Geschichte der Physik: Elektromagnetismus. Schullexikon

Das erste Gesetz des Elektromagnetismus beschreibt den Fluss eines elektrischen Feldes:

wobei ε 0 eine Konstante ist (lesen Sie Epsilon-Null). Wenn es innerhalb der Oberfläche keine Ladungen gibt, aber außerhalb davon Ladungen (sogar ganz in der Nähe), dann ist alles das Gleiche Durchschnitt Die Normalkomponente von E ist Null, es findet also keine Strömung durch die Oberfläche statt. Um die Nützlichkeit dieser Art von Aussage zu zeigen, werden wir beweisen, dass Gleichung (1.6) mit dem Coulombschen Gesetz übereinstimmt, wenn wir nur berücksichtigen, dass das Feld einer einzelnen Ladung sphärisch symmetrisch sein muss. Zeichnen wir eine Kugel um eine Punktladung. Dann ist die durchschnittliche Normalkomponente an jedem Punkt genau gleich dem Wert von E, da das Feld entlang des Radius gerichtet sein muss und an allen Punkten der Kugel den gleichen Wert haben muss. Unsere Regel besagt dann, dass das Feld auf der Oberfläche einer Kugel multipliziert mit der Fläche der Kugel (also dem aus der Kugel fließenden Fluss) proportional zur Ladung im Inneren ist. Wenn Sie den Radius einer Kugel vergrößern, vergrößert sich ihre Fläche im Quadrat zum Radius. Das Produkt aus der durchschnittlichen Normalkomponente des elektrischen Feldes und dieser Fläche muss immer noch gleich der inneren Ladung sein, was bedeutet, dass das Feld mit dem Quadrat des Abstands abnehmen muss; Auf diese Weise entsteht ein Körper aus „inversen Quadraten“.

Wenn wir eine beliebige Kurve im Raum nehmen und die Zirkulation des elektrischen Feldes entlang dieser Kurve messen, stellt sich heraus, dass es im allgemeinen Fall nicht gleich Null ist (obwohl dies in einem Coulomb-Feld der Fall ist). Stattdessen gilt für Elektrizität das zweite Gesetz, das Folgendes besagt

Und schließlich die Formulierung der Gesetze der Elektrizität Magnetfeld wird vervollständigt, wenn wir zwei entsprechende Gleichungen für das Magnetfeld B schreiben:

Und für die Oberfläche S, begrenzte Kurve MIT:

Die in Gleichung (1.9) vorkommende Konstante c 2 ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Sein Auftreten wird damit begründet, dass der Magnetismus im Wesentlichen eine relativistische Manifestation der Elektrizität ist. Und die Konstante ε 0 wird so eingestellt, dass die üblichen Einheiten der elektrischen Stromstärke entstehen.

Die Gleichungen (1.6) – (1.9) sowie Gleichung (1.1) sind alle Gesetze der Elektrodynamik. Wie Sie sich erinnern, waren Newtons Gesetze sehr einfach zu schreiben, aber daraus ergaben sich viele komplexe Konsequenzen, sodass es viel Zeit in Anspruch nahm, sie alle zu studieren. Die Gesetze des Elektromagnetismus sind ungleich schwieriger zu schreiben, und wir sollten damit rechnen, dass die Konsequenzen aus ihnen viel komplizierter sein werden und wir sie nun sehr lange verstehen müssen.

Wir können einige Gesetze der Elektrodynamik mit einer Reihe einfacher Experimente veranschaulichen, die uns zumindest qualitativ die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern zeigen können. Mit dem ersten Term in Gleichung (1.1) werden Sie beim Kämmen Ihrer Haare vertraut, daher werden wir nicht darüber sprechen. Der zweite Term in Gleichung (1.1) kann demonstriert werden, indem ein Strom durch einen Draht geleitet wird, der über einem Magnetstab hängt, wie in Abb. 1.6. Wenn der Strom eingeschaltet wird, bewegt sich der Draht aufgrund der auf ihn einwirkenden Kraft F = qvXB. Wenn Strom durch einen Draht fließt, bewegen sich die darin enthaltenen Ladungen, das heißt, sie haben eine Geschwindigkeit v, und auf sie wirkt das Magnetfeld des Magneten, wodurch sich der Draht zur Seite bewegt.

Wenn der Draht nach links gedrückt wird, können Sie damit rechnen, dass der Magnet selbst einen Druck nach rechts erfährt. (Andernfalls könnte das gesamte Gerät auf einer Plattform montiert werden und ein reaktives System erhalten, in dem der Impuls nicht erhalten bleibt!) Obwohl die Kraft zu gering ist, um die Bewegung eines Magnetstabs zu bemerken, beispielsweise die Bewegung eines empfindlicheren Geräts eine Kompassnadel, fällt deutlich auf.

Wie drückt der Strom in einem Draht einen Magneten? Der durch den Draht fließende Strom erzeugt um ihn herum ein eigenes Magnetfeld, das auf den Magneten einwirkt. Gemäß dem letzten Term in Gleichung (1.9) sollte der Strom zu führen cirkultationen Vektor B; In unserem Fall sind die Feldlinien B um den Draht geschlossen, wie in Abb. 1.7. Es ist dieses Feld B, das für die auf den Magneten wirkende Kraft verantwortlich ist.

Gleichung (1.9) sagt uns, dass für eine gegebene Strommenge, die durch den Draht fließt, die Zirkulation des Feldes B gleich ist beliebig Kurve, die den Draht umgibt. Bei Kurven (z. B. Kreisen), die weit vom Draht entfernt liegen, fällt die Länge größer aus, sodass die Tangentenkomponente B kleiner werden sollte. Sie können sehen, dass Sie erwarten würden, dass B linear mit der Entfernung von einem langen geraden Draht abnimmt.

Wir sagten, dass Strom, der durch einen Draht fließt, ein Magnetfeld um ihn herum erzeugt und dass, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, es mit einer gewissen Kraft auf den Draht einwirkt, durch den der Strom fließt. Das bedeutet, dass man davon ausgehen sollte, dass ein Magnetfeld, das durch einen in einem Draht fließenden Strom erzeugt wird, mit einer gewissen Kraft auf den anderen Draht einwirkt, der ebenfalls Strom führt. Dies kann anhand zweier frei hängender Drähte gezeigt werden (Abb. 1.8). Bei gleicher Richtung der Ströme ziehen sich die Drähte an, bei entgegengesetzter Richtung stoßen sie sich ab.

Kurz gesagt: Elektrische Ströme erzeugen wie Magnete Magnetfelder. Aber was ist dann ein Magnet? Könnte es sein, dass das von einem Stück Eisen erzeugte Magnetfeld tatsächlich das Ergebnis von Strömen ist, da Magnetfelder durch sich bewegende Ladungen erzeugt werden? Anscheinend stimmt das. In unseren Experimenten können wir den Magnetstab durch eine Spule aus gewickeltem Draht ersetzen, wie in Abb. 1.9. Wenn Strom durch die Spule (sowie durch den geraden Draht darüber) fließt, wird genau die gleiche Bewegung des Leiters beobachtet wie zuvor, als anstelle der Spule ein Magnet vorhanden war. Alles sieht so aus, als würde in einem Stück Eisen ständig Strom zirkulieren. Tatsächlich können die Eigenschaften von Magneten als ein kontinuierlicher Strom innerhalb der Eisenatome verstanden werden. Die auf den Magneten wirkende Kraft in Abb. 1.7 wird durch den zweiten Term in Gleichung (1.1) erklärt.

Woher kommen diese Strömungen? Eine Quelle ist die Bewegung von Elektronen in Atombahnen. Bei Eisen ist das nicht der Fall, aber in manchen Materialien ist dies der Ursprung des Magnetismus. Das Elektron rotiert nicht nur um den Atomkern, sondern auch um seine eigene Achse (ähnlich der Rotation der Erde); Durch diese Drehung entsteht ein Strom, der im Eisen ein Magnetfeld erzeugt. (Wir sagten „so etwas wie die Rotation der Erde“, weil die Frage in der Quantenmechanik tatsächlich so tiefgreifend ist, dass sie nicht gut genug in die klassischen Vorstellungen passt.) In den meisten Substanzen rotieren einige Elektronen in die eine Richtung, andere in die andere , also verschwindet der Magnetismus, und im Eisen drehen sich (aus einem mysteriösen Grund, über den wir später sprechen werden) viele Elektronen, so dass ihre Achsen in eine Richtung zeigen und dies als Quelle des Magnetismus dient.

Da die Felder von Magneten durch Ströme erzeugt werden, besteht keine Notwendigkeit, zusätzliche Terme in die Gleichungen (1.8) und (1.9) einzufügen, die die Existenz von Magneten berücksichtigen. Bei diesen Gleichungen geht es um alle Ströme, einschließlich Kreisströme von rotierenden Elektronen, und das Gesetz erweist sich als richtig. Es ist auch zu beachten, dass es gemäß Gleichung (1.8) keine magnetischen Ladungen gibt, die den elektrischen Ladungen auf der rechten Seite von Gleichung (1.6) ähneln. Sie wurden nie entdeckt.

Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (1.9) wurde theoretisch von Maxwell entdeckt; er ist sehr wichtig. Er sagt Veränderung elektrisch Felder verursachen magnetische Phänomene. Tatsächlich würde die Gleichung ohne diesen Begriff ihre Bedeutung verlieren, da ohne ihn die Ströme in offenen Stromkreisen verschwinden würden. Aber in Wirklichkeit gibt es solche Strömungen; Das folgende Beispiel verdeutlicht dies. Stellen Sie sich einen Kondensator vor, der aus zwei flachen Platten besteht. Es wird durch einen Strom aufgeladen, der in eine der Platten fließt und aus der anderen herausfließt, wie in Abb. 1.10. Zeichnen wir eine Kurve um einen der Drähte MIT und spanne darüber eine Fläche (Fläche S 1), die den Draht schneidet. Gemäß Gleichung (1.9) ist die Zirkulation des Feldes B entlang der Kurve MIT ergibt sich aus der Stärke des Stroms im Draht (multipliziert mit aus 2). Aber was passiert, wenn wir in eine Kurve fahren? ein anderer Oberfläche S 2 in Form einer Tasse, deren Boden sich zwischen den Platten des Kondensators befindet und den Draht nicht berührt? Durch eine solche Oberfläche fließt natürlich kein Strom. Aber eine einfache Änderung der Position und Form einer imaginären Oberfläche sollte das reale Magnetfeld nicht verändern! Die Zirkulation von Feld B sollte gleich bleiben. Tatsächlich wird der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (1.9) mit dem zweiten Term so kombiniert, dass für beide Flächen gilt S 1 und S 2 tritt der gleiche Effekt auf. Für S 2 Die Zirkulation des Vektors B wird durch den Grad der Änderung des Flusses des Vektors E von einer Platte zur anderen ausgedrückt. Und es stellt sich heraus, dass die Änderung von E genau so mit dem Strom zusammenhängt, dass Gleichung (1.9) erfüllt ist. Maxwell erkannte die Notwendigkeit dafür und verfasste als Erster die vollständige Gleichung.

