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Der erste Hauptsatz des Elektromagnetismus beschreibt den Fluss eines elektrischen Feldes:

wobei ε 0 eine Konstante ist (lesen Sie Epsilon Null). Wenn es keine Ladungen innerhalb der Oberfläche gibt, aber Ladungen außerhalb (sogar sehr nahe daran), dann egal Durchschnitt die Normalkomponente von E ist Null, also gibt es keine Strömung durch die Oberfläche. Um die Nützlichkeit einer solchen Aussage zu zeigen, beweisen wir, dass Gleichung (1.6) mit dem Coulombschen Gesetz übereinstimmt, wenn wir nur berücksichtigen, dass das Feld einer einzelnen Ladung kugelsymmetrisch sein muss. Zeichne eine Kugel um eine Punktladung. Dann ist die mittlere Normalkomponente an jedem Punkt genau gleich dem Wert von E, denn das Feld muss entlang des Radius gerichtet sein und an allen Punkten der Kugel den gleichen Betrag haben. Unsere Regel besagt dann, dass das Feld auf der Kugeloberfläche multipliziert mit der Kugelfläche (also der aus der Kugel fließende Fluss) proportional zur Ladung in ihr ist. Vergrößert man den Radius einer Kugel, so vergrößert sich ihre Fläche quadratisch zum Radius. Das Produkt der durchschnittlichen Normalkomponente des elektrischen Feldes und dieser Fläche muss immer noch gleich der inneren Ladung sein, also muss das Feld mit dem Quadrat der Entfernung abnehmen; somit wird das Feld der "inversen Quadrate" erhalten.

Nimmt man eine beliebige Kurve im Raum und misst entlang dieser Kurve die Zirkulation des elektrischen Feldes, so stellt sich heraus, dass diese im allgemeinen Fall nicht gleich Null ist (obwohl dies beim Coulomb-Feld der Fall ist). Stattdessen gilt der zweite Hauptsatz für Elektrizität und besagt dies

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

Und für die Oberfläche S, begrenzte Kurve AUS:

Die in Gleichung (1.9) auftretende Konstante c 2 ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Sein Auftreten wird dadurch gerechtfertigt, dass der Magnetismus im Wesentlichen eine relativistische Manifestation der Elektrizität ist. Und die Konstante ε 0 wurde gesetzt, damit die üblichen Einheiten der Stromstärke entstehen.

Gleichungen (1.6) - (1.9) sowie Gleichung (1.1) - das sind alles Gesetze der Elektrodynamik. Wie Sie sich erinnern, waren die Newtonschen Gesetze sehr einfach zu schreiben, aber viele komplexe Konsequenzen folgten aus ihnen, so dass es lange dauerte, sie alle zu studieren. Die Gesetze des Elektromagnetismus sind ungleich schwieriger zu schreiben, und wir müssen damit rechnen, dass die Folgen davon viel komplizierter sein werden, und jetzt werden wir sie sehr lange verstehen müssen.

Wir können einige der Gesetze der Elektrodynamik mit einer Reihe einfacher Experimente veranschaulichen, die uns zumindest qualitativ die Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern zeigen können. Den ersten Term in Gleichung (1.1) lernst du kennen, indem du deine Haare kämmst, also reden wir nicht darüber. 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 Tatsache, dass eine Kraft auf ihn wirkt F = qvXB. Wenn ein Strom durch den Draht fließt, bewegen sich die Ladungen darin, dh sie haben eine Geschwindigkeit v, und das Magnetfeld des Magneten wirkt auf sie, wodurch sich der Draht wegbewegt.

Wenn der Draht nach links geschoben wird, kann erwartet werden, dass der Magnet selbst einen Schub nach rechts erfährt. (Andernfalls könnte dieses ganze Gerät auf einer Plattform montiert werden und ein reaktives System erhalten, in dem der Impuls nicht erhalten würde!) Obwohl die Kraft zu gering ist, um die Bewegung eines Magnetstabs zu bemerken, sagen wir die Bewegung eines empfindlicheren Geräts eine Kompassnadel, ist ziemlich auffällig.

Wie drückt der Strom im Draht den Magneten? Der durch den Draht fließende Strom erzeugt um ihn herum ein eigenes Magnetfeld, das auf den Magneten wirkt. Gemäß dem letzten Term in Gleichung (1.9) soll der Strom zu führen ZirKationen Vektor B; in unserem Fall sind die Feldlinien B um den Draht geschlossen, wie in Abb. 1.7. Dieses Feld B ist für die auf den Magneten wirkende Kraft verantwortlich.

Gleichung (1.9) sagt uns, dass für eine gegebene Strommenge, die durch den Draht fließt, die Zirkulation des Feldes B gleich ist für irgendein Kurve, die den Draht umgibt. Die weit vom Draht entfernten Kurven (z. B. Kreise) haben eine größere Länge, sodass die Tangentenkomponente B abnehmen muss. Sie können sehen, dass erwartet werden sollte, dass B linear mit dem Abstand von einem langen geraden Draht abnimmt.

Wir sagten, dass der Strom, der durch den Draht fließt, ein Magnetfeld um ihn herum bildet, und dass, wenn es ein Magnetfeld gibt, es mit einer gewissen Kraft auf den Draht wirkt, durch den der Strom fließt. Man sollte also denken, wenn ein Magnetfeld durch einen Strom erzeugt wird, der in einem Draht fließt, dann wirkt es mit einer gewissen Kraft auf den anderen Draht, durch den der Strom ebenfalls fließt. Dies kann an zwei frei hängenden Drähten gezeigt werden (Abb. 1.8). Wenn die Richtung der Ströme gleich ist, ziehen sich die Drähte an, und wenn die Richtungen entgegengesetzt sind, stoßen sie sich ab.

Kurz gesagt, elektrische Ströme erzeugen wie Magnete Magnetfelder. Aber was ist dann ein Magnet? Da Magnetfelder durch bewegte Ladungen erzeugt werden, kann es sich nicht herausstellen, dass das von einem Stück Eisen erzeugte Magnetfeld tatsächlich das Ergebnis der Wirkung von Strömen ist? Anscheinend ist das so. In unseren Experimenten ist es möglich, den Magnetstab durch eine Spule aus gewickeltem Draht zu ersetzen, wie in Abb. 1.9. Wenn der Strom durch die Spule fließt (sowie durch einen geraden Draht darüber), wird genau die gleiche Bewegung des Leiters beobachtet wie zuvor, als ein Magnet anstelle der Spule war. Alles sieht so aus, als würde in einem Stück Eisen ständig ein Strom zirkulieren. Tatsächlich können die Eigenschaften von Magneten als 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 Ströme? Eine Quelle ist die Bewegung von Elektronen in Atombahnen. Bei Eisen ist dies nicht der Fall, aber bei manchen Materialien liegt der Ursprung des Magnetismus genau darin. Das Elektron dreht sich nicht nur um den Kern eines Atoms, sondern auch um seine eigene Achse (ähnlich wie die Rotation der Erde); Aus dieser Rotation entsteht ein Strom, der ein Magnetfeld aus Eisen erzeugt. (Wir sagten „etwas wie die Rotation der Erde“, weil das Thema in der Quantenmechanik tatsächlich so tiefgreifend ist, dass es nicht gut in klassische Konzepte passt.) In den meisten Substanzen drehen sich einige Elektronen in eine Richtung und andere im anderen, so dass der Magnetismus verschwindet, und im Eisen (aus einem mysteriösen Grund, den wir später besprechen werden) drehen sich viele Elektronen so, dass ihre Achsen in die gleiche Richtung zeigen, und dies ist die Quelle des Magnetismus.

Da die Felder von Magneten durch Ströme erzeugt werden, müssen keine zusätzlichen Terme in die Gleichungen (1.8) und (1.9) eingefügt werden, die die Existenz von Magneten berücksichtigen. Bei diesen Gleichungen geht es um alle Ströme, einschließlich kreisförmiger Ströme von rotierenden Elektronen, und das Gesetz erweist sich als richtig. Zu beachten ist auch, dass es nach Gleichung (1.8) auf der rechten Seite von Gleichung (1.6) keine den elektrischen Ladungen ähnlichen magnetischen Ladungen gibt. Sie wurden nie entdeckt.

Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (1.9) wurde theoretisch von Maxwell entdeckt; er ist sehr wichtig. Er sagt Veränderung elektrisch Felder verursacht magnetische Phänomene. Tatsächlich würde die Gleichung ohne diesen Begriff ihre Bedeutung verlieren, da ohne ihn die Ströme in offenen Kreisen verschwinden würden. Aber tatsächlich gibt es solche Strömungen; das folgende Beispiel spricht davon. Stellen Sie sich einen Kondensator vor, der aus zwei flachen Platten besteht. Es wird durch Strom aufgeladen, der in eine der Platten fließt und aus der anderen herausfließt, wie in Abb. 1.10. Zeichne eine Kurve um einen der Drähte AUS und ziehen Sie eine Fläche (Fläche S 1) darauf, die den Draht kreuzt. Gemäß Gleichung (1.9) die Zirkulation des Feldes B entlang der Kurve AUS ergibt sich aus der Stromstärke im Draht (multipliziert mit ab 2). Aber was passiert, wenn wir an der Kurve ziehen Ein weiterer auftauchen S 2 in Form eines Bechers, dessen Boden sich zwischen den Platten des Kondensators befindet und den Draht nicht berührt? Durch eine solche Fläche fließt natürlich kein Strom. Aber eine einfache Änderung der Position und Form einer imaginären Oberfläche sollte das reale Magnetfeld nicht ändern! Die Auflage von Feld B muss 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 S1 und S 2 tritt der gleiche Effekt auf. Zum S 2 Die Zirkulation des Vektors B wird als Grad der Änderung des Flusses des Vektors E von einer Platte zur anderen ausgedrückt. Und es stellt sich heraus, dass die Änderung von E gerade so mit dem Strom verbunden ist, dass Gleichung (1.9) erfüllt ist. Maxwell sah die Notwendigkeit dafür und war der erste, der die vollständige Gleichung aufstellte.

