Электричество и магнетизм. Какая между ними связь?

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, он обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Рис. 12. При изменении направления тока в проводнике меняется и направление силовых линий магнитного поля.

Ты можешь в этом убедиться, если сам проведешь аналогичный опыт. Для этого тебе потребуются: батарея и лампа для карманного электрического фонаря, медный провод в любой изоляции и компас. С помощью отрезков провода, удалив с их концов изоляцию, подключи к батарее лампу. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея является источником питания этой цепи. Поднеси один из соединительных проводников поближе к компасу (рис. 12), и ты увидишь, как его магнитная стрелка сразу же станет поперек проводника. Она укажет направление круговых магнитных силовых линий, рожденных током. Наиболее сильное магнитное поле тока будет возле самого проводника. По мере удаления от проводника магнитное поле, рассеиваясь, ослабевает.

А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами полюсы батареи? Изменится и направление магнитных силовых линий — магнитная стрелка повернется в другую сторону. Значит, направление силовых линий магнитного поля, создаваемого током, зависит от направления тока в проводнике.

Какова в этих опытах роль лампы? Она служит как бы индикатором-прибором, свидетельствующим о наличии тока в цепи. Она, кроме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только проводник, магнитное поле тока станет сильнее, но батарея быстро разрядится.

Если в проводнике течет постоянный ток неизменной величины, его магнитное поле также не будет изменяться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток — усилится его магнитное поле, исчезнет ток — пропадет его поле. Словом, ток и его магнитное поле неразрывно связаны и зависят друг от друга.

Рис. 13. Проводник с током, свернутый в катушку, становится электромагнитом.

Магнитное поле тока легко усилить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь нее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердечником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы (рис. 13). Это свойство тока используется во множестве электрических приборов.

А если компас поднести к проводу с переменным током? Стрелка останется неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с переменным током отсутствует магнитное поле? Нет, конечно. Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка компаса не будет отклоняться только вследствие своей «неповоротливости», она не будет успевать следовать за быстрыми изменениями магнитного поля.

Первый электромагнит, основные черты которого сохранились сейчас во многих электрических приборах, например в электромагнитных реле, телефонных приборах, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу: если ток в обоих проводниках течет в одном направлении, они притягиваются друг к другу, а если в противоположных, то отталкиваются друг от друга.

Догадываешься, почему так происходит? В первом случае, когда направление тока в обоих проводниках одинаково, их магнитные поля, также имеющие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются друг от друга и тем самым раздвигают проводники.

Рис. 14. Энергия магнитного поля создает движение электронов — электрический ток.

В первой же половине прошлого, столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Суть этого явления заключается в следующем. Если внутрь катушки из изолированной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмерительного прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение отклонится от нулевой отметки на шкале прибора (рис. 14). При таком же быстром движении магнита внутри катушки, но уже в обратном направлении, стрелка прибора так же быстро отклонится в противоположную сторону и вернется в исходное положение. Вывод мог быть один: магнитное поле пересекает провод и возбуждает (индуцирует) в нем энергию движения свободных электронов — электрический ток.

Впрочем, можно поступить иначе: перемещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат будет тот же. Магнит можно заменить катушкой, по которой пропущен ток. Магнитное поле этой катушки при пересечении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижущую силу, создающую в ее цепи электрический ток.

Рис. 15. Схема генератора переменного тока.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия генератора переменного тока, представляющего собой катушку из провода, вращающуюся между полюсами сильного магнита или электромагнита (на рис. 15 катушка показана в виде одного витка провода). Вращаясь, катушка пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (вырабатывается) электрический ток.

В 1837 г. русский академик Б. С. Якоби открыл явление, обратное по действию явлению электромагнитной индукции. Через катушку, помещенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вращаться. Это был первый в мире электромагнитный двигатель.

Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, опытным путем установил еще одно очень важное явление — возможность передавать ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Дело в том, что переменный или прерывающийся ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое возбуждает во второй катушке э. д. с. На этой основе создан замечательный прибор — трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.