Unter Verwendung der in FIG. gezeigten Vorrichtung. 1.6 lässt sich ein weiteres Gesetz des Elektromagnetismus demonstrieren. Trennen wir die Enden des Aufhängedrahts von der Batterie und verbinden sie mit einem Galvanometer – einem Gerät, das den Stromfluss durch den Draht aufzeichnet. Steht nur im Feld eines Magneten Swing Draht, und Strom fließt sofort durch ihn. Dies ist eine neue Konsequenz aus Gleichung (1.1): Die Elektronen im Draht spüren die Wirkung der Kraft F=qv X B. Ihre Geschwindigkeit ist nun zur Seite gerichtet, weil sie mit dem Draht abgelenkt werden. Dieses v führt zusammen mit dem vertikal gerichteten Feld B des Magneten zu einer Kraft, die auf die Elektronen wirkt entlang Drähte und die Elektronen werden zum Galvanometer geschickt.

Nehmen wir jedoch an, wir ließen den Draht in Ruhe und begannen, den Magneten zu bewegen. Wir sind der Meinung, dass es keinen Unterschied geben sollte, da die relative Bewegung dieselbe ist und tatsächlich Strom durch das Galvanometer fließt. Doch wie wirkt ein Magnetfeld auf ruhende Ladungen? Gemäß Gleichung (1.1) sollte ein elektrisches Feld entstehen. Ein bewegter Magnet muss ein elektrisches Feld erzeugen. Die Frage, wie dies geschieht, wird durch Gleichung (1.7) quantitativ beantwortet. Diese Gleichung beschreibt viele praktisch sehr wichtige Phänomene, die in elektrischen Generatoren und Transformatoren auftreten.

Die bemerkenswerteste Konsequenz unserer Gleichungen ist, dass wir durch die Kombination der Gleichungen (1.7) und (1.9) verstehen können, warum sich elektromagnetische Phänomene über große Entfernungen ausbreiten. Der Grund dafür ist, grob gesagt, ungefähr so: Angenommen, irgendwo gibt es ein Magnetfeld, dessen Stärke zunimmt, beispielsweise weil plötzlich ein Strom durch einen Draht fließt. Aus Gleichung (1.7) folgt dann, dass eine Zirkulation des elektrischen Feldes entstehen sollte. Wenn das elektrische Feld allmählich zuzunehmen beginnt, damit eine Zirkulation stattfinden kann, dann sollte gemäß Gleichung (1.9) auch eine magnetische Zirkulation entstehen. Aber zunehmend Das Das Magnetfeld erzeugt eine neue Zirkulation des elektrischen Feldes usw. Auf diese Weise breiten sich die Felder durch den Raum aus, ohne dass irgendwo anders als an der Quelle der Felder Ladungen oder Ströme erforderlich sind. So geht es uns wir sehen gegenseitig! All dies ist in den Gleichungen des elektromagnetischen Feldes verborgen.

Geladene Körper sind in der Lage, neben dem elektrischen Feld noch eine weitere Feldart zu erzeugen. Wenn sich die Ladungen bewegen, entsteht im Raum um sie herum eine besondere Art von Materie, genannt Magnetfeld. Folglich erzeugt elektrischer Strom, also die geordnete Bewegung von Ladungen, auch ein Magnetfeld. Wie das elektrische Feld ist auch das magnetische Feld nicht räumlich begrenzt, breitet sich sehr schnell aus, aber dennoch mit endlicher Geschwindigkeit. Es kann nur durch seine Wirkung auf bewegte geladene Körper (und damit auf Ströme) nachgewiesen werden.

Um das Magnetfeld zu beschreiben, ist es notwendig, eine für das Feld charakteristische Kraft einzuführen, ähnlich dem Intensitätsvektor E elektrisches Feld. Ein solches Merkmal ist der Vektor B magnetische Induktion. Im SI-Einheitensystem beträgt die Einheit der magnetischen Induktion 1 Tesla (T). Wenn in einem Magnetfeld mit Induktion B Platzieren Sie eine Leiterlänge l mit Strom ICH, dann rief eine Kraft Amperekraft, die nach der Formel berechnet wird:

Wo: IN– Magnetfeldinduktion, ICH– Stromstärke im Leiter, l– seine Länge. Die Ampere-Kraft ist senkrecht zum magnetischen Induktionsvektor und der Richtung des durch den Leiter fließenden Stroms gerichtet.

Zur Bestimmung der Richtung wird üblicherweise die Amperekraft verwendet Regel „Linke Hand“.: Wenn Sie Ihre linke Hand so positionieren, dass die Induktionslinien in die Handfläche eindringen und die ausgestreckten Finger entlang des Stroms gerichtet sind, zeigt der abduzierte Daumen die Richtung der auf den Leiter wirkenden Ampere-Kraft an (siehe Abbildung).

Wenn der Winkel α Wenn der Winkel zwischen den Richtungen des magnetischen Induktionsvektors und dem Strom im Leiter nicht 90° beträgt, muss man zur Bestimmung der Richtung der Ampere-Kraft die Komponente des Magnetfelds nehmen, die senkrecht zur Stromrichtung verläuft . Es ist notwendig, die Probleme dieses Themas auf die gleiche Weise wie in der Dynamik oder Statik zu lösen, d.h. durch Beschreibung der Kräfte entlang der Koordinatenachsen oder Addition der Kräfte nach den Regeln der Vektoraddition.

Moment der Kräfte, die mit Strom auf den Rahmen wirken

Der stromführende Rahmen befinde sich in einem Magnetfeld und die Ebene des Rahmens sei senkrecht zum Feld. Die Ampere-Kräfte komprimieren den Rahmen und ihre Resultierende ist gleich Null. Wenn Sie die Richtung des Stroms ändern, ändern die Ampere-Kräfte ihre Richtung und der Rahmen wird nicht gestaucht, sondern gedehnt. Liegen die magnetischen Induktionslinien in der Rahmenebene, so entsteht ein Rotationsmoment der Ampere-Kräfte. Rotationsmoment der Ampere-Kräfte gleich:

Wo: S- Rahmenbereich, α - der Winkel zwischen der Normalen des Rahmens und dem magnetischen Induktionsvektor (die Normale ist ein Vektor senkrecht zur Rahmenebene), N– Anzahl der Windungen, B– Magnetfeldinduktion, ICH– aktuelle Stärke im Rahmen.

Lorentzkraft

Amperekraft, die auf ein Leitersegment der Länge Δ wirkt l mit aktueller Stärke ICH, befindet sich in einem Magnetfeld B kann als Kräfte ausgedrückt werden, die auf einzelne Ladungsträger wirken. Diese Kräfte werden aufgerufen Lorentzkräfte. Lorentzkraft, die auf ein geladenes Teilchen wirkt Q in einem Magnetfeld B, bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit v wird nach folgender Formel berechnet:

Ecke α in diesem Ausdruck ist gleich dem Winkel zwischen der Geschwindigkeit und dem magnetischen Induktionsvektor. Die Richtung der wirkenden Lorentzkraft positiv Ein geladenes Teilchen sowie die Richtung der Ampere-Kraft können mithilfe der Linke-Hand-Regel oder der Gimlet-Regel (wie die Ampere-Kraft) ermittelt werden. Der magnetische Induktionsvektor muss gedanklich in die Handfläche Ihrer linken Hand eingeführt werden, vier geschlossene Finger sollten entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des geladenen Teilchens ausgerichtet werden und der gebogene Daumen zeigt die Richtung der Lorentzkraft an. Wenn das Teilchen hat Negativ Ladung, dann muss die durch die Linke-Hand-Regel ermittelte Richtung der Lorentzkraft durch die entgegengesetzte ersetzt werden.

Die Lorentzkraft ist senkrecht zu den Geschwindigkeits- und Magnetfeldinduktionsvektoren gerichtet. Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt Die Lorentzkraft leistet keine Arbeit. Daher ändert sich die Größe des Geschwindigkeitsvektors nicht, wenn sich das Teilchen bewegt. Wenn sich ein geladenes Teilchen unter dem Einfluss der Lorentzkraft in einem gleichmäßigen Magnetfeld bewegt und seine Geschwindigkeit in einer Ebene senkrecht zum Induktionsvektor des Magnetfelds liegt, dann bewegt sich das Teilchen auf einem Kreis, dessen Radius mit berechnet werden kann die folgende Formel:

Die Lorentzkraft spielt in diesem Fall die Rolle einer Zentripetalkraft. Die Umlaufdauer eines Teilchens in einem gleichmäßigen Magnetfeld ist gleich:

Der letzte Ausdruck zeigt das für geladene Teilchen einer gegebenen Masse M Die Umlaufdauer (und damit sowohl die Frequenz als auch die Winkelgeschwindigkeit) hängt nicht von der Geschwindigkeit (und damit von der kinetischen Energie) und dem Radius der Flugbahn ab R.

Magnetfeldtheorie

Wenn zwei parallele Drähte Strom in die gleiche Richtung führen, ziehen sie sich gegenseitig an; wenn in entgegengesetzte Richtungen, dann stoßen sie sich ab. Die Gesetze dieses Phänomens wurden von Ampere experimentell festgestellt. Die Wechselwirkung von Strömen wird durch ihre Magnetfelder verursacht: Das Magnetfeld eines Stroms wirkt als Ampere-Kraft auf einen anderen Strom und umgekehrt. Experimente haben gezeigt, dass der Modul der auf ein Längensegment wirkenden Kraft Δ ist l Jeder der Leiter ist direkt proportional zur Stromstärke ICH 1 und ICH 2 in Leitern, Schnittlänge Δ l und umgekehrt proportional zur Entfernung R zwischen ihnen:

Wo: μ 0 ist ein konstanter Wert namens magnetische Konstante. Die Einführung der magnetischen Konstante in das SI vereinfacht das Schreiben einer Reihe von Formeln. Sein numerischer Wert ist:

μ 0 = 4π ·10 –7 H/A 2 ≈ 1,26·10 –6 H/A 2 .

Vergleicht man den gerade gegebenen Ausdruck für die Wechselwirkungskraft zweier Leiter mit dem Strom mit dem Ausdruck für die Ampere-Kraft, ist es nicht schwer, einen Ausdruck dafür zu erhalten Induktion des Magnetfeldes, das von jedem der stromführenden geraden Leiter erzeugt wird auf Distanz R von ihm:

Wo: μ – magnetische Permeabilität des Stoffes (mehr dazu weiter unten). Wenn der Strom kreisförmig fließt, dann Zentrum der magnetischen Feldinduktion der Windung bestimmt durch die Formel:

Stromleitungen Das Magnetfeld wird als Linie entlang der Tangente bezeichnet, an der sich die Magnetpfeile befinden. Magnetnadel Man nennt ihn einen langen und dünnen Magneten, dessen Pole punktförmig sind. Eine an einem Faden hängende Magnetnadel dreht sich immer in eine Richtung. Darüber hinaus ist ein Ende nach Norden und das andere nach Süden gerichtet. Daher der Name der Pole: Norden ( N) und südlich ( S). Magnete haben immer zwei Pole: Nord (in Blau oder dem Buchstaben angezeigt). N) und südlich (in Rot oder Buchstaben). S). Magnete interagieren auf die gleiche Weise wie Ladungen: Gleiche Pole stoßen sich ab und ungleiche Pole ziehen sich an. Es ist unmöglich, einen Magneten mit einem Pol zu bekommen. Selbst wenn der Magnet kaputt ist, hat jedes Teil zwei unterschiedliche Pole.

