году Siemens и Halske из Берлина усовершенствовали генератор Грамма, изготовив арматуру барабана.Были сделаны и другие усовершенствования, такие как щелевой якорь в 1880 году, но к 1882 году Эдисон завершил проектирование системы, которую мы до сих пор используем для распределения электроэнергии от электростанций.

    1876 – Телефон

    С тех пор, как в 1837 году Сэмюэл Морс изобрел телеграф, в его использовании были достигнуты большие успехи, но он оставался телеграфной системой, использующей для связи азбуку Морзе. Александр Грэм Белл в 1875 году интересовался телеграфией и понял, что при использовании азбуки Морзе по телеграфным проводам должны быть другие способы этой формы связи с использованием электричества.Он также интересовался акустикой и звуком и исходил из того, что если азбука Морзе создает электрические импульсы в электрической цепи, то некоторые звуковые средства, вызывающие вибрацию в воздухе, также могут создавать электрические импульсы в цепи. В эксперименте он использовал «диафрагму», связанную с электрической цепью, и любой звук, достигающий диафрагмы, вызывал электрические импульсы, которые передавались на другой конец цепи. Затем они вызывали вибрации другой диафрагмы на этом конце и были связаны с первой диафрагмой, поэтому звук электрически передавался от одного конца цепи к другому концу.Он продолжал работать над этими экспериментами, и 7 марта 1876 года его телефон был официально запатентован, и была проведена успешная демонстрация в выставочном зале в Филадельфии. Грэм Белл как раз успел запатентовать свой телефон, так как другой изобретатель, Элиша Грей, также экспериментировал над подобным изобретением. Позже Эдисон усовершенствовал диафрагму, которая тогда называлась передатчиком, но Белл победил, получив честь изобрести «телефон».

    Александр Грэм Белл (1847-1922) родился в Шотландии, вырос в семье, которая интересовалась наукой о звуке и занималась ею.Отец и дед Белла учили речи глухих. Единица уровня звука названа в его честь белом. Уровни звука измеряются в десятых долей бела , или децибелах. Аббревиатура децибела — дБ.

    1879 – Поколение постоянного тока, лампы накаливания

    Томас Альва Эдисон (1847-1931) был одним из самых известных изобретателей всех времен с 1093 патентами. Самоучка, Эдисон интересовался химией и электроникой. За всю свою жизнь Эдисон получил только три месяца формального обучения и был исключен из школы как умственно отсталый, хотя на самом деле перенесенный в детстве приступ скарлатины сделал его частично глухим.

    Прошло почти 40 лет, прежде чем Томас Эдисон построил действительно практичный генератор постоянного тока. Многие изобретения Эдисона включали фонограф и усовершенствованный печатный телеграф. В 1878 году британский ученый Джозеф Свон изобрел лампу накаливания, а Эдисон в течение двенадцати месяцев сделал аналогичное открытие в Америке. Позже Свон и Эдисон создали совместную компанию для производства первой практичной лампы накаливания. До этого электрическим освещением были мои грубые дуговые лампы.

    Эдисон использовал свой генератор постоянного тока для обеспечения электричеством своей лаборатории, а затем для освещения первой улицы Нью-Йорка, освещенной электрическими лампами, в сентябре 1882 года. Однако успехи Эдисона не обошлись без споров, хотя он был убежден в достоинствах постоянного тока для производства электроэнергии, другие ученые в Европе и Америке признали, что постоянный ток имеет серьезные недостатки.

    1880 – Слой Хевисайд

    Оливер Хевисайд (1850-1925) Британский математик понял, что информация распространяется по кабелю в виде волны в пространстве между проводниками, а не по самим проводникам. Его концепции позволили разработать телефонные кабели дальней связи. Он также обнаружил, почему радиоволны огибают Землю. Это привело к дальнему радиоприему.