Mit dem in Abb. 1.6 lässt sich ein weiteres Gesetz des Elektromagnetismus demonstrieren. Trennen Sie die Enden des hängenden Drahts von der Batterie und befestigen Sie sie an einem Galvanometer - einem Gerät, das den Stromfluss durch den Draht aufzeichnet. Steht nur im Feld eines Magneten schwingen Draht, da der Strom sofort hindurchfließt. Dies ist eine neue Folgerung 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 ergibt zusammen mit dem vertikal gerichteten Feld B des Magneten eine auf die Elektronen wirkende Kraft eine lange Drähte, und die Elektronen werden zum Galvanometer geschickt.

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

Die bemerkenswerteste Konsequenz unserer Gleichungen ist, dass man durch Kombinieren der Gleichungen (1.7) und (1.9) verstehen kann, warum sich elektromagnetische Phänomene über große Entfernungen ausbreiten. Der Grund dafür ist grob gesagt ungefähr so: Angenommen, es gibt irgendwo ein Magnetfeld, das an Stärke zunimmt, beispielsweise weil plötzlich ein Strom durch den Draht fließt. Dann folgt aus Gleichung (1.7), dass die Zirkulation des elektrischen Feldes erfolgen soll. Wenn das elektrische Feld allmählich ansteigt, damit eine Zirkulation auftritt, dann muss gemäß Gleichung (1.9) auch eine magnetische Zirkulation stattfinden. Aber der Aufstieg Dies Magnetfeld wird eine neue Zirkulation des elektrischen Feldes usw. erzeugen. Auf diese Weise breiten sich die Felder durch den Raum aus und erfordern weder Ladungen noch Ströme irgendwo außer der Quelle der Felder. Auf diese Weise haben wir sehen einander! All dies ist in den Gleichungen des elektromagnetischen Feldes verborgen.

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

Zur Beschreibung des Magnetfeldes ist es notwendig, ähnlich wie beim Intensitätsvektor, den Kraftverlauf des Feldes einzuführen E elektrisches Feld. Eine solche Eigenschaft ist der Vektor B magnetische Induktion. Im SI-Einheitensystem wird 1 Tesla (T) als Einheit der magnetischen Induktion genommen. Wenn in einem Magnetfeld mit Induktion B Platzieren Sie die Leiterlänge l mit Strom ich, dann rief eine Truppe durch die Kraft von Ampere, die nach folgender Formel berechnet wird:

wo: BEI– Magnetfeldinduktion, ich ist der Strom im Leiter, l- seine Länge. Die Ampere-Kraft ist senkrecht zum magnetischen Induktionsvektor und zur Richtung des durch den Leiter fließenden Stroms gerichtet.

Um die Richtung der Ampère-Kraft zu bestimmen, verwendet man normalerweise Regel der linken Hand: Wenn Sie Ihre linke Hand so positionieren, dass die Induktionslinien in die Handfläche eintreten und die ausgestreckten Finger entlang des Stroms gerichtet sind, zeigt der zurückgezogene Daumen die Richtung der auf den Leiter wirkenden Ampère-Kraft an (siehe Abbildung).

Wenn der Winkel α zwischen den Richtungen des Vektors der magnetischen Induktion und dem Strom im Leiter von 90 ° abweicht, ist es zur Bestimmung der Richtung der Ampère-Kraft erforderlich, die Komponente des Magnetfelds zu nehmen, die senkrecht zur Richtung von ist die jetzige. Es ist notwendig, die Probleme dieses Themas auf die gleiche Weise wie in der Dynamik oder Statik zu lösen, d.h. indem man die Kräfte entlang der Koordinatenachsen aufschreibt oder die Kräfte nach den Regeln der Vektoraddition addiert.

Das Moment der Kräfte, die mit Strom auf die Schleife wirken

Die Schleife mit Strom befinde sich in einem Magnetfeld, und die Ebene der Schleife stehe senkrecht zum Feld. Die Ampere-Kräfte komprimieren den Rahmen und ihre Resultierende ist gleich Null. Wenn Sie die Stromrichtung ändern, ändern die Ampere-Kräfte ihre Richtung und der Rahmen schrumpft nicht, sondern dehnt sich aus. Liegen die magnetischen Induktionslinien in der Rahmenebene, so entsteht ein Drehmoment der Ampère-Kräfte. Drehmoment von Ampere-Kräften gleich:

wo: S- Rahmenbereich, α - Winkel zwischen der Rahmennormalen und dem magnetischen Induktionsvektor (die Normale ist ein Vektor senkrecht zur Rahmenebene), N- die Anzahl der Windungen, B– Magnetfeldinduktion, ich- die Stromstärke im Rahmen.

Lorentzkraft

Amperekraft, die auf ein Leiterstück der Länge Δ wirkt l mit Strom ich befindet sich in einem Magnetfeld B kann durch die auf einzelne Ladungsträger wirkenden Kräfte ausgedrückt werden. Diese Kräfte werden gerufen Lorentz-Kräfte. Lorentzkraft, die auf ein geladenes Teilchen wirkt q in einem Magnetfeld B sich mit einer Geschwindigkeit bewegen v, wird nach folgender Formel berechnet:

Ecke α in diesem Ausdruck ist gleich dem Winkel zwischen der Geschwindigkeit und dem magnetischen Induktionsvektor. Richtung der wirkenden Lorentzkraft positiv ein geladenes Teilchen sowie die Richtung der Ampère-Kraft kann durch die Links-Hand-Regel oder durch die Gimlet-Regel (wie auch die Ampère-Kraft) gefunden werden. Der Vektor der magnetischen Induktion muss mental in die linke Handfläche gesteckt werden, vier geschlossene Finger sollten entlang der Geschwindigkeit des geladenen Teilchens gerichtet sein, und der gebogene Daumen zeigt die Richtung der Lorentz-Kraft. Wenn das Teilchen hat Negativ Ladung, dann muss die Richtung der Lorentzkraft, gefunden durch die linke Handregel, durch das Gegenteil ersetzt werden.

Die Lorentzkraft ist senkrecht zu den Geschwindigkeits- und Magnetfeldinduktionsvektoren gerichtet. Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt Lorentzkraft funktioniert nicht. Daher ändert sich der Betrag des Geschwindigkeitsvektors nicht, wenn sich das Teilchen bewegt. Wenn sich ein geladenes Teilchen unter der Wirkung der Lorentzkraft in einem gleichförmigen Magnetfeld bewegt und seine Geschwindigkeit in einer Ebene liegt, die senkrecht zum Induktionsvektor des Magnetfelds steht, bewegt sich das Teilchen auf einem Kreis, dessen Radius berechnet werden kann durch folgende Formel:

Die Lorentzkraft spielt dabei die Rolle einer Zentripetalkraft. Die Umlaufzeit eines Teilchens in einem homogenen Magnetfeld beträgt:

Der letzte Ausdruck zeigt das für geladene Teilchen einer gegebenen Masse m die Umdrehungsdauer (und damit die Frequenz und 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 an; wenn in entgegengesetzte Richtungen, stoßen sie sich gegenseitig ab. Die Muster dieses Phänomens wurden von Ampère experimentell ermittelt. Die Wechselwirkung von Strömen wird durch ihre Magnetfelder verursacht: Das Magnetfeld eines Stroms wirkt durch die Amperekraft auf einen anderen Strom und umgekehrt. Versuche haben gezeigt, dass der Kraftmodul auf ein Segment der Länge Δ wirkt l jeder der Leiter, ist direkt proportional zur Stärke des Stroms ich 1 und ich 2 in Leitern, Segmentlänge Δ l und umgekehrt proportional zur Entfernung R zwischen ihnen:

wo: μ 0 ist ein konstanter Wert, der aufgerufen wird magnetische Konstante. Die Einführung der magnetischen Konstante in das SI vereinfacht das Schreiben einer Reihe von Formeln. Sein Zahlenwert 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 Strom und den Ausdruck für die Ampère-Kraft, so erhält man leicht einen Ausdruck für Induktion des Magnetfelds, das von jedem der geradlinigen Leiter mit Strom erzeugt wird auf Distanz R von ihm:

wo: μ - die magnetische Permeabilität des Stoffes (mehr dazu weiter unten). Wenn Strom in einer Kreisschleife fließt, dann Zentrum der Spule Magnetfeld Induktion wird durch die Formel bestimmt:

Kraftlinien Das Magnetfeld wird die Linien entlang der Tangenten genannt, an denen sich die Magnetpfeile befinden. magnetische Nadel wird langer und dünner Magnet genannt, seine Pole sind spitz. Eine an einem Faden aufgehängte Magnetnadel dreht sich immer in eine Richtung. Gleichzeitig ist ein Ende nach Norden gerichtet, das andere nach Süden. Daher der Name der Pole: Norden ( N) und Süd ( S). Magnete haben immer zwei Pole: Nord (blau gekennzeichnet oder der Buchstabe N) und südlich (in Rot oder Buchstabe S). Magnete interagieren wie Ladungen: Gleiche Pole stoßen sich ab, entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Es ist unmöglich, einen Magneten mit einem Pol zu bekommen. Selbst wenn der Magnet gebrochen ist, hat jedes Teil zwei unterschiedliche Pole.