Magnetischer Induktionsvektor

Magnetischer Induktionsvektor- eine vektorielle physikalische Größe, die ein Merkmal eines Magnetfelds ist und numerisch der Kraft entspricht, die auf ein Stromelement von 1 A und einer Länge von 1 m wirkt, wenn die Richtung der Feldlinie senkrecht zum Leiter verläuft. Festgelegt IN, Maßeinheit - 1 Tesla. 1 T ist ein sehr großer Wert, daher wird die magnetische Induktion in realen Magnetfeldern in mT gemessen.

Der magnetische Induktionsvektor ist tangential zu den Kraftlinien gerichtet, d.h. stimmt mit der Richtung des Nordpols einer Magnetnadel überein, die in einem bestimmten Magnetfeld platziert ist. Die Richtung des magnetischen Induktionsvektors stimmt nicht mit der Richtung der auf den Leiter wirkenden Kraft überein, daher sind die magnetischen Feldlinien streng genommen keine Kraftlinien.

Magnetische Feldlinie von Permanentmagneten in Bezug auf die Magnete selbst gerichtet, wie in der Abbildung gezeigt:

Falls Magnetfeld des elektrischen Stroms Um die Richtung der Feldlinien zu bestimmen, verwenden Sie die Regel "Rechte Hand": wenn man den Dirigenten reinnimmt rechte Hand so dass der Daumen entlang des Stroms gerichtet ist, dann zeigen vier Finger, die den Leiter umklammern, die Richtung der Kraftlinien um den Leiter:

Bei Gleichstrom sind magnetische Induktionslinien Kreise, deren Ebenen senkrecht zum Strom stehen. Die magnetischen Induktionsvektoren sind tangential zum Kreis gerichtet.

Magnet- ein um eine zylindrische Oberfläche gewickelter Leiter, durch den elektrischer Strom fließt ICHähnlich dem Feld eines direkten Permanentmagneten. Innerhalb der Magnetlänge l und Anzahl der Windungen N Es entsteht ein gleichmäßiges Magnetfeld mit Induktion (seine Richtung wird ebenfalls durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt):

Magnetische Feldlinien sehen aus wie geschlossene Linien- Dies ist eine gemeinsame Eigenschaft aller magnetischen Linien. Ein solches Feld wird Wirbelfeld genannt. Bei Permanentmagneten enden die Leitungen nicht an der Oberfläche, sondern dringen in den Magneten ein und sind innen geschlossen. Dieser Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Feldern erklärt sich aus der Tatsache, dass es im Gegensatz zu elektrischen keine magnetischen Ladungen gibt.

Magnetische Eigenschaften der Materie

Alle Stoffe haben magnetische Eigenschaften. Magnetische Eigenschaften Substanzen werden charakterisiert relative magnetische Permeabilität μ , wofür gilt:

Diese Formel drückt die Entsprechung des Magnetfeldinduktionsvektors im Vakuum und in einer gegebenen Umgebung aus. Im Gegensatz zur elektrischen Wechselwirkung kann man bei der magnetischen Wechselwirkung in einem Medium sowohl eine Zunahme als auch eine Abschwächung der Wechselwirkung im Vergleich zu einem Vakuum beobachten, das eine magnetische Permeabilität aufweist μ = 1. U diamagnetische Materialien magnetische Permeabilität μ etwas weniger als eins. Beispiele: Wasser, Stickstoff, Silber, Kupfer, Gold. Diese Stoffe schwächen das Magnetfeld etwas ab. Paramagnete- Sauerstoff, Platin, Magnesium - verstärken das Feld etwas, haben μ etwas mehr als eins. U Ferromagnete- Eisen, Nickel, Kobalt - μ >> 1. Zum Beispiel für Eisen μ ≈ 25000.

Magnetischer Fluss. Elektromagnetische Induktion

Phänomen elektromagnetische Induktion wurde 1831 vom herausragenden englischen Physiker M. Faraday entdeckt. Es entsteht ein elektrischer Strom in einem geschlossenen Stromkreis, wenn sich der magnetische Fluss, der den Stromkreis durchdringt, im Laufe der Zeit ändert. Magnetischer Fluss Φ über den Platz S Kontur heißt der Wert:

Wo: B– Modul des magnetischen Induktionsvektors, α – Winkel zwischen dem magnetischen Induktionsvektor B und normal (senkrecht) zur Ebene der Kontur, S– Konturbereich, N– Anzahl der Windungen im Stromkreis. Die SI-Einheit des magnetischen Flusses heißt Weber (Wb).

Faraday stellte experimentell fest, dass, wenn sich der magnetische Fluss in einem leitenden Stromkreis ändert, induzierte EMK ε ind, gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch eine durch eine Kontur begrenzte Oberfläche, mit Minuszeichen:

Eine Änderung des magnetischen Flusses, der durch einen geschlossenen Regelkreis fließt, kann aus zwei möglichen Gründen auftreten.

  1. Durch die Bewegung des Stromkreises oder seiner Teile in einem zeitlich konstanten Magnetfeld ändert sich der magnetische Fluss. Dies ist der Fall, wenn sich Leiter und mit ihnen freie Ladungsträger in einem Magnetfeld bewegen. Das Auftreten induzierter EMK wird durch die Wirkung der Lorentzkraft auf freie Ladungen in bewegten Leitern erklärt. Die Lorentzkraft spielt in diesem Fall die Rolle einer äußeren Kraft.
  2. Der zweite Grund für die Änderung des magnetischen Flusses, der den Stromkreis durchdringt, ist die zeitliche Änderung des Magnetfelds, wenn der Stromkreis stationär ist.

Bei der Lösung von Problemen ist es wichtig, sofort festzustellen, warum sich der magnetische Fluss ändert. Drei Optionen sind möglich:

  1. Das Magnetfeld ändert sich.
  2. Der Bereich der Kontur ändert sich.
  3. Die Ausrichtung des Rahmens relativ zum Feld ändert sich.

In diesem Fall wird bei der Lösung von Problemen die EMF üblicherweise modulo berechnet. Achten wir auch auf einen besonderen Fall, in dem das Phänomen der elektromagnetischen Induktion auftritt. Also der Maximalwert der induzierten EMK in einem Stromkreis bestehend aus N Windungen, Fläche S, rotierend mit Winkelgeschwindigkeit ω in einem Magnetfeld mit Induktion IN:

Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld

Beim Verschieben eines Leiters mit einer Länge l in einem Magnetfeld B mit Geschwindigkeit v An seinen Enden entsteht eine Potentialdifferenz, die durch die Einwirkung der Lorentzkraft auf freie Elektronen im Leiter verursacht wird. Diese Potentialdifferenz (genau genommen EMK) wird mit der Formel ermittelt:

Wo: α - der Winkel, der zwischen der Geschwindigkeitsrichtung und dem Vektor der magnetischen Induktion gemessen wird. In den stationären Teilen des Stromkreises tritt keine EMF auf.

Wenn die Rute lang ist L rotiert in einem Magnetfeld IN um eines seiner Enden mit Winkelgeschwindigkeit ω , dann entsteht an seinen Enden eine Potentialdifferenz (EMF), die nach folgender Formel berechnet werden kann:

Induktivität. Selbstinduktion. Magnetfeldenergie

Selbstinduktion ist ein wichtiger Sonderfall der elektromagnetischen Induktion, bei der durch einen Strom im Stromkreis selbst ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt wird, der eine induzierte EMK verursacht. Wenn sich der Strom im betrachteten Stromkreis aus irgendeinem Grund ändert, ändert sich auch das Magnetfeld dieses Stroms und damit auch der eigene magnetische Fluss, der den Stromkreis durchdringt. Im Stromkreis entsteht eine selbstinduktive EMK, die gemäß der Lenzschen Regel eine Änderung des Stroms im Stromkreis verhindert. Selbstmagnetischer Fluss Φ , einen Stromkreis oder eine Spule mit Strom durchdringen, ist proportional zur Stromstärke ICH:

Proportionalitätsfaktor L in dieser Formel wird der Selbstinduktionskoeffizient oder genannt Induktivität Spulen. Die SI-Einheit der Induktivität heißt Henry (H).

Erinnern: Die Induktivität des Stromkreises hängt weder vom magnetischen Fluss noch von der Stromstärke darin ab, sondern wird nur durch die Form und Größe des Stromkreises sowie die Eigenschaften bestimmt Umfeld. Wenn sich daher der Strom im Stromkreis ändert, bleibt die Induktivität unverändert. Die Induktivität der Spule lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Wo: N- Konzentration der Windungen pro Längeneinheit der Spule:

Selbstinduzierte EMK, die in einer Spule mit konstantem Induktivitätswert entsteht, ist nach der Formel von Faraday gleich:

Die Selbstinduktions-EMF ist also direkt proportional zur Induktivität der Spule und der Stromänderungsrate darin.

Ein Magnetfeld hat Energie. So wie in einem geladenen Kondensator eine Reserve an elektrischer Energie vorhanden ist, gibt es in der Spule, durch die der Strom fließt, eine Reserve an magnetischer Energie. Energie W m Magnetfeld einer Spule mit Induktivität L, erstellt von current ICH, kann mit einer der Formeln berechnet werden (sie folgen unter Berücksichtigung der Formel aufeinander Φ = LI):

Indem wir die Formel für die Energie des Magnetfelds der Spule mit ihren geometrischen Abmessungen korrelieren, können wir eine Formel für erhalten volumetrische Magnetfeldenergiedichte(oder Energie pro Volumeneinheit):

Lenzsche Regel

Trägheit- ein Phänomen, das sowohl in der Mechanik (beim Beschleunigen eines Autos lehnen wir uns zurück, um der Zunahme der Geschwindigkeit entgegenzuwirken, und beim Bremsen lehnen wir uns nach vorne, um der Abnahme der Geschwindigkeit entgegenzuwirken) als auch in der Molekularphysik (wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, die Verdunstungsrate nimmt zu, die schnellsten Moleküle verlassen die Flüssigkeit, wodurch die Geschwindigkeit der Erwärmung abnimmt) und so weiter. Im Elektromagnetismus äußert sich Trägheit im Gegensatz zu Änderungen des magnetischen Flusses, der durch einen Stromkreis fließt. Wenn der magnetische Fluss zunimmt, dann ist der im Stromkreis entstehende induzierte Strom so gerichtet, dass er verhindert, dass der magnetische Fluss zunimmt, und wenn der magnetische Fluss abnimmt, dann wird der im Stromkreis entstehende induzierte Strom so gerichtet, dass er den magnetischen Fluss verhindert vom Abnehmen ab.

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    Der Kurs „Elektromagnetismus“ ist ein Abschnitt des allgemeinen Physikkurses, der systematische Kenntnisse über die Grundkonzepte und Gesetze des Elektromagnetismus als Verallgemeinerungen experimenteller Fakten in mathematischer Form vermittelt. Die grundlegenden Experimente, die den Grundgesetzen der Elektrizität, des Magnetismus und der Elektrodynamik zugrunde liegen, werden untersucht und demonstriert. Theoretische Modelle der Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder mit Materie werden analysiert und die Bereiche ihrer Anwendbarkeit analysiert. Erklärt moderne Technologien, die auf den Gesetzen des Elektromagnetismus basieren. Die Disziplin entwickelt bei den Studierenden die Grundlagen einer naturwissenschaftlichen Weltanschauung und ist die Grundlage für das weitere Studium allgemeiner Berufs- und Spezialdisziplinen.