    1880 – Абсолютные температуры, законы Кирхгофа, законы Кулона, магнитный поток, микрофон при -273°C (-460°F). До конца своей жизни Томсон яростно выступал против идеи о том, что энергия, испускаемая радиоактивностью, исходит изнутри атома.Одно из величайших научных открытий 19 века, Томсон умер, выступая против одного из самых жизненно важных нововведений в истории науки.

    Moskowitz, L. R.: Справочник по проектированию и применению постоянных магнитов , Cahners Books International, Inc. (1976)

    Как производить электричество без батарей?

    Английский изобретатель Майкл Фарадей интересовался магнитами. В 1822 году он экспериментально изобрел простой двигатель. Его простое устройство заставляло катушку провода вращаться вокруг постоянного стержневого магнита, когда провод был подключен к батарее. Катушка всегда двигалась, чтобы выровняться с полюсами магнита. По сути, катушка сама стала магнитом.

      Блог по теме: Часто задаваемые вопросы о генераторах

    Генератор Майкла Фарадея

    Первые электрические устройства работали на батареях. Через девять лет после того, как Фарадей продемонстрировал двигатель, он открыл принцип электромагнитной индукции. Он использовал свой простой моторный аппарат для генерации электрического тока, который можно было зарегистрировать на гальванометре.Когда он перемещал постоянный стержневой магнит вперед и назад внутри катушки с проволокой, он вырабатывал электричество. Вместо стационарного магнита, заставляющего двигаться катушку, когда электричество проходило через катушку, перемещение магнита через стационарную катушку генерировало электричество в катушке. Связь между электричеством и магнетизмом очень тесная.

    Магнетизм заставляет электроны в проводе двигаться, создавая электрический ток (ток движущихся электронов). Движение магнита через катушку генерирует электричество в катушке.Неважно, как создается движение. Это может быть энергия воды, пара, бензина, угля, ядерной энергии, источников энергии любого рода, которые заставляют магниты двигаться через катушки. Электричество является своего рода наименьшим общим знаменателем всех источников энергии на планете. Механически двигатели и генераторы становились все более и более сложными, более эффективными, крупнее, тяжелее и мощнее с 1831 года, но принцип не изменился.

     

    Виды современных генераторов

    Виды автономных генераторов на рынке в значительной степени различаются по типу топлива, которое они используют для перемещения этой катушки через этот магнит через эту катушку.

    • В наиболее распространенных генераторах используются бензиновые двигатели. В нормальных условиях бензин легко доступен и сравнительно недорог. Бензиновые генераторы могут быть небольшими и идеальными для домашнего использования. Проблема с использованием бензина в качестве топлива заключается в том, что его необходимо хранить для использования в чрезвычайных ситуациях. Бензин плохо хранится. При хранении хранится меньше года. Бензиновые генераторы также часто плохо запускаются в холодную погоду. Бензина часто нет в наличии во время отключения электричества, потому что он выкачивается из баков электронасосами.Бензиновые генераторы выбрасывают опасные выбросы. Топливо очень легко воспламеняется.
    • Генераторы на дизельном топливе также распространены. Они немного дороже бензиновых генераторов. Двигатели служат дольше, чем бензиновые двигатели, если они должным образом обслуживаются. Дизельное топливо является наименее воспламеняемым из видов углеродсодержащего топлива. Дизельное топливо хранится лучше, чем бензин, и хранится в два раза дольше. Дизельные двигатели имеют тенденцию лучше запускаться в холодную погоду. Но дизельное топливо также становится трудно получить при отключении электроэнергии. Выбросы очень токсичны, и муниципалитеты могут ограничивать количество часов работы двигателя.
    • Биодизельное топливо и эмульгированное дизельное топливо представляют собой компромиссы: добавление растительных масел или воды для снижения вредных выбросов.
    • Пропан (производное природного газа), хранящийся в жидкой или газообразной форме в резервуарах под давлением. Это топливо, которое решает многие проблемы жидкого топлива, такого как бензин и дизельное топливо. Тем не менее, если резервуары протекают, он легко воспламеняется или даже взрывается.Двигатели должны быть модифицированы специалистами для использования этого газообразного топлива.
    • Природный газ используется в качестве топлива для некоторых генераторов. Эти генераторы должны быть подключены к городским газопроводам и поэтому не являются переносными. Затраты на установку высоки, но топливо никогда не заканчивается.
    • Генераторы, работающие на водороде, портативны и практически не производят вредных выбросов. Обычно генератор соединен с водородным прицепом, который поставляет топливо. Водород — это богатое передовое топливо.Двигатели, работающие на водороде, эффективны и выделяют только водяной пар при окислении в процессе работы.