Magnetischer Induktionsvektor

Magnetischer Induktionsvektor- eine für ein Magnetfeld charakteristische vektorielle physikalische Größe, die numerisch gleich der Kraft ist, die auf ein Stromelement von 1 A und einer Länge von 1 m wirkt, wenn die Richtung der Feldlinie senkrecht zum Leiter steht. Bezeichnet BEI, Maßeinheit - 1 Tesla. 1 T ist ein sehr großer Wert, daher wird in realen Magnetfeldern die magnetische Induktion 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 gegebenen Magnetfeld angeordnet 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.

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

Im Fall von Magnetfeld des elektrischen Stroms Um die Richtung der Feldlinien zu bestimmen, verwenden Sie die Regel "Rechte Hand": wenn man den Schaffner hereinnimmt rechte Hand so dass der Daumen entlang des Stroms gerichtet ist, dann zeigen vier Finger, die den Leiter umfassen, die Richtung der Kraftlinien um den Leiter:

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

Magnet- ein auf eine zylindrische Oberfläche gewickelter Leiter, durch den ein elektrischer Strom fließt ichähnlich dem Feld eines direkten Permanentmagneten. innere Magnetlänge l und die Anzahl der Umdrehungen N durch Induktion entsteht ein homogenes Magnetfeld (dessen Richtung auch durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt wird):

Magnetfeldlinien sehen aus wie geschlossene Linien ist eine gemeinsame Eigenschaft aller magnetischen Linien. Ein solches Feld nennt man Wirbelfeld. Bei Permanentmagneten enden die Linien nicht an der Oberfläche, sondern dringen in den Magneten ein und schließen sich innen. Dieser Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Feldern erklärt sich dadurch, dass im Gegensatz zu elektrischen keine magnetischen Ladungen existieren.

Magnetische Eigenschaften von Materie

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

Diese Formel drückt die Entsprechung des magnetischen Induktionsvektors des Feldes im Vakuum und in einem gegebenen Medium aus. Im Gegensatz zur elektrischen Wechselwirkung ist bei der magnetischen Wechselwirkung in einem Medium sowohl eine Verstärkung als auch eine Abschwächung der Wechselwirkung im Vergleich zum Vakuum zu beobachten, bei dem die magnetische Permeabilität μ = 1. Diamagnete magnetische Permeabilität μ etwas weniger als Einheit. Beispiele: Wasser, Stickstoff, Silber, Kupfer, Gold. Diese Substanzen schwächen das Magnetfeld etwas ab. Paramagnete- Sauerstoff, Platin, Magnesium - das Feld etwas verbessern, haben μ etwas mehr als eins. Bei Ferromagnete- Eisen, Nickel, Kobalt - μ >> 1. Zum Beispiel für Bügeleisen μ ≈ 25000.

magnetischer Fluss. Elektromagnetische Induktion

Phänomen Elektromagnetische Induktion wurde 1831 von dem herausragenden englischen Physiker M. Faraday entdeckt. Es besteht aus dem Auftreten eines elektrischen Stroms in einem geschlossenen Stromkreis mit einer zeitlichen Änderung des den Stromkreis durchdringenden magnetischen Flusses. magnetischer Fluss Φ über den Platz S die Kontur heißt Wert:

wo: B ist der Modul des magnetischen Induktionsvektors, α ist der Winkel zwischen dem magnetischen Induktionsvektor B und normal (senkrecht) zur Konturebene, S- Konturbereich, N- die Anzahl der Windungen in der Schaltung. Die Einheit des magnetischen Flusses im SI-System heißt Weber (Wb).

Faraday stellte experimentell fest, dass, wenn sich der magnetische Fluss in einem leitenden Kreis ändert, EMF-Induktion ε ind, gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von der Kontur begrenzte Oberfläche, genommen mit einem Minuszeichen:

Eine Änderung des magnetischen Flusses, der einen geschlossenen Stromkreis durchdringt, kann aus zwei möglichen Gründen auftreten.

1. Der magnetische Fluss ändert sich aufgrund der Bewegung des Stromkreises oder seiner Teile in einem zeitlich konstanten Magnetfeld. Das ist der Fall, wenn sich Leiter und damit freie Ladungsträger in einem Magnetfeld bewegen. Das Auftreten der Induktions-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, wie 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 die EMF bei der Lösung von Problemen normalerweise als Modulo betrachtet. Achten wir auch auf einen besonderen Fall, in dem das Phänomen der elektromagnetischen Induktion auftritt. Also der Maximalwert der Induktions-EMK in einem Stromkreis bestehend aus N Kurven, Bereich S, rotiert mit Winkelgeschwindigkeit ω in einem Magnetfeld mit Induktion BEI:

Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld

Beim Verschieben der Leiterlänge l in einem Magnetfeld B mit Geschwindigkeit v An seinen Enden entsteht eine Potentialdifferenz, verursacht durch die Wirkung der Lorentzkraft auf freie Elektronen im Leiter. Diese Potentialdifferenz (genau genommen EMF) ergibt sich aus der Formel:

wo: α - der Winkel, der zwischen der Geschwindigkeitsrichtung und dem magnetischen Induktionsvektor gemessen wird. EMF tritt nicht in den festen Teilen des Stromkreises auf.

Wenn die Stange lang ist L Spins in einem Magnetfeld BEI um eines seiner Enden mit einer Winkelgeschwindigkeit ω , dann gibt es an seinen Enden eine Potentialdifferenz (EMF), die nach folgender Formel berechnet werden kann:

Induktivität. Selbstinduktion. Magnetfeldenergie

Selbstinduktion ist ein wichtiger Spezialfall der elektromagnetischen Induktion, wenn ein sich ändernder magnetischer Fluss, der eine Induktions-EMK verursacht, durch einen Strom im Stromkreis selbst erzeugt wird. Wenn sich der Strom im betrachteten Stromkreis aus irgendeinem Grund ändert, ändert sich das Magnetfeld dieses Stroms und folglich der eigene magnetische Fluss, der den Stromkreis durchdringt. Im Stromkreis tritt eine EMK der Selbstinduktion auf, die nach der Lenz-Regel eine Änderung des Stroms im Stromkreis verhindert. Eigener magnetischer Fluss Φ , die den Stromkreis oder die Spule mit Strom durchdringt, ist proportional zur Stärke des Stroms ich:

Verhältnismäßigkeitsfaktor L in dieser Formel heißt der Koeffizient der Selbstinduktion oder Induktivität Spulen. Die SI-Einheit der Induktivität ist Henry (H).

Denken Sie daran: Die Induktivität des Stromkreises hängt weder vom magnetischen Fluss noch von der darin enthaltenen Stromstärke ab, sondern wird nur von der Form und Größe des Stromkreises sowie von den Eigenschaften bestimmt Umfeld. Wenn sich also die Stromstärke im Stromkreis ändert, bleibt die Induktivität unverändert. Die Induktivität einer Spule lässt sich mit folgender Formel berechnen:

wo: n- Konzentration der Windungen pro Längeneinheit der Spule:

EMF-Selbstinduktion, die in einer Spule mit konstantem Induktivitätswert entsteht, ist nach der Faraday-Formel gleich:

Die EMF der Selbstinduktion ist also direkt proportional zur Induktivität der Spule und der Änderungsrate der Stromstärke darin.

Das Magnetfeld hat Energie. So wie ein geladener Kondensator einen Vorrat an elektrischer Energie hat, hat eine Spule, durch deren Windungen Strom fließt, einen Vorrat an magnetischer Energie. Energie W m Magnetfeldspule mit Induktivität L durch Strom erzeugt ich, kann mit einer der Formeln berechnet werden (sie folgen aufeinander unter Berücksichtigung der Formel Φ = LI):

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

Lenzsche Regel

Trägheit- ein Phänomen, das sowohl in der Mechanik (beim Beschleunigen eines Autos lehnen wir uns zurück, um einer Geschwindigkeitszunahme entgegenzuwirken, und beim Bremsen lehnen wir uns nach vorne, um einer Geschwindigkeitsabnahme entgegenzuwirken) als auch in der Molekularphysik (wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, die Verdunstungsrate steigt, die schnellsten Moleküle verlassen die Flüssigkeit, die Erwärmungsgeschwindigkeit wird verringert) und so weiter. Beim Elektromagnetismus manifestiert sich die Trägheit im Gegensatz zu einer Änderung des magnetischen Flusses, der den Stromkreis durchdringt. Wenn der magnetische Fluss zunimmt, wird der im Stromkreis entstehende Induktionsstrom so geleitet, dass der Anstieg des magnetischen Flusses verhindert wird, und wenn der magnetische Fluss abnimmt, wird der im Stromkreis entstehende Induktionsstrom so geleitet, dass der Magnet verhindert wird Fluss abnimmt.

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Der Kurs "Elektromagnetismus" ist ein Teilbereich des allgemeinen Physikkurses, der eine systematische Kenntnis der Grundbegriffe und Gesetzmäßigkeiten des Elektromagnetismus als Verallgemeinerung experimenteller Sachverhalte in mathematischer Form vermittelt. Die grundlegenden Experimente zu den Grundgesetzen der Elektrizität, des Magnetismus und der Elektrodynamik 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 beruhen. Das Fach entwickelt bei den Studierenden die Grundlagen des naturwissenschaftlichen Weltbildes und bildet die Grundlage für das weitere Studium allgemeiner Fach- und Spezialdisziplinen.