    Format

    Die Studienform ist das Fernstudium. Zu den wöchentlichen Kursen gehören das Ansehen thematischer Videovorträge, die mit Videoaufzeichnungen von Vorlesungsexperimenten ausgestattet sind, und die Bearbeitung von Testaufgaben mit automatischer Überprüfung der Ergebnisse. Ein wichtiger Bestandteil des Studiums der Disziplin ist die selbstständige Lösung körperlicher Probleme. Die Lösung muss eine strenge und logisch korrekte Argumentation enthalten, die zur richtigen Antwort führt.

    Anforderungen

    Der Kurs richtet sich an Bachelor-Studierende im ersten Studienjahr. Kenntnisse in Physik und Mathematik auf dem Niveau des Gymnasiums (Klasse 11) werden vorausgesetzt.

    Kursprogramm

    Vorlesung 1. Elektromagnetische Wechselwirkung und ihr Platz unter anderen Wechselwirkungen in der Natur. Entwicklung der Physik der Elektrizität in den Werken von M.V. Elektrische Ladung. Mikroskopische Ladungsträger. Millikans Erfahrung. Gesetz zur Erhaltung der elektrischen Ladung. Elektrostatik. Coulombsches Gesetz und seine Feldinterpretation. Vektor der elektrischen Feldstärke. Das Prinzip der Überlagerung elektrischer Felder.

    Vorlesung 1. Vektorfluss der elektrischen Feldstärke. Der elektrostatische Satz von Ostrogradsky und Gauß, seine Darstellung in Differentialform. Elektrostatisches Feldpotential. Potenzial. Normalisierung des Potenzials. Zusammenhang zwischen dem Vektor der elektrostatischen Feldstärke und dem Potential. Arbeit elektrostatischer Feldkräfte. Potenzial des Ladesystems.

    Vorlesung 3. Zirkulation des elektrischen Feldstärkevektors. Der Zirkulationssatz, seine Darstellung in Differentialform. Poisson- und Laplace-Gleichungen. Elektrischer Dipol. Potential und Feldstärke eines Dipols.

    Vorlesung 4. Leiter in einem elektrostatischen Feld. Elektrostatische Induktion. Feldstärke an der Oberfläche und im Inneren des Leiters. Ladungsverteilung über die Oberfläche eines Leiters. Elektrostatischer Schutz. Zusammenhang zwischen Ladung und Potential eines Leiters. Elektrische Kapazität. Kondensatoren. Kapazität von Flach-, Kugel- und Zylinderkondensatoren. Leitender Ball in einem gleichmäßigen elektrostatischen Feld.

    Vorlesung 5. Dielektrika. Kostenlose und gebundene Gebühren. Polarisationsvektor. Zusammenhang zwischen Polarisationsvektor und gebundenen Ladungen. Vektor der elektrischen Induktion in einem Dielektrikum. Dielektrische Suszeptibilität und Dielektrizitätskonstante und Substanzen. Materialgleichung für elektrische Feldvektoren. Ostrogradsky-Gauss-Theorem für Dielektrika. Seine Differentialform. Randbedingungen für Spannungsvektoren und elektrische Induktion. Dielektrische Kugel in einem gleichmäßigen elektrischen Feld.

    Vorlesung 6. Systemenergie elektrische Ladungen. Interaktionsenergie und Selbstenergie. Elektrostatische Feldenergie und ihre volumetrische Dichte. Energie eines elektrischen Dipols in einem externen Feld. Ponderomotorische Kräfte im elektrischen Feld und Methoden zu ihrer Berechnung. Zusammenhang zwischen Ponderomotorischen Kräften und der Energie des Ladungssystems.

    Vorlesung 7. Elektronische Theorie der Polarisation von Dielektrika. Lokales Feld. Unpolare Dielektrika. Clausius-Mossotti-Formel. Polare Dielektrika. Langevin-Funktion. Polarisation von Ionenkristallen. Elektrische Eigenschaften von Kristallen. Pyroelektrika. Piezoelektrika. Direkter und inverser piezoelektrischer Effekt und seine Anwendung. Ferroelektrika. Domänenstruktur von Ferroelektrika. Hysterese. Curie-Punkt. Anwendung von Ferroelektrika.

    Vorlesung 8. Konstanter elektrischer Strom. Aktuelle Stärke und Dichte. Aktuelle Zeilen. Elektrisches Feld in einem stromdurchflossenen Leiter und seinen Quellen. Kontinuitätsgleichung. Bedingung dafür, dass der Strom stationär ist. Elektrische Spannung. Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises. Elektrischer Widerstand. Ohmsches Gesetz in Differentialform. Spezifische elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes.

    Vorlesung 9. Strömungen in kontinuierlichen Medien. Erdung. Gleichstrombetrieb und Stromversorgung. Joule-Lenz-Gesetz und seine Differentialform. Äußere Kräfte. Elektromotorische Kraft. Ohmsches Gesetz für einen geschlossenen Stromkreis. Verzweigte Ketten. Kirchhoffs Regeln. Beispiele für ihre Anwendung.

    Vorlesung 10. Magnetostatik. Wechselwirkung von Strömen. Aktuelles Element. Das Biot-Savart-Laplace-Gesetz und seine Feldinterpretation. Magnetfeldinduktionsvektor. Die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen Strom. Amperesches Gesetz. Satz über die Zirkulation des Magnetfeldinduktionsvektors. Differentialform des Zirkulationssatzes. Wirbelnatur des Magnetfeldes. Gleichung div B = 0. Konzept des Vektorpotentials. Relativistische Natur magnetischer Wechselwirkungen.

    Vorlesung 11. Elementarstrom und sein magnetisches Moment. Magnetfeld eines Elementarstroms. Elementarstrom in einem Magnetfeld. Magnetfeld einer bewegten Ladung. Wechselwirkung bewegter Ladungen. Lorentzkraft. Hall-Effekt.

    Vorlesung 12. Magnetischer Induktionsvektorfluss (magnetischer Fluss). Selbstinduktivitätskoeffizient (Induktivität). Der Koeffizient der gegenseitigen Induktion zweier Stromkreise. Mögliche aktuelle Funktion. Kräfte, die auf einen stromdurchflossenen Stromkreis wirken. Wechselwirkung zweier Stromkreise mit Strom.

    Vorlesung 13. Elektromagnetische Induktion. Das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion und seine Differentialform. Lenzsche Regel.

    Vorlesung 14. Magnetik. Das Konzept der molekularen Ströme. Der Magnetisierungsvektor einer Substanz und sein Zusammenhang mit molekularen Strömen. Magnetfeldstärkevektor.

    Vorlesung 15. Klassifizierung magnetischer Materialien. Diamagnete, Paramagnete und Ferromagnete. Klassische Beschreibung des Diamagnetismus. Larmorpräzession.

    Vorlesung 16. Ferromagnete. Spontane Magnetisierung und Curie-Temperatur. Domänenstruktur. Magnetisierungshysterese, Stoletov-Kurve.

    Vorlesung 17. Quasistationäre Strömungen. Bedingungen für Quasistationarität. Transiente Vorgänge in RC- und LC-Schaltungen.

    Vorlesung 18. Erzwungene Schwingungen im Stromkreis. Der Prozess der Errichtung erzwungener Schwingungen.

    Vorlesung 19. Spannungsresonanz. Spannungen und Ströme bei Resonanz.

    Vorlesung 20. Technische Anwendung von Wechselströmen. Generatoren und Elektromotoren. Dreiphasenstrom.

    Vorlesung 21. Hochfrequenzströme. Hauteffekt. Dicke der Hautschicht.

    Vorlesung 22. Klassische Theorie der elektronischen Leitfähigkeit Drude – Lorentz.

    Vorlesung 23. Halbleiter.

    Lernergebnisse

    Als Ergebnis der Beherrschung der Disziplin muss der Student die grundlegenden Phänomene von Elektrizität und Magnetismus, Methoden ihrer theoretischen Beschreibung und Methoden ihrer Verwendung in physikalischen Geräten kennen und in der Lage sein, Probleme aus dem Abschnitt „Elektromagnetismus“ der allgemeinen Physik zu lösen Kursabschnitt.

    Gebildete Kompetenzen

    Erforderliche Kompetenzen zur Beherrschung der Disziplin: ONK-1, PC-1; Kompetenzen, die sich aus der Beherrschung der Disziplin ergeben: PC-2; ONK-5.

    Zertifikat

    Eine Teilnahmebescheinigung wird in der Regel bei Erreichen von 60 % der Gesamtbewertung ausgestellt, vorbehaltlich der fristgerechten Einreichung der Arbeiten. Bei Erreichen von 90 % der Gesamtbewertung wird in der Regel eine Ehrenurkunde ausgestellt, sofern die Arbeit fristgerecht eingereicht wird.

    Geschichte der Physik: Elektromagnetismus

    Im 18. Jahrhundert wurden die von Gilbert begonnenen Arbeiten zur Elektrifizierung von Körpern fortgesetzt. Zahlreiche in verschiedenen Labors durchgeführte Experimente ermöglichten es, nicht nur neue Materialien zu entdecken, die durch Reibung elektrisiert werden können, sondern auch eine Reihe neuer Eigenschaften dieses Phänomens zu entdecken. Der Engländer Stephen Gray (1670-1735) zeigte, dass sich Elektrizität durch bestimmte Körper ausbreiten kann, d. h. führte die Konzepte von Leiter und Isolator ein. Geräte zur Stromerzeugung wurden verbessert – es entstanden elektrostatische Maschinen, Kondensatoren (Leyden-Glas).

    Das Interesse an neuen Phänomenen breitete sich durch verschiedene Tricks und öffentliche Demonstrationen in der Gesellschaft aus. Franklin führte systematische Studien zu elektrischen Phänomenen durch und formulierte seine Theorie 1747 unter Verwendung des Konzepts einer elektrischen Flüssigkeit, deren Überschuss oder Mangel die Elektrifizierung von Körpern verursacht.

    Franklin Benjamin (17.01.1706-17.04.1790) – US-amerikanischer Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1756), St. Petersburger Akademie der Wissenschaften (1789), prominente politische und öffentliche Persönlichkeit, Copley-Medaille (1753). Geboren in Boston in der Familie eines Unternehmers. Ich habe meine Ausbildung selbständig erhalten. 1727 gründete er seine eigene Druckerei in Philadelphia und 1731 die erste in Amerika. öffentliche Bibliothek, 1743 – Amerikaner Philosophische Gesellschaft(Amerikas erste wissenschaftliche Forschungseinrichtung), 1751 - die University of Pennsylvania. 1737–53 – Postmeister von Pennsylvania, 1753–74 – nordamerikanische Kolonien. Beteiligte sich an der Ausarbeitung der Unabhängigkeitserklärung und der US-Verfassung.

    In den Jahren 1746–54 führte er experimentelle Forschungen zur Elektrizität durch, erklärte die Wirkungsweise des Leydener Glases, baute den ersten Flachkondensator, erfand 1750 einen Blitzableiter, bewies 1753 die Identität von terrestrischer und atmosphärischer Elektrizität und die elektrische Natur des Blitzes. Entwickelte (1750) eine Theorie elektrischer Phänomene und führte die Konzepte der positiven und negativen Elektrizität ein. Er untersuchte die Wärmeleitfähigkeit von Metallen und die Schallausbreitung in Luft und Wasser. Autor zahlreicher Erfindungen (Verwendung von Funken zur Explosion von Schießpulver usw.).