    Персонал Mader Electric является экспертом в области промышленных генераторов, установке генераторных систем, установке нестандартных панелей управления, обновлении существующих элементов управления, программировании расширенных элементов управления.

     

    Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: ток


    Электрический ток очень похож на текущую реку. Река течет из одного места в другое, и скорость ее движения равна скорости течения.Размер текущего потока больше связан с размером реки, чем со скоростью реки. Каждую секунду река несет больше воды, чем ручей, даже если оба они текут с одинаковой скоростью. В случае с электричеством ток является мерой количества заряда, переданного за определенный период времени. Ток представляет собой поток электронов или отдельных отрицательных зарядов. Когда заряд течет, он несет энергию, которую можно использовать для совершения работы. Ученые измеряют ток в единицах, называемых амперами.Одним из результатов тока является нагрев проводника. Когда электрическая плита нагревается, это происходит из-за протекания тока. Электроны имеют массу (пусть и маленькую), и когда они движутся по проводнику, происходят столкновения, выделяющие тепло. Чем больше электронов сталкивается с атомами проводника, тем больше выделяется тепла, поэтому более высокий ток обычно означает большее выделение тепла.

    Раньше ученые думали, что поток тока всегда нагревает объект, но с современными сверхпроводниками это не всегда так, или, по крайней мере, не так верно, как с обычными материалами.Сверхпроводящие материалы, по-видимому, меньше взаимодействуют между атомами и током, поэтому движущиеся заряды теряют гораздо меньше энергии.

    Все, что является материей, может проводить электричество, но не все делает это хорошо. Ученые используют термины проводники, изоляторы и полупроводники. Этикетки используются для описания того, насколько легко энергия передается через объект при перемещении заряда. Пространства между атомами, а также тип атомов определяют, является ли объект хорошим проводником или хорошим изолятором (плохим проводником).Существует два основных вида электрического тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Их легко запомнить. Постоянный ток – это поток заряда всегда в одном направлении. Переменный ток — это поток заряда туда и обратно, многократно меняющий свое направление за одну секунду. Батареи вырабатывают постоянный ток, а розетки в наших домах используют переменный ток.

    Будьте очень осторожны при работе с электричеством. НИКОГДА не прикасайтесь к розеткам в вашем доме.Это электричество очень мощное, и оно может причинить вам… сильный вред. Электричество от аккумуляторов также может нанести вам вред. Мы обожглись при работе с батареями и электромагнитами, поэтому знаем, что может случиться. Чтобы быть в безопасности, попросите взрослого помочь вам с любыми экспериментами.



    Или поищите на сайтах по конкретной теме.

    Электрогенератор

    Электродвигатель — устройство для преобразования электрической энергии в механическую; электрический генератор делает обратное, используя механическую энергию для выработки электричества.В основе обоих двигателей и генераторов лежит проволочная катушка в магнитном поле. По сути, одно и то же устройство можно использовать как двигатель или генератор.

    Когда устройство используется в качестве двигателя, через катушку проходит ток. Взаимодействие магнитного поля с током заставляет катушку вращаться. Чтобы использовать устройство в качестве генератора, катушку раскручивают, индуцируя ток в катушке.

    Магнитное поле в симуляции попадает в экран. Когда площадь контура уменьшается, как направлен индукционный ток в контуре?

    1. По часовой стрелке
    2. Против часовой стрелки

    Наведенный ток течет по часовой стрелке, когда видимая площадь уменьшается, и против часовой стрелки, когда площадь увеличивается.