Format

Die Ausbildungsform ist berufsbegleitend (Fernstudium). Der wöchentliche Unterricht umfasst das Ansehen thematischer Videovorträge, begleitet von Videoaufzeichnungen von Vorlesungsexperimenten, und das Durchführen von Testaufgaben mit automatischer Überprüfung der Ergebnisse. Ein wichtiger Bestandteil des Studiums des Faches ist die eigenständige Lösung physikalischer Probleme. Die Entscheidung muss eine strenge und logisch korrekte Begründung enthalten, die zur richtigen Antwort führt.

Anforderungen

Der Kurs ist für Bachelors mit einem Studienjahr konzipiert. Erfordert Kenntnisse in Physik und Mathematik im Umfang des Gymnasiums (11 Klassen).

Kursprogramm

Vortrag 1 Elektromagnetische Wechselwirkung und ihr Platz unter anderen Wechselwirkungen in der Natur. Die Entwicklung der Physik der Elektrizität in den Werken von M. V. Lomonosov. Elektrische Ladung. Mikroskopische Ladungsträger. Millikan-Erfahrung. Das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Elektrostatik. Das Coulombsche Gesetz und seine Feldinterpretation. Vektor der elektrischen Feldstärke. Das Prinzip der Überlagerung elektrischer Felder.

Vortrag 1 Vektorfluss der elektrischen Feldstärke. Elektrostatischer Satz von Ostrogradsky-Gauß, seine Darstellung in Differentialform. Potentialität des elektrostatischen Feldes. Potenzial. Mögliche Normalisierung. Beziehung zwischen dem Vektor des elektrostatischen Feldes und dem Potential. Die Arbeit der Kräfte des elektrostatischen Feldes. Das Potenzial des Gebührensystems.

Vortrag 3 Zirkulation des elektrischen Feldstärkevektors. Der Zirkulationssatz, seine Darstellung in Differentialform. Poisson- und Laplace-Gleichungen. Elektrischer Dipol. Potential und Stärke des Dipolfeldes.

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

Vortrag 5 Dielektrika. Kostenlose und gebundene Gebühren. Polarisationsvektor. Zusammenhang des Polarisationsvektors mit gebundenen Ladungen. Der Vektor der elektrischen Induktion in einem Dielektrikum. Dielektrische Suszeptibilität und Permittivität und Substanzen. Materialgleichung für elektrische Feldvektoren. Das Ostrogradsky-Gauß-Theorem für Dielektrika. Seine differentielle Form. Randbedingungen für die Vektoren der Intensität und der elektrischen Induktion. Dielektrischer Ball in einem gleichförmigen elektrischen Feld.

Vortrag 6 Systemenergie elektrische Aufladungen. Interaktionsenergie und eigene Energie. Die Energie des elektrostatischen Feldes und seine Schüttdichte. Die Energie eines elektrischen Dipols in einem äußeren Feld. Ponderomotorische Kräfte in einem elektrischen Feld und Methoden zu ihrer Berechnung. Zusammenhang von ponderomotorischen Kräften mit der Energie eines Ladungssystems.

Vortrag 7 Elektronische Theorie der Polarisation von Dielektrika. lokales Feld. unpolare Dielektrika. Clausius-Mossotti-Formel. polare Dielektrika. Die Langevin-Funktion. Polarisation von Ionenkristallen. Elektrische Eigenschaften von Kristallen. Pyroelektrik. Piezoelektrik. Direkter und umgekehrter piezoelektrischer Effekt und ihre Anwendung. Ferroelektrik. Domänenstruktur von Ferroelektrika. Hysterese. Curie-Punkt. Die Verwendung von Ferroelektrika.

Vortrag 8 Konstanter elektrischer Strom. Stärke und Stromdichte. Aktuelle Linien. Elektrisches Feld in einem Leiter mit Strom und seinen Quellen. Kontinuitätsgleichung. Der Zustand der aktuellen Stationarität. elektrische Spannung. Ohmsches Gesetz für einen Schaltungsabschnitt. Elektrischer Wiederstand. Ohmsches Gesetz in Differentialform. Spezifische elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes.

Vortrag 9 Strömungen in kontinuierlichen Medien. Erdung. Betrieb und Gleichstrom. Joule-Lenz-Gesetz und seine Differentialform. Kräfte Dritter. Elektromotorische Kraft. Ohmsches Gesetz für einen geschlossenen Stromkreis. Verzweigte Ketten. Kirchhoffsche Regeln. Beispiele für ihre Anwendung.

Vortrag 10 Magnetostatik. Wechselwirkung von Strömungen. Aktuelles Element. Biot-Savart-Laplace-Gesetz und seine Feldinterpretation. Magnetfeld-Induktionsvektor. Die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen Strom. Amperes Gesetz. Der Satz über die Zirkulation des Magnetfeldinduktionsvektors. Differentialform des Zirkulationssatzes. Wirbelnatur des Magnetfelds. Gleichung div B = 0. Konzept des Vektorpotentials. Relativistische Natur magnetischer Wechselwirkungen.

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

Vortrag 12 Fluss des magnetischen Induktionsvektors (magnetischer Fluss). Koeffizient der Selbstinduktion (Induktivität). Der Koeffizient der gegenseitigen Induktion zweier Stromkreise. Potenzielle Stromfunktion. Kräfte, die auf einen Stromkreis wirken. Wechselwirkung zweier Stromkreise mit Strom.

Vortrag 13 Elektromagnetische Induktion. Das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion und seine differentielle Form. Lenzsche Regel.

Vortrag 14 Magnetik. Das Konzept der Molekularströme. Materiemagnetisierungsvektor und seine Beziehung zu molekularen Strömen. Magnetfeldstärkevektor.

Vortrag 15 Klassifizierung von Magneten. Diamagnete, Paramagnete und Ferromagnete. Klassische Beschreibung des Diamagnetismus. Larmor-Präzession.

Vortrag 16 Ferromagnete. Spontanmagnetisierung und Curietemperatur. Domänenstruktur. Magnetisierungshysterese, Stoletov-Kurve.

Vortrag 17 Quasistationäre Strömungen. Quasi-Stationaritätsbedingungen. Einschwingvorgänge in RC- und LC-Schaltungen.

Vortrag 18 Erzwungene Schwingungen im Stromkreis. Der Prozess der Etablierung erzwungener Schwingungen.

Vortrag 19 Stressresonanz. Spannungen und Ströme bei Resonanz.

Vortrag 20 Technische Anwendung von Wechselströmen. Generatoren und Elektromotoren. Drehstrom.

Vortrag 21 hochfrequente Ströme. Hauteffekt. Dicke der Hautschicht.

Vortrag 22 Klassische Theorie der elektronischen Leitfähigkeit Drude - Lorentz.

Vortrag 23 Halbleiter.

Lernerfolge

Als Ergebnis der Beherrschung der Disziplin muss der Student die grundlegenden Phänomene der Elektrizität und des Magnetismus, die Methoden ihrer theoretischen Beschreibung und die Möglichkeiten ihrer Verwendung in physikalischen Geräten kennen, Probleme aus dem Abschnitt "Elektromagnetismus" der Sektion lösen können des allgemeinen Physikkurses.

Gebildete Kompetenzen

Erforderliche Kompetenzen zur Beherrschung der Disziplin: ONK-1, PC-1; Als Ergebnis der Beherrschung der Disziplin gebildete Kompetenzen: PC-2; ONK-5.

Zertifikat

Ein Teilnahmezertifikat wird in der Regel bei Erreichen von 60 % der Gesamtbewertung ausgestellt, sofern die Arbeiten innerhalb einer festen Frist eingereicht werden. Ein Zertifikat mit Auszeichnung wird in der Regel bei Erreichen von 90% der Gesamtbewertung ausgestellt, sofern die Arbeiten vor Ablauf der Soft Deadline eingereicht werden.

Geschichte der Physik: Elektromagnetismus

Im 18. Jahrhundert wurden die von Gilbert begonnenen Arbeiten zur Elektrifizierung von Körpern fortgesetzt. Zahlreiche Experimente, die in verschiedenen Labors durchgeführt wurden, ermöglichten es, nicht nur neue Materialien zu entdecken, die in der Lage sind, sich bei Reibung zu elektrisieren, 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 - elektrostatische Maschinen, Kondensatoren wurden hergestellt (Leyden-Glas).

Das Interesse an neuen Phänomenen wurde in der Gesellschaft durch verschiedene Tricks und Demonstrationen in der Öffentlichkeit weit verbreitet. Franklin führte systematische Untersuchungen mit elektrischen Phänomenen durch und formulierte seine Theorie 1747 mit dem Konzept der elektrischen Flüssigkeit, deren Überschuss oder Mangel die Elektrifizierung von Körpern bewirkt.

Franklin Benjamin (1706.01.-17.04.1790) - US-amerikanischer Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1756), St. Petersburger Akademie der Wissenschaften (1789), prominente Persönlichkeit aus Politik und Öffentlichkeit, Copley-Medaille (1753 ). Geboren in Boston in der Familie eines Unternehmers. Seine Ausbildung erhielt er in Eigenregie. 1727 organisierte er seine eigene Druckerei in Philadelphia, 1731 die erste in Amerika. öffentliche Bibliothek, 1743 - Amerikaner Philosophische Gesellschaft(die erste wissenschaftliche Forschungseinrichtung in Amerika), 1751 - die University of Pennsylvania. 1737-53 - Postmeister von Pennsylvania, 1753-74 - nordamerikanische Kolonien. Beteiligt an der Ausarbeitung der „Unabhängigkeitserklärung“ und der US-Verfassung.