    Franklins Werke wurden von der Royal Society of London als nicht veröffentlichungswürdig eingestuft und von seinem Freund, dem englischen Physiker Peter Collinson (1694-1768), auf eigene Kosten veröffentlicht. Der Erfolg der Veröffentlichung war enorm, und nachdem sein Experiment mit einem Blitzableiter im Jahr 1752 die Gleichwertigkeit eines elektrischen Funkens und eines Blitzes bestätigte, verbreitete sich die wissenschaftliche Begeisterung für die Erforschung elektrischer Phänomene sehr weit. Die Royal Society verlieh Franklin 1753 die Copley-Medaille und wählte ihn 1756 zu ihrem Mitglied.

    Die damals bereits etablierte allgemeine Methodik der wissenschaftlichen Forschung erforderte quantitative Messungen. Und der Begründer der elektrischen Messtechnik war Volta, der auch sehr genaue Elektrometer entwarf.

    Volta Alessandro (18.02.1745-05.03.1827) – italienischer Physiker, Chemiker und Physiologe, Mitglied der Royal Society of London und der Pariser Akademie der Wissenschaften, Copley-Medaille (1794). Geboren in Como in eine Adelsfamilie Adelsfamilie. Er studierte an der Schule des Jesuitenordens. 1774–79 lehrte er Physik am Gymnasium in Como, ab 1779 Professor an der Universität Pavia, 1815–19 Direktor der Philosophischen Fakultät der Universität Padua.

    Arbeitet im Bereich Elektrizität, Molekularphysik. Er entwickelte die Theorie des Leidener Glases (1769), baute einen Harzelektrophor (1775), ein Elektroskop mit Strohhalmen (1781), einen Kondensator (1783), ein Elektrometer und andere Instrumente und beschrieb die Funktionsweise des Telegraphen. Im Jahr 1792 begann L. Galvani mit der Wiederholung von Experimenten mit „tierischer“ Elektrizität und kam zu dem Schluss, dass die Ursache des Kurzzeitstroms das Vorhandensein eines Stromkreises aus zwei Klassen unterschiedlicher Leiter (zwei Metalle und eine Flüssigkeit) war. Ende 1799 entwarf er die erste Quelle für galvanischen Langzeitstrom – eine Voltaiksäule. Er entdeckte (1795) die gegenseitige Elektrisierung unterschiedlicher Metalle bei Kontakt und stellte eine Reihe von Spannungen für Metalle zusammen (1801). Er untersuchte die Wärmeausdehnung von Luft, beobachtete die Diffusion und ermittelte die Leitfähigkeit von Flammen (1787). Entdeckte Methan (1776) und erklärte seine Entstehung durch die Zersetzung tierischer und pflanzlicher Überreste.

    Die Einheit der Spannung, das Volt, ist nach ihm benannt.

    Coulomb führte brillante Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität durch.

    Anhänger Charles Auguste (14.06.1736-23.08.1806) – französischer Physiker und Militäringenieur, Mitglied der Pariser Akademie der Wissenschaften (1803). Geboren in Angoulême in der Familie eines Beamten. Er absolvierte die Militäringenieurschule in Mézières (1761) und leistete anschließend mehrere Jahre Militärdienst auf Martinique, wo er den Aufbau der Flotte überwachte. Nach seiner Rückkehr nach Frankreich diente er im Militäringenieurkorps und widmete sich im Laufe der Zeit immer mehr der wissenschaftlichen Forschung.

    Arbeitet auf dem Gebiet der Mechanik, Elektrizität und Magnetismus. Die erste auf Martinique begonnene wissenschaftliche Arbeit „Über die Anwendung der Regeln der Maxima und Minima auf bestimmte Probleme der Statik im Zusammenhang mit der Architektur“ bestimmte den Fortschritt der Strukturmechanik im 18. und 19. Jahrhundert. Formulierte 1781 die Gesetze der Gleit- und Rollreibung. 1784 erforschte und konstruierte er Torsionswaagen, mit deren Hilfe er 1785 das Grundgesetz der Elektrostatik begründete und 1788 auf die Wechselwirkungen magnetischer Pole erweiterte. Er stellte die Hypothese des Magnetismus auf, wonach magnetische Flüssigkeiten nicht frei sind, sondern mit einzelnen Molekülen verbunden sind, die während des Magnetisierungsprozesses polarisiert werden. Konstruierte ein Magnetometer (1785).

    Die Ladungseinheit, das Pendant, ist nach ihm benannt.

    Coulomb entwarf eine hochempfindliche Torsionsskala, nachdem er zuvor festgestellt hatte, dass die Kraft beim Drehen eines Fadens von der Substanz des Fadens abhängt, proportional zum Drehwinkel und der vierten Potenz des Durchmessers des Fadens ist und umgekehrt proportional zu diesem ist Länge. Mithilfe dieser Skalen stellte Coulomb experimentell fest, dass die Anziehungs- und Abstoßungskräfte von Ladungen umgekehrt proportional zu den Quadraten der Abstände sind. Coulomb postulierte die Proportionalität der Wechselwirkungskraft zum Produkt elektrischer Ladungen, d.h. In vier Jahren intensiver Arbeit von 1785 bis 1789 legte er den Grundstein für die moderne Elektrostatik. Da elektrostatische Kräfte ebenso wie Newtonsche Kräfte vom Abstand abhängen, können hier alle Eigenschaften der Newtonschen Kräfte aus der theoretischen Mechanik genutzt werden.

    Es sei darauf hingewiesen, dass Cavendish 1798 auch mithilfe von Torsionswaagen die Gültigkeit des Gravitationsgesetzes für gewöhnliche (nicht himmlische) Körper bewies.

    Cavendish Henry (10.10.1731-24.02.1810) – englischer Physiker und Chemiker, Mitglied der Royal Society of London (1760). Geboren in Nizza in der Familie eines Lords. Von 1749 bis 1753 studierte er an der Universität Cambridge. Er verbrachte den größten Teil seines Lebens allein und gab sich völlig hin wissenschaftliche Arbeit in unserem eigenen Labor.

    Er veröffentlichte nur Artikel, von denen er völlig überzeugt war, weshalb viele Arbeiten zum Thema Elektrizität unbekannt blieben. Diese 1879 von J. Maxwell veröffentlichten Arbeiten zeigten, dass er bereits 1771 zu dem Schluss kam, dass die Kraft der elektrostatischen Wechselwirkung umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist. Er führte das Konzept der elektrischen Kapazität ein, entdeckte den Einfluss der Umgebung auf die Kapazität eines Kondensators und bestimmte die Dielektrizitätskonstante einer Reihe von Stoffen. 1798 maß er die Anziehungskraft zweier kleiner Kugeln und bestimmte die Gravitationskonstante, die Masse und die durchschnittliche Dichte der Erde. Er gewann 1766 Wasserstoff und bestimmte seine Eigenschaften, stellte die Zusammensetzung von Wasser fest und zeigte, dass es künstlich gewonnen werden kann, und bestimmte den Sauerstoffgehalt in der Luft (1781).

    Schon bei den ersten Fällen von Stromschlägen gab es Spekulationen über „tierische Elektrizität“, den Regulator des tierischen Lebens. Im Jahr 1773 erschienen John Walshs Memoiren über den elektrischen Stachelrochen, und Physiologen stellten eine Hypothese über die „tierische Essenz“ auf, die wie die elektrische Flüssigkeit für die Übertragung von Nervensignalen verantwortlich ist.

    Luigi Galvani, Professor für Anatomie an der Universität Bologna (1737–1798), führte elektrophysiologische Experimente durch und kam zu dem Schluss, dass die Wirkung der Froschmuskelkontraktion durch physiologische und elektrische Einflüsse die gleiche ist. Die Ergebnisse überraschten Volt, besondere Aufmerksamkeit den ein Merkmal des galvanischen Experiments faszinierte: Die Übertragung eines Signals zur Muskelkontraktion durch homogene oder aus verschiedenen Metallen bestehende Leiter erfolgte auf unterschiedliche Weise.

    Volta führte zunächst ein Experiment durch, bei dem ein saurer Geschmack auf der Zunge festgestellt wurde, wenn ein Ende an der Spitze und das andere Ende eines Bogens aus verschiedenen Metallen in der Mitte angebracht wurde. Dann begann er mit rein physikalischen Studien der Kontaktelektrizität und erlangte das Gesetz der Kontaktspannungen, indem er Metalle in einer „Reihe von Spannungen“ anordnete. Daraufhin erfand Volta ein neues Gerät, das er zunächst „künstliche elektrische Orgel“ und dann „elektromotorischen Apparat“ nannte. Die Franzosen begannen später, es „galvanische oder voltaische Säule“ zu nennen.

    Die Erfindung galvanischer Zellen (wesentlich praktischere Stromquellen als elektrostatische Maschinen) erweiterte das Spektrum der Elektrizitätsforschung erheblich. Zunächst wurde die Identität der elektrischen und galvanischen „Flüssigkeiten“ aufgezeigt, deren Unterschied sich zunächst in einer Reihe physiologischer und chemischer Prozesse (elektrischer Schlag, chemische Einwirkung von Strom usw.) manifestierte.

    Schon nach den ersten Untersuchungen auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus entstanden Vermutungen über den Zusammenhang zwischen ihnen. Die Suche nach diesem Zusammenhang intensivierte sich nach der Entdeckung der Coulombschen Gesetze. Das entscheidende Experiment auf diesem Gebiet wurde 1820 von Oersted durchgeführt, der die Ablenkung einer Magnetnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter entdeckte.

    Oersted Hans Christian (14.08.1777–09.03.1851) – dänischer Physiker, ständiger Sekretär der Königlich Dänischen Gesellschaft (seit 1815), Ehrenmitglied der St. Petersburger (1830) und anderer Akademien der Wissenschaften. Geboren in Rudkøbing in der Familie eines Apothekers. Abschluss an der Universität Kopenhagen: Apothekerdiplom (1797), Doktortitel (1799). Ab 1806 war er Professor an dieser Universität und ab 1829 auch Direktor der Polytechnischen Schule Kopenhagen.

    Arbeitet im Bereich Elektrizität, Akustik, Molekularphysik. Für wissenschaftliche Kreativität Oersted zeichnet sich durch die Suche nach Beziehungen zwischen verschiedenen Naturphänomenen aus. Seine Entdeckung der Wirkung von elektrischem Strom auf eine Magnetnadel führte zur Entstehung eines neuen Gebiets der Physik – des Elektromagnetismus. 1822–23 entdeckte er unabhängig von J. Fourier den thermoelektrischen Effekt wieder und baute das erste Thermoelement. Er untersuchte experimentell die Kompressibilität und Elastizität von Flüssigkeiten und Gasen und erfand das Piezometer.

    Er war ein brillanter Dozent und Popularisierer, gründete 1824 die Gesellschaft zur Verbreitung der Naturwissenschaften und gründete das erste Physiklabor in Dänemark.

    Die Einheit der magnetischen Feldstärke, der Oersted, ist nach ihm benannt.

    Eines ist zu beachten wichtige Tatsache in Oersteds Experiment: Der entdeckte Effekt passte nicht in das Newtonsche Konzept der Wechselwirkung, in dem alle Kräfte im Mittelpunkt standen. Im selben Jahr 1820 untersuchten die französischen Physiker Biot und Felix Savard (1791-1836) experimentell die Abhängigkeit des Magnetfelds von der Entfernung vom stromdurchflossenen Leiter zum Beobachtungspunkt. Es gelang ihnen jedoch nicht, eine solche Abhängigkeit in allgemeiner Form zu erreichen. Dieses Problem wurde von Laplace gelöst und das Ergebnis erhielt er Gewohnheitsrecht wird das Bio-Savart-Laplace-Gesetz genannt.