    В какой момент величина максимального тока?

    1. Когда плоскость петли перпендикулярна полю (максимальная площадь)
    2. Когда плоскость контура параллельна полю (нулевая площадь)
    3. Поскольку петля вращается с постоянной скоростью, величина тока постоянна

    График зависимости потока от времени имеет наибольшую амплитуду, когда плоскость контура параллельна полю, поэтому ЭДС индукции и ток индукции имеют максимальную величину.

    Допустим, мы вращаем катушку из N витков и площадью A с постоянной скоростью в однородном магнитном поле B. По закону Фарадея ЭДС индукции определяется как:

    ε =
    -N д(BA cosθ)
    дт

    B и A являются постоянными, и если угловая скорость ω контура постоянна, угол равен:
    θ = ωт

    Тогда ЭДС индукции равна:

    ε =-НБА
    d(cos(ωt))
    дт
    = ωНБА sin(ωt) = ε или sin(ωt)

    Вращение петли в магнитном поле с постоянной скоростью — это простой способ генерировать синусоидальное колебательное напряжение. …другими словами, для выработки электроэнергии переменного тока. Амплитуда напряжения:
    ε о = ωNBA

    В Северной Америке электричество переменного тока от настенной розетки имеет частоту 60 Гц. Таким образом, угловая частота катушек или магнитов, в которых вырабатывается электричество, составляет 60 Гц.

    Для выработки электроэнергии постоянного тока используйте тот же тип коммутатора с разъемным кольцом, который используется в двигателе постоянного тока, чтобы обеспечить постоянную полярность напряжения. В очень простом генераторе постоянного тока с одним вращающимся контуром уровень напряжения будет постоянно колебаться.Напряжение от многих контуров (не синхронизированных друг с другом) обычно суммируется для получения относительно стабильного напряжения.

    Вместо использования вращающейся катушки в постоянном магнитном поле другим способом использования электромагнитной индукции является сохранение катушки неподвижной и вращение постоянных магнитов (обеспечивающих магнитное поле и поток) вокруг катушки. Хорошим примером этого является способ выработки электроэнергии, например, на гидроэлектростанции. Энергия падающей воды используется для вращения постоянных магнитов вокруг фиксированной петли, производя энергию переменного тока.

    Графен превращает воду в электрический ток: Scilight: Vol 2020, No 39

    Энергия может быть собрана водой, обтекающей графен или другие материалы на основе углерода. Однако механизм, регулирующий этот процесс, неизвестен, что затрудняет его применение в качестве жизнеспособной формы производства электроэнергии. Курия и др. количественно оценил выходную мощность этого метода и изучил ее зависимость от различных параметров.

    Авторы определили влияние скорости потока воды и площади контакта между графеном и жидкостью.Они обнаружили, что генерируемое напряжение и электродвижущая сила увеличиваются с этими параметрами, а генерируемый ток ориентирован в направлении потока воды. Примечательно, что процесс является повторяемым, воспроизводимым и хорошо согласуется с расчетами эквивалентной схемы.

    Чтобы запустить этот процесс, группа перенесла графен на стеклянную подложку и направила воду по ее поверхности. Они оптимизировали внешнее сопротивление нагрузки, приложенное к графену, чтобы максимизировать выходную мощность при различных скоростях потока.

    Хотя максимальная производительность невелика, авторы отмечают, что возможность ее количественной оценки является важным шагом на пути к будущим приложениям для производства электроэнергии.

    «Улучшение выходной мощности является важным вопросом для практического использования», — сказал автор Такеру Окада. «Общая мощность на выходе в настоящее время невелика, но не все устройства нуждаются в непрерывной работе. Мы также можем комбинировать вторичную батарею с системой электроснабжения, индуцированной потоком».

    Необходимы дальнейшие исследования, чтобы объяснить, как этот процесс в первую очередь генерирует электричество.Следующим шагом к ответу на этот вопрос является сравнение эффектов воды, текущей в разных направлениях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.