In den Jahren 1746-54 führte er experimentelle Untersuchungen zur Elektrizität durch, erklärte die Wirkungsweise des Leidener Gefäßes, baute den ersten flachen Kondensator, erfand 1750 einen Blitzableiter, bewies 1753 die Identität von terrestrischer und atmosphärischer Elektrizität und die elektrische Natur von Blitzen . Entwickelte (1750) die Theorie der elektrischen Phänomene, führte die Konzepte positiver und negativer Elektrizität ein. Untersucht die Fragen der Wärmeleitfähigkeit von Metallen, der Schallausbreitung in Luft und Wasser. Autor einer Reihe von Erfindungen (die Verwendung eines Funkens zum Explodieren von Schießpulver usw.).

Franklins Werke wurden von der Royal Society of London für unveröffentlichungswürdig erklärt und von seinem Freund, dem englischen Physiker Peter Collinson (1694-1768) auf eigene Kosten herausgegeben. Der Erfolg der Veröffentlichung war enorm, und nachdem sein Experiment mit einem Blitzableiter im Jahr 1752 durchgeführt wurde, das die Gleichwertigkeit eines elektrischen Funkens und eines Blitzes bestätigte, verbreitete sich die wissenschaftliche Begeisterung für das Studium 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 einem Adel Noble Familie. Er studierte an der Schule des Jesuitenordens. 1774-79 unterrichtete er Physik an einem Gymnasium in Como, ab 1779 war er Professor an der Universität Pavia, 1815-19 war er Direktor der Philosophischen Fakultät der Universität Padua.

Arbeitet auf dem Gebiet der Elektrizität, Molekularphysik. Er entwickelte die Theorie des Leyden-Krugs (1769), baute einen Elektrophor aus Harz (1775), ein Elektroskop mit Strohhalmen (1781), einen Kondensator (1783), ein Elektrometer und andere Instrumente und beschrieb die Funktionsweise des Telegrafen. 1792 begann er, die Experimente von L. Galvani mit "tierischer" Elektrizität zu wiederholen und kam zu dem Schluss, dass die Ursache des Kurzzeitstroms das Vorhandensein eines Stromkreises aus zwei Klassen unterschiedlicher Leiter (zwei Metalle und eine Flüssigkeit) ist ). Ende 1799 konstruierte er die erste galvanische Dauerstromquelle – eine Voltaische Säule. Er entdeckte (1795) die gegenseitige Elektrisierung ungleicher Metalle bei Kontakt und stellte eine Reihe von Spannungen für Metalle zusammen (1801). Untersuchte die Wärmeausdehnung der Luft, beobachtete die Diffusion, stellte die Leitfähigkeit der Flamme fest (1787). Er entdeckte Methan (1776) und erklärte seine Entstehung durch die Zersetzung von Tier- und Pflanzenresten.

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

Brillante Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität wurden von Coulomb durchgeführt.

Coulomb 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 Mezieres (1761), danach leistete er mehrere Jahre Militärdienst auf Martinique, wo er den Bau 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 auf Martinique begonnene erste wissenschaftliche Arbeit „Über die Anwendung der Regeln der Maxima und Minima auf einige Probleme der Statik im Zusammenhang mit der Architektur“ bestimmte den Fortschritt der Strukturmechanik im 18. und 19. Jahrhundert. 1781 formulierte er die Gesetze der Gleit- und Rollreibung. 1784 erforschte und konstruierte er eine Torsionswaage, mit deren Hilfe er 1785 das Grundgesetz der Elektrostatik aufstellte und 1788 auf die Wechselwirkung magnetischer Pole erweiterte. Er stellte die Hypothese des Magnetismus auf, wonach magnetische Flüssigkeiten nicht frei sind, sondern mit einzelnen Molekülen verbunden sind, die im Prozess der Magnetisierung polarisiert werden. Entwarf ein Magnetometer (1785).

Nach ihm ist die Ladungseinheit Coulomb benannt.

Coulomb entwarf eine hochempfindliche Torsionswaage, nachdem er zuvor festgestellt hatte, dass die Verdrillungskraft des Fadens von der Substanz des Fadens abhängt, proportional zum Verdrillungswinkel und der vierten Potenz des Durchmessers des Fadens und umgekehrt proportional zu seinem ist Länge. Mit Hilfe dieser Gewichte stellte Coulomb experimentell fest, dass die Anziehungs- und Abstoßungskräfte von Ladungen umgekehrt proportional zum Quadrat der Abstände sind. Coulomb postulierte auch die Proportionalität der Wechselwirkungskraft zum Produkt der elektrischen Ladungen, d.h. in 4 Jahren intensiver Arbeit von 1785 bis 1789 legte er den Grundstein der modernen Elektrostatik. Da neben Newtonschen auch elektrostatische Kräfte abstandsabhängig sind, können hier alle Eigenschaften der Newtonschen Kräfte aus der theoretischen Mechanik genutzt werden.

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

Henry Cavendish (10.10.1731 - 24.02.1810) - englischer Physiker und Chemiker, Mitglied der Royal Society of London (1760). Geboren in Nizza in der Familie des Herrn. 1749-53 studierte er an der University of Cambridge. Er verbrachte die meiste Zeit seines Lebens in Einsamkeit und gab sich völlig hin wissenschaftliche Arbeit in unserem eigenen Labor.

Er veröffentlichte nur die Artikel, bei denen er sich ganz sicher war, weshalb viele Arbeiten zur 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 der Entfernung ist. Er führte den Begriff der elektrischen Kapazität ein, entdeckte den Einfluss des Mediums auf die Kapazität eines Kondensators und bestimmte die Dielektrizitätskonstante einer Reihe von Stoffen. 1798 maß er die Anziehungskraft zweier kleiner Kugeln, bestimmte die Gravitationskonstante, die Masse und die mittlere Dichte der Erde. 1766 Wasserstoff erhalten und seine Eigenschaften bestimmt, die Zusammensetzung des Wassers festgestellt und gezeigt, dass es künstlich gewonnen werden kann, den Sauerstoffgehalt der Luft bestimmt (1781).

Schon bei den ersten Verletzungen durch elektrische Entladungen entstanden Vermutungen über „tierische Elektrizität“, den Regulator des tierischen Lebens. 1773 erschienen John Walshs Memoiren über die elektrische Rampe, und Physiologen stellten die Hypothese einer „tierischen Essenz“ auf, die wie die elektrische Flüssigkeit für die Übertragung von Nervensignalen verantwortlich ist.

Luigi Galvani (1737-1798), Professor für Anatomie an der Universität Bologna, führte elektrophysiologische Experimente durch und kam zu dem Schluss, dass die Wirkung physiologischer und elektrischer Einflüsse auf die Froschmuskelkontraktion gleich ist. Die Ergebnisse verblüfften Volt, Besondere Aufmerksamkeit der von einem Merkmal des galvanischen Experiments angezogen wurde: Die Übertragung eines Signals für die Muskelkontraktion durch Leiter, die homogen oder aus verschiedenen Metallen zusammengesetzt waren, wurde auf unterschiedliche Weise durchgeführt.

Volta führte zuerst ein Experiment mit dem Nachweis eines sauren Geschmacks auf der Zunge durch, wenn ein Ende an seiner Spitze und das andere Ende eines Bogens aus verschiedenen Metallen an der Mitte angebracht wurde. Dann ging er zu rein physikalischen Untersuchungen der Kontaktelektrizität über und erhielt das Gesetz der Kontaktspannungen, indem er die Metalle in einer „Spannungsreihe“ anordnete. Infolgedessen erfand Volta ein neues Gerät, das er zuerst "künstliche elektrische Orgel" und dann "elektromotorischer Apparat" nannte. Die Franzosen nannten es später "galvanische oder voltaische Säule".

Die Erfindung galvanischer Zellen (viel bequemere elektrische Quellen als elektrostatische Maschinen) erweiterte den Umfang der Elektrizitätsforschung erheblich. Zunächst wurde die Identität von elektrischen und galvanischen "Flüssigkeiten" aufgezeigt, deren Unterschied sich zunächst in einer Reihe physiologischer und chemischer Vorgänge (elektrischer Schlag, chemische Stromeinwirkung etc.) manifestierte.

Bereits nach den ersten Studien auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus gab es 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 gesetzt, der die Ablenkung einer Magnetnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter entdeckte.

Oersted Hans Christian (14.08.1777–09.03.1851) war ein dänischer Physiker, unverzichtbarer Sekretär der Königlich Dänischen Gesellschaft (seit 1815), Ehrenmitglied von St. Petersburg (1830) und anderen Akademien der Wissenschaften. Geboren in Rudkøbing in der Familie eines Apothekers. Absolvent der Universität Kopenhagen: Diplom eines Apothekers (1797), Promotion (1799). Seit 1806 war er Professor an dieser Universität, seit 1829 war er gleichzeitig Direktor der Kopenhagener Polytechnischen Schule.