    Gleichzeitig entdeckte Ampere die Wechselwirkung von Strömen, die er elektrodynamisch nannte.

    Ampere Andre Marie (22.01.1775–10.06.1836) – französischer Physiker, Mathematiker und Chemiker, Mitglied der Pariser (1814), St. Petersburger (1830) und anderer Akademien der Wissenschaften. Geboren in Lyon in der Familie eines Geschäftsmannes. Erhielt Heimunterricht. Im Jahr 1801 begann er, an der Zentralschule von Burg Physik und Chemie zu unterrichten. In den Jahren 1805-24 arbeitete er an der Polytechnischen Schule in Paris (ab 1809 - Professor), ab 1824 - Professor am Collège de France.

    Körperliche Arbeit ist dem Elektromagnetismus gewidmet. Er begründete das Gesetz der Wechselwirkung elektrischer Ströme (Ampere-Gesetz) und entwickelte die Theorie des Magnetismus. Nach dieser Theorie reduzieren sich alle magnetischen Wechselwirkungen auf die Wechselwirkung kreisförmiger elektrischer Molekularströme, die jeweils einem flachen Magneten – einer Magnetfolie – entsprechen. Ampere wies als Erster auf den engen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Prozessen hin. Er entdeckte (1822) die magnetische Wirkung einer Stromspule – eines Solenoids, das einem Permanentmagneten entspricht – und brachte die Idee vor, das Magnetfeld durch die Platzierung eines Eisenkerns im Inneren des Solenoids zu verstärken. Im Jahr 1820 schlug er vor, elektromagnetische Phänomene zur Signalübertragung zu nutzen, erfand den Kommutator und den elektromagnetischen Telegraphen. Formulierte das Konzept der „Kinematik“ und führte Forschungen auf dem Gebiet der Philosophie und Botanik durch.

    Nach ihm ist die Stromeinheit Ampere benannt.

    Ampere stellte außerdem die Hypothese auf, dass ein Magnet eine Ansammlung von Strömen sei, und leitete eine Formel für die Wechselwirkung der Stromelemente ab. Die von ihm entwickelte Theorie ermöglichte die Erklärung verschiedener Arten von Wechselwirkungen: magnetostatische, elektromagnetische und elektrodynamische. Die von Oersted, Ampere und anderen Wissenschaftlern durchgeführten Untersuchungen der Wirkung von Magneten auf stromdurchflossene Leiter und die 1821 von Faraday entdeckte Rotation eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld bildeten die Grundlage für die Entwicklung von Galvanometern, die in verschiedenen Modifikationen wurden häufig bei der Untersuchung elektromagnetischer Phänomene eingesetzt.

    Michael Faraday (22.09.1791–25.08.1867) – englischer Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1824), St. Petersburger Akademie der Wissenschaften (1830). Geboren in London in der Familie eines Schmieds. Ab seinem 12. Lebensjahr arbeitete er als Zeitungsausträger, dann als Lehrling in einer Buchbinderei. Ich habe alleine gelernt. 1813 wurde er Assistent von G. Davy an der Royal Institution in London, 1825 Direktor des Labors und ersetzte G. Davy in diesem Amt, 1833-62 Professor der Fakultät für Chemie.

    Arbeiten im Bereich Elektrizität, Magnetismus, Magnetoptik, Elektrochemie. Faradays Entdeckung der Rotation eines Magneten um einen stromdurchflossenen Leiter und eines stromdurchflossenen Leiters um einen Magneten wurde zur Grundlage für ein Labormodell eines Elektromotors und offenbarte deutlich den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen, der letztendlich zu dem führte Entdeckung und Aufstellung der Gesetze der elektromagnetischen Induktion. 1835 entdeckte er Extraströme beim Schließen und Öffnen. Er bewies die Identität verschiedener Arten von Elektrizität: „tierische“, „magnetische“, galvanische, Thermoelektrizität und Elektrizität, die durch Reibung entsteht. Als Ergebnis seiner Arbeiten zur Untersuchung der Natur des elektrischen Stroms in Lösungen von Säuren, Salzen und Laugen entdeckte er 1833 die Gesetze der Elektrolyse (Faradaysche Gesetze), die ein wichtiges Argument für die Diskretion der Elektrizität waren. Führte die Konzepte Mobilität, Kathode, Anode, Ionen, Elektrolyse, Elektrolyte und Elektroden ein und erwarb ein Voltmeter. 1845 entdeckte er den Diamagnetismus, 1847 den Paramagnetismus. Er entdeckte die Drehung der Polarisationsebene des Lichts in einem Magnetfeld (Faraday-Effekt), was ein Beweis für den Zusammenhang zwischen Licht und Magnetismus war und den Beginn der Magnetoptik markierte.

    Faraday war der erste, der das Konzept des Feldes einführte, die Idee elektrischer und magnetischer Kraftlinien. Die Idee eines Feldes veränderte radikal die Vorstellung von Fernwirkung und Raum, die bei Newton und seinen Anhängern existierten, als passiver Behälter für Körper und elektrische Ladungen. 1837 entdeckte er den Einfluss von Dielektrika auf die elektrische Wechselwirkung und führte das Konzept der Dielektrizitätskonstante ein. Er drückte die Idee der Ausbreitung elektrischer und magnetischer Wechselwirkungen durch ein Zwischenmedium aus, die Idee der Einheit der Naturkräfte (verschiedene Energiearten) und ihrer gegenseitigen Transformation.

    Die Kapazitätseinheit Farad ist ihm zu Ehren benannt.

    Frühe Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität konzentrierten sich hauptsächlich auf aktive Elemente – Quellen elektromotorischer Kraft, und passiven Leitern wurde praktisch keine Aufmerksamkeit geschenkt. Ohm führte systematische experimentelle und theoretische Studien zur Leitfähigkeit durch und formulierte 1827 seine Gesetze in Integral- und Differentialformen, wobei er die Konzepte und einführte genaue Definitionen elektromotorische Kraft, elektrische Leitfähigkeit und Strom.

    Ohm Georg Simon (16.03.1789-06.07.1854) – deutscher Physiker, korrespondierendes Mitglied der Berliner Akademie (1839), Mitglied der Turiner und Bayerischen Akademie der Wissenschaften, der Royal Society of London (1842), Copley Medaille (1841). Geboren in Erlangen in der Familie eines Mechanikers. Abschluss an der Universität Erlangen, Doktor der Philosophie (1811). Er unterrichtete Mathematik und dann Physik an mehreren Gymnasien. Ab 1833 - Professor an der Höheren Polytechnischen Schule Nürnberg (ab 1839 - Rektor), 1849-52 - an der Universität München.

    Arbeiten im Bereich Elektrizität, Akustik, Optik. 1826 entdeckte er experimentell das Grundgesetz eines Stromkreises (Ohmsches Gesetz) und leitete es 1827 theoretisch ab. Er stellte fest, dass das Ohr als einfachen Ton nur den Klang wahrnimmt, der durch eine einfache harmonische Schwingung verursacht wird, andere Töne – wie den Hauptton und zusätzliche – Obertöne (Ohmsches akustisches Gesetz).

    Nach ihm ist die Einheit des elektrischen Widerstands, das Ohm, benannt.

    Gleichzeitig führte Ohm seine Arbeit anhand der Analogie des elektrischen Stroms mit Wärmeflüssen des französischen Mathematikers und Physikers Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen durch. Seine Arbeit blieb jedoch zehn Jahre lang unbeachtet. Gleichzeitig mit Ohms Experimenten wurden in Frankreich Forschungen von Antoine Cesar Becquerel (1788-1878) durchgeführt, der die Abhängigkeit des Widerstands von der Länge und dem Querschnitt des Leiters bestimmte, und in England von Peter Barlow (1776-1862). der die Konstanz des Stroms im gesamten Stromkreis bestätigte. Eine Reihe von Privatgesetzen, die zu dieser Zeit unabhängig von Ohm erlassen wurden, fasste Kirchhoff 1845 in seinen Regeln zusammen.

    Die erste praktische Anwendung elektrischer Phänomene in der Telegraphie gab der elektrischen Messung große Impulse. Die Schaffung von Luft- und Unterwassertelegraphen erforderte die Entwicklung neuer Methoden zur elektrischen Messung. Im Jahr 1840 schlug Wheatstone seine Brückenmethode für genaue Widerstandsmessungen vor. Gauß legte den Grundstein für die elektromagnetische Metrik, indem er die drei wichtigsten mechanischen Einheiten (Zeit, Länge und Masse) verwendete und alle anderen durch sie ausdrückte, außerdem entwickelte er eine Reihe neuer Instrumente.

    Gauß Karl Friedrich (30.04.1777-23.02.1855) – deutscher Mathematiker, Astronom und Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1804), Paris (1820) und der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften (1824). Geboren in Braunschweig in der Familie eines Klempners. Er studierte 1795-98 an der Universität Göttingen, erhielt 1799 eine Assistenzprofessur in Braunschweig und war ab 1807 Professor an der Universität Göttingen und Direktor der Sternwarte.

    Arbeitet in vielen Bereichen der Physik. 1832 schuf er das absolute Maßsystem; 1833 baute er zusammen mit V. Weber den ersten elektromagnetischen Telegraphen in Deutschland. 1839 im Aufsatz „ Allgemeine Theorie Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung wirken“ legten die Grundlagen der Potentialtheorie (Ostrogradsky-Gauss-Theorem) fest. 1840 entwickelte er in der Arbeit „Dioptric Research“ die Theorie der Konstruktion komplexer optischer Bilder 1845 kam er auf die Idee der Endlichkeit der Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkungen. 1829 formulierte er das Prinzip der geringsten Beschränkung (Gauss-Prinzip). der nichteuklidischen Geometrie.

    Die Einheit der magnetischen Induktion – Gauß – ist nach ihm benannt.

    Die Arbeiten zur Metrologie wurden von den deutschen Physikern Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) und Maxwell fortgeführt. Daraus entstand die Idee, ein einheitliches Maßsystem zu schaffen und 1881 führte der Internationale Kongress in Paris internationale Maßeinheiten ein.

    Einen großen Beitrag zur Entwicklung des Elektromagnetismus leistete die Arbeit von Michael Faraday. Einer der führenden philosophische Ideen Die Physik des 19. Jahrhunderts besagte, dass alle physikalischen Phänomene Manifestationen desselben Wesens seien. Diesem Prinzip folgend entdeckte Faraday 1831 das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Er schlug eine Theorie dieses Phänomens vor, indem er zunächst die Konzepte magnetischer Kraftlinien und elektromagnetischer Felder einführte und die Idee der zeitlichen Ausbreitung magnetischer Störungen zum Ausdruck brachte. Im Jahr 1833 entdeckte der amerikanische Physiker Joseph Henry (1797–1878) das Phänomen der Selbstinduktion und der russische Wissenschaftler Emil Christianovich Lenz (1804–1865) formulierte 1834 seine Regel zur Richtung von Induktionsströmen.