Arbeitet auf dem Gebiet der Elektrizität, Akustik, Molekularphysik. Zum wissenschaftliche Kreativität Oersted ist geprägt von der Suche nach dem Zusammenhang zwischen verschiedenen Naturphänomenen. Seine Entdeckung der Wirkung eines elektrischen Stroms 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. Experimentell die Kompressibilität und Elastizität von Flüssigkeiten und Gasen untersucht, das Piezometer erfunden.

Er war ein brillanter Dozent und Popularisierer, organisierte 1824 die Society for the Propagation of Natural Science und gründete das erste physikalische Labor in Dänemark.

Nach ihm ist die Einheit der magnetischen Feldstärke, der Oersted, benannt.

Eines sollte beachtet werden wichtige Tatsache in Oersteds Experiment: Der nachgewiesene Effekt passte nicht in das Newtonsche Konzept der Wechselwirkung, bei dem alle Kräfte im Mittelpunkt standen. Im selben Jahr 1820 untersuchten die französischen Physiker Biot und Felix Savard (1791-1836) experimentell die Abhängigkeit der Größe des Magnetfelds von der Entfernung des stromdurchflossenen Leiters zum Beobachtungspunkt. Eine solche Abhängigkeit gelang ihnen jedoch nicht in allgemeiner Form. Dieses Problem wurde von Laplace gelöst und von ihm erhalten Gewohnheitsrecht heißt Biot-Savart-Laplace-Gesetz.

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

Ampère Andre Marie (22.01.1775–10.06.1836) war ein französischer Physiker, Mathematiker und Chemiker, Mitglied der Pariser (1814), St. Petersburger (1830) und anderer Akademien der Wissenschaften. Geboren in Lyon in der Familie eines Kaufmanns. Hausunterricht erhalten. 1801 begann er Physik und Chemie an der Zentralschule in Burg zu unterrichten. 1805-24 arbeitete er an der Polytechnischen Schule in Paris (ab 1809 - Professor), ab 1824 - Professor am College de France.

Physikalische Arbeiten sind dem Elektromagnetismus gewidmet. Er stellte das Gesetz der Wechselwirkung elektrischer Ströme (Ampère-Gesetz) auf und entwickelte die Theorie des Magnetismus. Nach dieser Theorie werden alle magnetischen Wechselwirkungen auf die Wechselwirkung kreisförmiger elektrischer Molekularströme reduziert, von denen jeder einem flachen Magneten - einem Magnetblatt - entspricht. Ampère hat als erster auf die enge Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Prozessen hingewiesen. Er entdeckte (1822) die magnetische Wirkung einer Spule mit Strom - ein Solenoid, das einem Permanentmagneten entspricht, brachte die Idee auf, das Magnetfeld zu verstärken, indem er einen Eisenkern in das Solenoid einsetzte. 1820 schlug er vor, elektromagnetische Phänomene zur Signalübertragung zu nutzen, er erfand den Kommutator, den elektromagnetischen Telegrafen. Er formulierte das Konzept der "Kinematik", forschte auf dem Gebiet der Philosophie und Botanik.

Nach ihm ist die Stromeinheit Ampere benannt.

Ampere schlug auch eine Hypothese vor, wonach der Magnet eine Ansammlung von Strömen ist, und leitete eine Formel für die Wechselwirkung von Stromelementen ab. Die von ihm entwickelte Theorie ermöglichte es, verschiedene Arten von Wechselwirkungen zu erklären: magnetostatische, elektromagnetische und elektrodynamische. Die von Oersted, Ampere und anderen Wissenschaftlern durchgeführten Studien über die Wirkung von Magneten auf Leiter mit Strom und die Drehung eines Leiters mit Strom in einem 1821 von Faraday entdeckten Magnetfeld bildeten die Grundlage für die Schaffung von Galvanometern, die in verschiedenen Modifikationen wurden häufig bei der Untersuchung elektromagnetischer Phänomene verwendet.

Michael Faraday (22.09.1791–25.08.1867) - Englischer Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1824), Petersburger Akademie der Wissenschaften (1830). Geboren in London in der Familie eines Schmieds. Ab seinem 12. Lebensjahr arbeitete er als Zeitungshändler, dann als Lehrling in einer Buchbinderei. Eigenständig studiert. 1813 wurde er Assistent von G. Davy am Royal Institute in London, 1825 wurde er Direktor des Labors und löste G. Davy in dieser Position ab, 1833-62 war er Professor der Fakultät für Chemie.

Arbeitet auf dem Gebiet der Elektrizität, Magnetismus, Magnetoptik, Elektrochemie. Die von Faraday entdeckte Drehung eines Magneten um einen stromdurchflossenen Leiter und eines stromdurchflossenen Leiters um einen Magneten wurde zur Grundlage für ein Labormodell eines Elektromotors und offenbarte deutlich die Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen, die letztendlich dazu führten zur Entdeckung und Feststellung der Gesetze der elektromagnetischen Induktion. 1835 entdeckte er zusätzliche Strömungen beim Schließen und Öffnen. Er bewies die Identität verschiedener Arten von Elektrizität: "tierische", "magnetische", galvanische, Thermoelektrizität und Reibungselektrizität. Als Ergebnis von 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 Diskretheit der Elektrizität waren. Führte die Konzepte Mobilität, Kathode, Anode, Ionen, Elektrolyse, Elektrolyte, Elektroden ein und erwarb ein Voltmeter. 1845 entdeckte er den Diamagnetismus, 1847 den Paramagnetismus. Er entdeckte die Drehung der Polarisationsebene von Licht in einem Magnetfeld (Faraday-Effekt), was den Zusammenhang zwischen Licht und Magnetismus bewies und den Grundstein für die Magneto-Optik legte.

Faraday war der erste, der das Konzept eines Feldes einführte, das Konzept der elektrischen und magnetischen Kraftlinien. Die Idee eines Feldes veränderte radikal die Vorstellung, die Newton und seine Anhänger von Fernwirkung und Raum als passives Gefäß für Körper und elektrische Ladungen hatten. 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.

Nach ihm ist die Einheit der Kapazität Farad benannt.

Die ersten Studien auf dem Gebiet der Elektrizität konzentrierten sich hauptsächlich auf aktive Elemente - Quellen elektromotorischer Kraft, und passiven Leitern wurde fast keine Aufmerksamkeit geschenkt. Ohm führte systematische experimentelle und theoretische Studien zur Leitfähigkeit durch und formulierte seine Gesetze 1827 in integraler und differentieller Form, wobei er die Konzepte und einführte genaue Definitionen elektromotorische Kraft, elektrische Leitfähigkeit und Stromstärke.

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

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

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

Gleichzeitig führte Ohm seine Arbeiten anhand der Analogie eines 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 unbemerkt. Gleichzeitig mit Ohms Experimenten wurden Studien in Frankreich 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 bestätigte die Konstanz des Stroms im gesamten Stromkreis. Eine Reihe von Privatrechten, die damals unabhängig von Ohm erlangt wurden, wurden 1845 von Kirchhoff in seinen Regeln zusammengefasst.

Einen großen Impuls für elektrische Messungen gab die erste praktische Anwendung elektrischer Phänomene in der Telegrafie. Die Schaffung von Luft- und Unterwassertelegrafen erforderte die Entwicklung neuer elektrischer Messmethoden. 1840 schlug Wheatstone seine Brückenmethode für genaue Widerstandsmessungen vor. Gauß legte die Grundlagen der elektromagnetischen Metrik, indem er die drei Haupteinheiten (Zeit, Länge und Masse) als mechanische Einheiten nahm und den Rest in ihnen ausdrückte, sowie eine Reihe neuer Geräte entwickelte.

Gauß Karl Friedrich (30.04.1777-23.02.1855) - Deutscher Mathematiker, Astronom und Physiker, Mitglied der Royal Society of London (1804), Paris (1820) und St. Petersburg Academy of Sciences (1824). Geboren in Braunschweig in der Familie eines Klempners. Er studierte 1795-98 an der Universität Göttingen, erhielt 1799 eine außerordentliche Professur in Braunschweig, ab 1807 war er Professor an der Universität Göttingen und Direktor der Sternwarte.

Arbeitet in vielen Bereichen der Physik. 1832 schuf er ein absolutes Maßsystem, 1833 baute er zusammen mit W. Weber den ersten elektromagnetischen Telegrafen in Deutschland. 1839 im Aufsatz „ Allgemeine Theorie Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung wirken“ skizzierte die Grundlagen der Potentialtheorie (das Ostrogradsky-Gauß-Theorem). 1840 entwickelte er in seinem Werk „Dioptric Studies“ eine Theorie der Abbildung im Komplex optische Systeme. Er kam 1845 auf die Idee der Endlichkeit der Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkungen. Er formulierte 1829 das Prinzip der geringsten Einschränkung (Gaußsches Prinzip). die Existenz der nichteuklidischen Geometrie im Jahr 1818.

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

Die Arbeit an der Metrologie wurde von dem deutschen Physiker Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) und Maxwell fortgesetzt. Infolgedessen entstand die Idee, ein einheitliches Maßsystem zu schaffen, und 1881 legte der Internationale Kongress in Paris internationale Maßeinheiten fest.

Einen großen Beitrag zur Entwicklung des Elektromagnetismus leistete die Arbeit von Michael Faraday. Einer der führenden philosophische Ideen Physik des 19. Jahrhunderts war, dass alle physikalischen Phänomene Manifestationen derselben Essenz sind. Nach diesem Prinzip entdeckte Faraday 1831 das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Er schlug eine Theorie dieses Phänomens vor, indem er zum ersten Mal die Konzepte magnetischer Kraftlinien und eines elektromagnetischen Feldes einführte und die Idee der zeitlichen Ausbreitung magnetischer Störungen zum Ausdruck brachte. 1833 entdeckte der amerikanische Physiker Joseph Henry (1797-1878) das Phänomen der Selbstinduktion, und der russische Wissenschaftler Emil Khristianovich Lenz (1804-1865) formulierte 1834 seine Regel über die Richtung von Induktionsströmen.

Mitte der 1940er Jahre entwickelten die deutschen Wissenschaftler Franz Ernst Neumann (1798-1895), Weber und Helmholtz Induktionstheorien, wobei sie berücksichtigten, dass die Wechselwirkung elektrischer Ladungen sowohl von der Entfernung 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 hat auch experimentell bewiesen, dass sich die elektrische Wirkung nicht nur geradlinig, sondern auch entlang gekrümmter Linien ausbreitet und das Zwischenmedium diese Wirkung maßgeblich beeinflusst. Damit bestätigte er, dass die Wechselwirkung zweier Körper durch das Medium erfolgt und nicht in Übereinstimmung mit der Theorie der Fernwirkung erfolgt, die in den einfachsten Modellen zur mathematischen Interpretation von Phänomenen verwendet wurde.

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

Als 1845 Licht durch einen Elektromagneten geleitet wurde, entdeckte Faraday eine Rotation der Polarisationsebene, die er durch das Vorhandensein von Magnetfeldern 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 Raums eine originelle Idee vor: Er entwickelt das Konzept von Boskovich und führt das Konzept eines Feldes ein. Er sagt, dass Materie nicht nur gegenseitig durchdringbar ist, sondern dass sich jedes ihrer Atome über das gesamte Sonnensystem erstreckt und dabei sein eigenes Zentrum behält.

Auch die praktische Bedeutung von Faradays Entdeckungen ist groß, denn Alle Maschinen der modernen Elektroindustrie - Generatoren (der erste Stromgenerator wurde von Faraday selbst entwickelt), Transformatoren, Elektromotoren - basieren auf elektromagnetischer Induktion. Auch das Telefon sollte dabei sein.

In den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts galt die Elektrodynamik dank der Arbeiten von Neumann, Weber und Helmholtz als eine voll ausgebildete Wissenschaft mit klar definierten Grenzen. Jedoch originelle Ideen Faraday interessierte sich für Maxwell und beschloss, ihnen eine mathematische Form zu geben. Durch die Einführung der Konzepte von Verschiebungsströmen und Feldstärken schuf Maxwell zunächst die Elektrodynamik von Dielektrika unter Verwendung von Mossottis Theorie. Er erweitert diese Ideen mit Korrekturen für den Magnetismus und erstellt auch die Theorie der elektromagnetischen Induktion. Dadurch reduziert sich die ganze Konstruktion auf die berühmten sechs Maxwell-Gleichungen. Diese Gleichungen stellen die Kontinuität von Phänomenen her, bestimmen Änderungen im Feld, im Gegensatz zum Newtonschen Modell, wo Gesetze Änderungen im Verhalten materieller Partikel bestimmen. Sie verknüpfen räumlich und zeitlich benachbarte Ereignisse. Viele sahen eine Reihe logischer Fehler und Ungereimtheiten in der Konstruktion von Maxwells Theorie. Aber es erklärte viel, und am Ende des 19. Jahrhunderts waren die führenden Physiker der von Hertz geäußerten Meinung: Es ist notwendig, die Maxwell-Gleichungen als Hypothesen, Postulate, zu akzeptieren, 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 Gelehrte Gesellschaften, Auszeichnungen der Wiener, Pariser, Turiner Akademie der Wissenschaften, der Royal Society of London etc. Geboren in Hamburg in der Familie eines Rechtsanwalts. Er promovierte an der Universität Berlin (1880) und war Assistent von G. Helmholtz. Seit 1883 - Assistenzprofessor an der Universität Kiel, 1885-89 - Professor an der Höheren Technischen Schule in Karlsruhe, seit 1889 - an der Universität Bonn.

Die Hauptwerke beziehen sich auf Elektrodynamik und Mechanik. 1887 schlug er in seiner Arbeit "Über sehr schnelle elektrische Schwingungen" einen erfolgreichen Entwurf eines Generators elektromagnetischer Schwingungen (Hertzscher Schwinger) und ein Verfahren zu ihrer Detektion (Hertzscher Resonator) vor und entwickelte erstmals eine Theorie eines Schwingers die elektromagnetische Wellen in den Weltraum aussendet. Experimentell wurde die Existenz elektromagnetischer Wellen nachgewiesen, die sich im freien Raum gemäß der Maxwell-Theorie ausbreiten. Er gab den Gleichungen der Elektrodynamik eine symmetrische Form, die den vollständigen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen deutlich machte (Maxwell-Hertz-Elektrodynamik). 1887 beobachtete er einen externen photoelektrischen Effekt und stellte fest, dass die elektrische Entladung intensiver war, wenn die Elektroden mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurden. In der Arbeit "Über den Durchgang von Kathodenstrahlen durch dünne Metallschichten" (1891) entdeckte er die Durchlässigkeit von Metallen für Kathodenstrahlen und legte damit den Grundstein für das Studium dieser Strahlen und des Aufbaus der Materie. Er baute die Mechanik mit der Einführung nichtholonomer Nebenbedingungen, der Interpretation eines mechanischen Systems als System, auf eine große Anzahl Freiheitsgraden und Anwendung des Prinzips des kürzesten Weges bzw. der geringsten Krümmung.

Nach ihm ist die Frequenzeinheit Hertz benannt.

In Anlehnung an seine Gleichungen und Faradays Ideen über die Natur des Lichts baut Maxwell eine elektromagnetische Lichttheorie auf, die die Ausbreitung transversaler elektromagnetischer Wellen beschreibt. Weitere Voraussetzungen dafür wurden auch von Weber und Kirchhoff bei der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Induktion entlang eines Drahtes gewonnen: Sie entpuppte sich als gleich Lichtgeschwindigkeit. Zu dieser Zeit wurden Schwingungen der elektrischen Entladung eines Kondensators in einem Schaltkreis mit einer Induktionsspule entdeckt und untersucht, und 1884 zeigte Hertz, dass diese Schwingungen das Auftreten von Wellen im Raum verursachen, die aus senkrecht zueinander polarisierten elektrischen und magnetischen Schwingungen bestehen Sonstiges. Er entdeckte auch die Reflexion, Brechung und Interferenz solcher Wellen. Eine wichtige Bestätigung der elektromagnetischen Theorie waren die Experimente des russischen Physikers Pyotr Nikolaevich Lebedev (1866-1912), der 1900 die Größe des Lichtdrucks in voller Übereinstimmung mit Maxwells Theorie maß.

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

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. März 1859 - 13. Januar 1906) war ein russischer Physiker und Elektroingenieur. Geboren im Dorf Turinskiye Rudniki (Provinz Jekaterinburg) in der Familie eines Priesters. Absolvent der Universität St. Petersburg (1882). 1883-1901 lehrte er an den Militärinstituten von Kronstadt. Ab 1901 - Professor am St. Petersburger Elektrotechnischen Institut (ab 1905 - Rektor).

Arbeitet 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 für elektromagnetische Schwingungen und einen Empfänger mit einem empfindlichen Element - einem Kohärer - und erfand auch die erste Empfangsantenne. Ich stellte fest, dass der Antennenempfänger auf Blitzentladungen reagiert, und erstellte einen Blitzdetektor. Am 7. Mai 1895 demonstrierte er seinen Blitzdetektor auf einem Treffen der Physikabteilung der Russischen Physikalisch-Chemischen Gesellschaft und schlug die Möglichkeit vor, damit Signale über eine Entfernung zu übertragen. Bei einem Treffen am 24. März 1896 demonstrierte er die Übertragung von Signalen über eine Entfernung von 250 m. Wenig später schuf G. Marconi ähnliche Geräte, führte Experimente mit ihnen durch und legte den Grundstein für die weit verbreitete Nutzung der Funkkommunikation und 1909 für diese Arbeiten erhalten Nobelpreis als Popov bereits gestorben war. 1897 entdeckte er die Reflexion elektromagnetischer Wellen von Objekten (Schiffen), die sich in ihrem Ausbreitungsweg befanden, was die Grundlage des Radars war.

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

Referenzliste

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Die Phänomene, die aus der Wechselwirkung von Elektrizität und Magnetismus resultieren, werden als Elektromagnetismus bezeichnet.

Entdeckung des Elektromagnetismus

Hans Christian Oersted

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

Bis Anfang des 19. Jahrhunderts ging niemand davon aus, dass Elektrizität und Magnetismus etwas miteinander zu tun hätten. Und selbst die Zweige der Physik, in denen sie berücksichtigt wurden, waren unterschiedlich. Den Beweis für die Existenz eines solchen Zusammenhangs erhielt Oersted 1820 während des Versuchs bei einer Vorlesung an der Universität. Auf dem Experimentiertisch wurde neben dem Stromleiter ein Magnetkompass platziert. Im Moment des Schließens des Stromkreises weicht die Magnetnadel des Kompasses von ihrer ursprünglichen Position ab. Oersted wiederholte das Experiment und erhielt das gleiche Ergebnis.