    Mitte der 40er Jahre entwickelten die deutschen Wissenschaftler Franz Ernst Neumann (1798-1895), Weber und Helmholtz Induktionstheorien, die berücksichtigen, dass die Wechselwirkung elektrischer Ladungen sowohl vom Abstand zwischen ihnen als auch von der Geschwindigkeit abhängt.

    1833-34 Faraday stellte die Grundgesetze der Elektrolyse auf und legte damit den Grundstein für die Elektrochemie. Er bewies auch experimentell, dass sich elektrische Wirkung nicht nur entlang gerader Linien, sondern auch entlang gekrümmter Linien ausbreitet und dass das Zwischenmedium diese Wirkung maßgeblich beeinflusst. Damit bestätigte er, dass die Wechselwirkung zweier Körper durch das Medium erfolgt und nicht gemäß der Theorie der Fernwirkung, die in den einfachsten Modellen zur mathematischen Interpretation von Phänomenen verwendet wurde.

    Als Ergebnis von Experimenten mit Kugelkondensatoren mit verschiedenen Isolierpads formulierte Faraday seine Theorie der dielektrischen Polarisation, die vom italienischen Physiker Ottaviano Fabrizio Mossotti (1791-1863) entwickelt wurde.

    Als Faraday 1845 Licht durch einen Elektromagneten schickte, entdeckte er eine Drehung der Polarisationsebene, die er mit dem Vorhandensein magnetischer Felder im Licht erklärte. Er entdeckte auch das Phänomen des Diamagnetismus.

    Neben zahlreichen experimentellen Entdeckungen bringt Faraday am Ende seines Lebens im Kampf gegen atomistische Vorstellungen über die Kontinuität nur des Raumes eine originelle Idee vor: Er entwickelt das Konzept von Boscovich und führt das Konzept des Feldes ein. Er sagt, dass Materie nicht nur durchdringbar ist, sondern dass sich jedes Atom im gesamten Sonnensystem ausdehnt und dabei sein eigenes Zentrum behält.

    Auch die praktische Bedeutung von Faradays Entdeckungen ist groß, denn Alle Maschinen in der modernen Elektroindustrie – Generatoren (der erste Stromgenerator wurde von Faraday selbst entwickelt), Transformatoren, Elektromotoren – basieren auf elektromagnetischer Induktion. Dazu gehört auch das Telefon.

    In den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts galt die Elektrodynamik dank der Arbeiten von Neumann, Weber und Helmholtz als eine ausgereifte Wissenschaft mit klar definierten Grenzen. Jedoch originelle Ideen Faraday interessierte Maxwell und er beschloss, ihnen eine mathematische Form zu geben. Maxwell führte die Konzepte der Verschiebungsströme und Feldstärken ein und entwickelte zunächst die Elektrodynamik von Dielektrika unter Verwendung der Theorie von Mossotti. Er erweitert diese Ideen durch Ergänzungen zum Magnetismus und entwickelt die Theorie der elektromagnetischen Induktion. Infolgedessen läuft die gesamte Konstruktion auf die berühmten sechs Gleichungen von Maxwell hinaus. Diese Gleichungen stellen die Kontinuität von Phänomenen her und bestimmen Änderungen im Feld, im Gegensatz zum Newtonschen Modell, bei dem Gesetze Änderungen im Verhalten materieller Teilchen bestimmen. Sie verbinden räumlich und zeitlich benachbarte Ereignisse. Viele sahen in Maxwells Theorie eine Reihe logischer Fehler und Inkonsistenzen. Aber es erklärte viel, und bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hielten die größten Physiker an der von Hertz geäußerten Meinung fest: Es ist notwendig, die Maxwell-Gleichungen als Hypothese zu akzeptieren, als Postulate, auf denen die gesamte Theorie des Elektromagnetismus basieren wird.

    Hertz Heinrich Rudolf (22.02.1857-01.01.1894) – deutscher Physiker, korrespondierendes Mitglied der Berliner Akademie der Wissenschaften (1889), Mitglied mehrerer Akademien der Wissenschaften und wissenschaftliche Gesellschaften, Auszeichnungen der Wiener, Pariser, Turiner Akademie der Wissenschaften, der Royal Society of London usw. Geboren in Hamburg in der Familie eines Anwalts. Er schloss sein Studium an der Universität Berlin ab, promovierte (1880) und war Assistent von G. Helmholtz. Ab 1883 - Privatdozent an der Universität Kiel, 1885-89 - Professor an der Höheren Technischen Schule in Karlsruhe, ab 1889 - an der Universität Bonn.

    Die Hauptwerke beziehen sich auf Elektrodynamik und Mechanik. Im Jahr 1887 schlug er in seinem Werk „On Very Fast Electric Oscillations“ einen erfolgreichen Entwurf für einen Generator elektromagnetischer Schwingungen (Hertz-Vibrator) und eine Methode zu deren Erkennung (Hertz-Resonator) vor und entwickelte zunächst die Theorie eines Vibrators, der elektromagnetische Wellen aussendet im Weltraum. Er bewies experimentell die Existenz elektromagnetischer Wellen, die sich im freien Raum gemäß Maxwells Theorie ausbreiten. Er gab den Gleichungen der Elektrodynamik eine symmetrische Form, die den vollständigen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen (Maxwell-Hertz-Elektrodynamik) deutlich machte. 1887 beobachtete er den externen photoelektrischen Effekt und stellte fest, dass die elektrische Entladung intensiver war, wenn die Elektroden mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurden. In seinem Werk „Über den Durchgang von Kathodenstrahlen durch dünne Metallschichten“ (1891) entdeckte er die Durchlässigkeit von Metallen für Kathodenstrahlen und legte damit den Grundstein für die Erforschung dieser Strahlen und der Struktur der Materie. Er baute die Mechanik mit der Einführung nichtholonomer Zusammenhänge, der Interpretation eines mechanischen Systems als System, auf eine große Anzahl Freiheitsgrade und Anwendung des Prinzips des kürzesten Weges oder der geringsten Krümmung.

    Die Frequenzeinheit Hertz ist nach ihm benannt.

    Basierend auf seinen Gleichungen und Faradays Vorstellungen über die Natur des Lichts entwickelt Maxwell eine elektromagnetische Theorie des Lichts, die die Ausbreitung transversaler elektromagnetischer Wellen beschreibt. Weitere Voraussetzungen dafür haben Weber und Kirchhoff auch bei der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Induktion durch einen Draht gewonnen: Sie erwies sich als gleich der Lichtgeschwindigkeit. Zu diesem Zeitpunkt wurden Schwingungen der elektrischen Entladung eines Kondensators in einem Stromkreis mit einer Induktionsspule entdeckt und untersucht, und 1884 zeigte Hertz, dass diese Schwingungen im Raum das Auftreten von Wellen verursachen, die aus elektrischen und magnetischen Schwingungen bestehen, die senkrecht zueinander polarisiert sind andere. Er entdeckte auch die Reflexion, Brechung und Interferenz solcher Wellen. Eine wichtige Bestätigung der elektromagnetischen Theorie waren die Experimente des russischen Physikers Pjotr ​​​​Nikolajewitsch Lebedew (1866-1912), der im Jahr 1900 den Wert des Lichtdrucks in voller Übereinstimmung mit Maxwells Theorie maß.

    Der italienische Physiker Augusto Righi (1850-1920) entwickelte diese Arbeiten und ihre Ergebnisse fasste er 1897 in dem Buch „Optics of Electrical Phenomena“ zusammen, dessen Name schon vom revolutionären Charakter einer solchen Schlussfolgerung in der Entwicklung spricht Physik.

    Eines der bemerkenswertesten Ergebnisse praktische Anwendung elektromagnetische Wellen war die Erfindung der Radiotelegraphie im Jahr 1895 durch Popov und den italienischen Forscher Guglielmo Marconi (1874-1937).

    Popov Alexander Stepanovich (16.03.1859-13.01.1906) - russischer Physiker und Elektroingenieur. Geboren im Dorf Turinskie Rudniki (Provinz Jekaterinburg) in der Familie eines Priesters. Abschluss an der Universität St. Petersburg (1882). Von 1883 bis 1901 lehrte er an militärischen Institutionen in Kronstadt. Seit 1901 - Professor am St. Petersburger Elektrotechnischen Institut (seit 1905 - Rektor).

    Arbeiten im Bereich Elektrotechnik und Funktechnik. 1888 wiederholte er die Experimente von G. Hertz und wies 1889 erstmals auf die Möglichkeit hin, elektromagnetische Wellen zur Signalübertragung zu nutzen. 1894 entwarf er einen Generator elektromagnetischer Schwingungen und einen Empfänger mit einem empfindlichen Element – ​​einem Kohärenter – und erfand auch die erste Empfangsantenne. Er stellte fest, dass der Antennenempfänger auf Blitzentladungen reagiert und entwickelte einen Blitzdetektor. Am 7. Mai 1895 stellte er seinen Blitzdetektor auf einer Sitzung der Physikabteilung der Russischen Physikochemischen Gesellschaft vor und äußerte die Idee, ihn zur Übertragung von Signalen über eine Entfernung zu nutzen. Bei einem Treffen am 24. März 1896 demonstrierte er die Übertragung von Signalen über eine Entfernung von 250 m. Etwas später entwickelte G. Marconi ähnliche Geräte, führte Experimente damit durch und legte den Grundstein für die weit verbreitete Nutzung der Funkkommunikation 1909 für diese Arbeit erhalten Nobelpreis, als Popov bereits gestorben war. 1897 entdeckte er die Reflexion elektromagnetischer Wellen von Objekten (Schiffen), die sich auf ihrem Ausbreitungsweg befanden, was die Grundlage für das Radar bildete.

    Damit war der Aufbau der klassischen Physik Ende des 19. Jahrhunderts im Wesentlichen abgeschlossen.

    Referenzen

    Zur Vorbereitung dieser Arbeit wurden Materialien von der Website http://lscore.lspace.etu.ru/ verwendet

    Phänomene, die aus der Wechselwirkung von Elektrizität und Magnetismus entstehen, werden Elektromagnetismus genannt.

    Entdeckung des Elektromagnetismus

    Hans Christian Oersted

    Als Entdecker des Elektromagnetismus gilt der dänische Physiker Hans Christian Ørsted, der die Wirkung von elektrischem Strom auf einen Magneten entdeckte.

    Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts ging niemand davon aus, dass Elektrizität und Magnetismus in irgendeiner Weise zusammenhängen. Und selbst die Zweige der Physik, in denen sie betrachtet wurden, waren unterschiedlich. Den Beweis für die Existenz eines solchen Zusammenhangs erlangte Oersted 1820 während eines Experiments im Rahmen einer Vorlesung an der Universität. Auf dem Experimentiertisch neben dem Stromleiter befand sich ein Magnetkompass. Im Moment des Schließens des Stromkreises weicht die Magnetnadel des Kompasses von ihrer ursprünglichen Position ab. Oersted wiederholte das Experiment und kam zum gleichen Ergebnis.

    Oersteds Erfahrung

    In anschließenden Experimenten zog der Wissenschaftler einen Metalldraht zwischen zwei Pfosten. Darunter befand sich die Magnetnadel. Bevor Strom durch den Draht geleitet wurde, war der Pfeil von Norden nach Süden ausgerichtet. Nach dem Schließen des Stromkreises wurde dieser senkrecht zum Kabel installiert. Die Experimente wurden unter unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt. Die Magnetnadel wurde unter eine Kappe gesetzt, aus der Luft abgepumpt wurde. Doch unabhängig von der Umgebung weicht er hartnäckig von seiner ursprünglichen Position ab, sobald Strom durch den Leiter fließt. Dies bedeutete, dass auf eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters befand, Kräfte einwirkten, die dazu neigten, sie zu drehen. Oersted fand dafür eine Erklärung. Er schlug vor, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Damit wurde der Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen experimentell entdeckt.

    Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters

    Stromleitungen aus Leitern mit Strom

    Wie das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist auch das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters durch Kraftlinien gekennzeichnet.

    Wenn ein gerader, stromführender Leiter durch ein Loch in einem Karton geführt wird, auf dem kleine Eisen- oder Stahlspäne verstreut sind, bilden sie konzentrische Kreise, deren Mittelpunkt auf der Achse des Leiters liegt. Diese Kreise stellen die magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters dar.

    Gibt man dem Leiter jedoch eine andere Form, ergibt sich ein anderes Bild.

    Magnetfeld einer Stromspule

    Magnetmagnetfeld

    Indem wir einen stromdurchflossenen Leiter spiralförmig biegen, erhalten wir Magnet (vom griechischen „Pfeife“). Die Kraftlinien des von ihm erzeugten Magnetfeldes sind geschlossene Linien. Meistens befinden sie sich innerhalb der Kurven.

    Wenn Sie den isolierten Draht so um den Rahmen wickeln, dass die Windungen nahe beieinander liegen, erhalten Sie eine Spule. Wenn Strom durch sie fließt, entsteht ein Magnetfeld und die Spule beginnt, Metallgegenstände anzuziehen. Diese Anziehungskraft wird durch das Einführen eines Stahl- oder Eisenstabs in die sogenannte Spule erheblich verstärkt Kern . Der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das den Kern magnetisiert. Das Magnetfeld des Kerns addiert sich dann zum Magnetfeld des Magneten selbst und verstärkt es dadurch. Eine Spule mit einem Kern wird genannt Elektromagnet .

    Einfachgrößter Elektromagnet

    Das Magnetfeld eines Elektromagneten kann durch Erhöhen oder Verringern des Stroms oder der Windungszahl in der Wicklung angepasst werden. Jede Drehung erzeugt ein eigenes Magnetfeld. Und je mehr Windungen ein Elektromagnet hat, desto stärker ist sein Feld. Reduziert man dementsprechend die Windungszahl, wird das Magnetfeld geschwächt.

    Der erste Elektromagnet wurde 1825 vom englischen Ingenieur William Sturgeon entwickelt. Sein Gerät war ein gebogener Stab aus Weicheisen, der mit Lack überzogen war, um ihn vom Draht zu isolieren. Um den Stab wurde ein dicker Kupferdraht gewickelt.

    Zeichnung des Elektromagneten von Sturgeon

    In modernen Elektromagneten bestehen die Kerne aus Ferromagneten – Substanzen, die bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts eine hohe Magnetisierung aufweisen, selbst wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Zum Wickeln wird isolierter Aluminium- oder Kupferdraht verwendet.

    Anwendung von Elektromagneten

    Elektromagnetischer Wasserhahn

    Typischerweise ist ein Elektromagnet eine um einen ferromagnetischen Kern gewickelte Drahtspule. Der Kern hat möglicherweise das meiste verschiedene Formen. Es ist Teil eines Magnetkreises, durch den ein durch einen elektrischen Strom angeregter magnetischer Fluss fließt. Der andere, bewegliche Teil des Magnetkreises ist der Anker, der die Kraft überträgt.

    Elektromagnete werden in verschiedenen elektrischen Geräten, Telefonen, Autos, Fernsehern, elektrischen Klingeln usw. verwendet. Mit einem Elektromagneten können Sie schwere Metallteile und Gegenstände anziehen, halten und bewegen, magnetische und nichtmagnetische Substanzen sortieren, elektromagnetische Kräne verwenden und Maschinen mit Magnettischen, auf denen das Produkt mit Elektromagneten befestigt wird. In der Medizin werden sie zur Entfernung von Metallspänen eingesetzt, die ins Auge gelangt sind.

    Parallelleiter in einem Magnetfeld

    Leiter, die Strom in einem Magnetfeld führen

    Als Fortsetzung von Oersteds Forschungen bestätigte Ampere die magnetische Wirkung von elektrischem Strom und entdeckte, dass stromführende Leiter miteinander interagieren. Darüber hinaus, Wenn Ströme in parallelen Leitern in die gleiche Richtung fließen, ziehen sich die Leiter gegenseitig an. Wenn Dasselbe Ist die Stromrichtung in solchen Leitern entgegengesetzt, stoßen sie sich ab. Darüber hinaus entwickelte Ampere ein später nach ihm benanntes Gesetz (Ampere-Gesetz), mit dem man die Größe der Kraft bestimmen kann, mit der Leiter auf den Strom einwirken.

    Es sei darauf hingewiesen, dass Ampere einen Leiter in einem Magnetfeld untersuchte, das nicht von einem Permanentmagneten, sondern von einem anderen stromführenden Leiter erzeugt wurde.

    Zwei parallele, stromführende Leiter interagieren mit einer Kraft, die proportional zur Größe der Ströme in Elementarsegmenten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen ist.

    Ampère kombinierte Elektrizität und Magnetismus und nannte das neue Gebiet der Physik Elektrodynamik.

    Die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter

    Stromführender Leiter in einem Magnetfeld

    Oersteds Experiment demonstriert die Wirkung von elektrischem Strom auf einen Magneten. Aber kann ein Magnet eine Wirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter ausüben? Es stellt sich heraus, ja.

    Hängen wir einen Leiter zwischen die Pole eines Permanentmagneten. Sobald Strom durch ihn fließt, wird der Leiter in den Magneten hineingezogen oder aus ihm herausgedrückt, abhängig von der Richtung des Stroms und der Lage der Pole des Magneten. Die auf einen Leiter wirkende Kraft heißt Amperekraft . Sein Wert hängt vom Strom ab ICH , Länge eines Leiterabschnitts in einem Magnetfeld l , Größe der Magnetfeldinduktion B und Winkelwerte α zwischen der Richtung des Stroms und dem magnetischen Induktionsvektor:

    F= ICH l ·B·sinα

    Wie wir sehen, höchsten Wert Kraft tritt auf, wenn der Leiter so angeordnet ist, dass die Richtung des Stroms darin senkrecht zur Richtung des magnetischen Induktionsvektors verläuft. In diesem Fallsinα = 1 .

    Wenn die Richtungen des Stroms und des magnetischen Induktionsvektors übereinstimmen, ist die Amperekraft Null und das Magnetfeld wirkt in diesem Fall nicht auf den stromdurchflossenen Leiter.

    Die Richtung der Ampere-Kraft wird mit der Linke-Hand-Regel bestimmt: Wenn der stromdurchflossene Leiter so positioniert ist, dass die magnetischen Feldlinien in die Handfläche der linken Hand eintreten und die Richtung des Stroms mit der Richtung von 4 Fingern übereinstimmt, zeigt der gebogene Daumen die Richtung der Ampere-Kraft an.

    Die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Rahmen

    Rahmen mit Strom in einem Magnetfeld

    Elektrischer Strom ist immer geschlossen, daher kann ein gerader Leiter als Teil eines Stromkreises betrachtet werden.

    Wie verhält sich ein geschlossener Stromkreis in einem Magnetfeld?

    Wenn anstelle eines flexiblen Leiters ein in Form eines starren Rahmens gebogener Draht zwischen die Pole eines Magneten gelegt wird, wird ein solcher Rahmen im ersten Moment parallel zur Verbindungslinie der Pole des Magneten installiert. In diesem Moment verläuft der magnetische Induktionsvektor parallel zu den beiden Seiten des Rahmens und befindet sich in seiner Ebene. Nach dem Einschalten des Stroms beginnt sich der Rahmen zu drehen und positioniert sich so, dass die magnetischen Feldlinien seine Ebene durchdringen.

    Die Drehung des Rahmens wird durch die Einwirkung von Ampere-Kräften auf ihn erklärt.

    Jede Seite des Rahmens kann einzeln als stromführender Leiter betrachtet werden. Nach dem Ampere-Gesetz wirkt auf sie die Ampere-Kraft. Seine Richtung wird mit der Linke-Hand-Regel bestimmt.

    Offensichtlich sind die Kräfte, die auf gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Rahmens wirken, aufgrund der unterschiedlichen Richtung der Ströme in ihnen gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.

    Auf die Seiten des Rahmens, die parallel zu den magnetischen Induktionslinien liegen, wirken keine Kräfte, da der Winkel α zwischen dem magnetischen Induktionsvektor und der Stromrichtung ist daher 0 sinα ist auch Null.

    Der Winkel zwischen dem Induktionsvektor und der Stromrichtung an den vertikalen Seiten des Rahmens beträgt 90 °. Somit, sinα = 1, und der Modul der auf jeden von ihnen wirkenden Kraft ist gleich

    F = ICH · B·a , Wo A – Länge der Rahmenseite.

    Die Kräfte erzeugen ein Drehmoment, dessen skalare Größe gleich ist

    M = ICH · S · B

    Unter dem Einfluss dieses Moments beginnt sich der Rahmen zu drehen. Zu jeder Zeit dazwischen M = ICH · S · B · sinβ , Wo β – der Winkel zwischen dem magnetischen Induktionsvektor und der Normalen (senkrechten) zur Rahmenebene. Beim Drehen ändert sich dieser Winkel, die Größe der Kraft nimmt ab und der Rahmen nimmt allmählich eine Position senkrecht zum magnetischen Induktionsvektor ein. In diesem Fall wird das Drehmoment Null. ( M = 0 ) .

    Der Betrieb eines einfachen Elektromotors basiert auf dem Prinzip, einen Rahmen mit Strom in einem Magnetfeld zu drehen. Wenn Sie den Strom zu einem Zeitpunkt abschalten, an dem der Rahmen noch keine stabile Position erreicht hat, dreht er sich aufgrund der Trägheit und stoppt. Wenn der Strom eingeschaltet wird, beginnt er wieder zu rotieren. Durch das Ein- und Ausschalten des Stroms im richtigen Moment können Sie eine kontinuierliche Drehung des Rahmens erreichen. Der Betrieb des einfachsten Gleichstrom-Elektromotors basiert auf diesem Prinzip.

    Damit sich der Rahmen kontinuierlich dreht, ist es notwendig, dass jede halbe Umdrehung Strom fließt. In einer Engine wird diese Funktion von einem aufgerufenen Gerät ausgeführt Kollektor . Es besteht aus zwei Metallhalbringen. An ihnen werden die Enden des Rahmens angelötet. Wenn der Strom angeschlossen ist, macht der Rahmen eine halbe Umdrehung. Die Halbringe des Kollektors drehen sich mit. Dadurch wechseln die Kontakte des Rahmens, der darin fließende Strom ändert seine Richtung und der Rahmen dreht sich ununterbrochen weiter.

    Gleichstrommotoren werden in elektrischen Traktionsantrieben von Elektrolokomotiven, Straßenbahnen, Diesellokomotiven und Motorschiffen eingesetzt. Ein Elektroauto-Starter ist ebenfalls ein Gleichstrommotor. Mikromotoren treiben Kinderspielzeug, Elektrowerkzeuge, Computergeräte, Nähmaschinen, Staubsauger, Bohrmaschinen usw. an.



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