Örsteds Erfahrung

In nachfolgenden Experimenten zog der Wissenschaftler einen Metalldraht zwischen zwei Gestelle. Darunter befand sich die Magnetnadel. Bevor der Strom durch den Draht geleitet wurde, war der Pfeil von Norden nach Süden ausgerichtet. Nach dem Schließen des Stromkreises wurde es senkrecht zum Draht installiert. Die Experimente wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Die Magnetnadel wurde unter eine Kappe gelegt, aus der Luft herausgepumpt wurde. Aber unabhängig vom Medium weicht er hartnäckig von seiner ursprünglichen Position ab, sobald ein Strom durch den Leiter floss. Dies bedeutete, dass eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters befand, Kräften ausgesetzt war, 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. So wurde der Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen experimentell entdeckt.

Magnetfeld eines geraden Leiters mit Strom

Stromleitungen eines stromdurchflossenen Leiters

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

Wird ein gerader Leiter, durch den der Strom fließt, durch ein Loch in einem Kartonblatt geführt, auf dem kleine Eisen- oder Stahlspäne verstreut sind, so bilden sie konzentrische Kreise, deren Mittelpunkt auf der Achse des Leiters liegt . Diese Kreise stellen die Kraftlinien des Magnetfeldes eines stromdurchflossenen Leiters dar.

Aber wenn Sie dem Leiter eine andere Form geben, sieht das Bild anders aus.

Das Magnetfeld einer Spule mit Strom

Magnetfeld des Solenoids

Indem wir einen stromdurchflossenen Leiter zu einer Spirale biegen, erhalten wir Solenoid (vom griechischen „Rohr“). Die Kraftlinien des von ihm erzeugten Magnetfeldes sind geschlossene Linien. Meistens befinden sie sich in den Kurven.

Wenn Sie den isolierten Draht so um den Rahmen wickeln, dass die Windungen dicht beieinander liegen, erhalten Sie eine Spule. Wenn Strom durch sie geleitet wird, entsteht ein Magnetfeld und die Spule beginnt, Metallgegenstände anzuziehen. Diese Anziehungskraft wird stark verstärkt, indem man einen Stahl- oder Eisenstab in die Spule einführt, die man nennt Ader . Der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das den Kern magnetisiert. Dann wird das Magnetfeld des Kerns zum Magnetfeld des Solenoids selbst hinzugefügt, wodurch es erhöht wird. Eine Spule mit einem Kern wird genannt Elektromagnet .

Prostder Elektromagnet

Das Magnetfeld eines Elektromagneten lässt sich durch Erhöhen oder Verringern der Stromstärke oder der Windungszahl der Wicklung einstellen. Jede Spule erzeugt ihr eigenes Magnetfeld. Und je mehr Windungen ein Elektromagnet hat, desto stärker ist sein Feld. Dementsprechend wird das Magnetfeld geschwächt, wenn die Anzahl der Windungen verringert wird.

Der erste Elektromagnet wurde 1825 vom englischen Ingenieur William Sturgeon hergestellt. Sein Gerät war ein gebogener Stab aus Weicheisen, der lackiert wurde, um ihn vom Draht zu isolieren. Auf den Stab wurde ein dicker Kupferdraht gewickelt.

Zeichnung des Elektromagneten des Störs

In modernen Elektromagneten bestehen die Kerne aus Ferromagneten – Substanzen, die bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts stark magnetisiert werden, auch ohne ein externes Magnetfeld. Zum Wickeln wird isolierter Aluminium- oder Kupferdraht verwendet.

Anwendung von Elektromagneten

Elektromagnetischer Kran

Ein Elektromagnet ist normalerweise eine Drahtspule, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Der Kern kann am meisten haben andere Form. Es ist Teil eines magnetischen Kreises, durch den ein magnetischer Fluss fließt, der durch einen elektrischen Strom angeregt wird. Der andere, bewegliche Teil des Magnetkreises ist der Anker, der die Kraft überträgt.

Elektromagnete werden in verschiedenen Elektrogeräten verwendet, Telefone, Autos, Fernseher, elektrische Klingeln usw. Mit Hilfe eines Elektromagneten können schwere Metallteile und Gegenstände angezogen, gehalten und bewegt, magnetische und nichtmagnetische Stoffe sortiert werden Kräne, Werkzeugmaschinen mit Magnettischen werden in Hüttenwerken eingesetzt, auf denen das Produkt mit Elektromagneten befestigt wird. In der Medizin werden sie verwendet, um ins Auge gefallene Metallspäne zu entfernen.

Parallelleiter in einem Magnetfeld

Leiter mit Strom in einem Magnetfeld

Ampère setzte Oersteds Forschungen fort und bestätigte die magnetische Wirkung von elektrischem Strom, indem er entdeckte, dass stromführende Leiter miteinander interagieren. Darüber hinaus, Wenn Ströme in parallelen Leitern in die gleiche Richtung fließen, ziehen sich die Leiter an. Wenn ein gleich Die Richtung der Ströme in solchen Leitern ist entgegengesetzt, dann stoßen sie sich ab. Darüber hinaus leitete Ampère ein Gesetz ab, das später nach ihm benannt wurde (Ampères Gesetz), und mit dem Sie die Größe der Kraft bestimmen können, mit der Leiter mit Strom interagieren.

Es sei darauf hingewiesen, dass Ampère einen Leiter in einem Magnetfeld untersuchte, das nicht von einem Dauermagneten, sondern von einem anderen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wurde.

Zwei parallele Leiter mit Strom interagieren mit einer Kraft, die proportional zu den Strömen in elementaren Segmenten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen ist.

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

Einwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter

Leiter mit Strom in einem Magnetfeld

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

Hängen Sie einen Leiter zwischen die Pole eines Permanentmagneten. Sobald Strom durch ihn fließt, wird der Leiter in den Magneten hineingezogen oder aus ihm herausgedrückt, je nach Stromrichtung und Lage der Magnetpole. Die auf einen Leiter wirkende Kraft wird als bezeichnet durch die Kraft von Ampere . Sein Wert hängt von der Größe des Stroms ab ich , die Länge des Abschnitts des Leiters in einem Magnetfeld l , die Größe der magnetischen Induktion des Feldes B und der Winkel α zwischen der Stromrichtung und dem Vektor der magnetischen Induktion:

F= ich l B sinα

Wie wir sehen, Höchster Wert Kräfte werden, wenn der Leiter so angeordnet ist, dass die Richtung des darin fließenden Stroms senkrecht zur Richtung des magnetischen Induktionsvektors ist. In diesem Fallsinα = 1 .

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

Die Richtung der Ampère-Kraft wird mit der Linke-Hand-Regel bestimmt: Wenn der Leiter mit Strom so platziert wird, dass die Magnetfeldlinien 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 Amperekraft.

Die Wirkung eines Magnetfeldes auf eine Schleife mit Strom

Rahmen mit Strom in einem Magnetfeld

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

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 des Magneten gelegt wird, wird ein solcher Rahmen im Anfangsmoment parallel zu der Linie installiert, die die Pole des Magneten verbindet. In diesem Moment ist 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 wird so eingestellt, dass die Linien des Magnetfelds seine Ebene durchdringen.

Die Drehung des Rahmens wird durch die Wirkung der Ampère-Kräfte auf ihn erklärt.

Jede der Seiten des Rahmens kann separat als stromführender Leiter betrachtet werden. Nach dem Gesetz von Ampere wirkt Amperes Kraft auf sie. Seine Richtung wird durch die Regel der linken Hand bestimmt.

Offensichtlich sind die auf gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Rahmens wirkenden Kräfte aufgrund der unterschiedlichen Richtung der Ströme in ihnen von gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung.

An den 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 0, daher sinα ebenfalls gleich Null ist.

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

F = ich · B ein , wo a ist die Seitenlänge des Rahmens.

Die Kräfte erzeugen ein Drehmoment, dessen Skalarwert gleich ist

M = ich · S · B

Unter dem Einfluss dieses Moments beginnt sich der Rahmen zu drehen. In jedem dazwischenliegenden Moment M = ich · S · B · sinβ , wo β ist 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 einem Strom in einem Magnetfeld zu drehen. Wenn Sie den Strom in dem Moment abschalten, in dem der Rahmen noch keine stabile Position erreicht hat, dreht er sich durch Trägheit und stoppt. Wenn der Strom eingeschaltet wird, beginnt er sich wieder zu drehen. Indem Sie den Strom zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausschalten, können Sie eine kontinuierliche Drehung des Rahmens erreichen. Dieses Prinzip basiert auf dem Betrieb des einfachsten Gleichstrommotors.

Damit sich der Rahmen kontinuierlich dreht, muss der Strom alle halbe Umdrehung fließen. In der Engine wird diese Funktion von einem Gerät namens ausgeführt Kollektor . Es besteht aus zwei Halbringen aus Metall. Die Enden des Rahmens sind mit ihnen verlötet. Wenn der Strom angeschlossen ist, macht der Rahmen eine halbe Umdrehung. Mit ihm drehen sich auch die Halbringe des Kollektors. Dadurch wechseln die Kontakte des Rahmens, der darin fließende Strom ändert seine Richtung und der Rahmen dreht sich ununterbrochen weiter.

Gleichstrommotoren werden in Traktionselektroantrieben von Elektrolokomotiven, Straßenbahnen, Diesellokomotiven, Motorschiffen verwendet. Ein Elektroauto-Starter ist auch ein Gleichstrommotor. Mikromotoren treiben Kinderspielzeug, Elektrowerkzeuge, Computergeräte, Nähmaschinen, Staubsauger, Bohrmaschinen usw. an.