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A primeira lei do eletromagnetismo descreve o fluxo de um campo elétrico:

onde ε 0 é alguma constante (leia épsilon-zero). Se não houver cargas dentro da superfície, mas houver cargas fora dela (mesmo muito próximas), então é tudo a mesma coisa média a componente normal de E é zero, então não há fluxo através da superfície. Para mostrar a utilidade deste tipo de afirmação, provaremos que a equação (1.6) coincide com a lei de Coulomb, se levarmos em conta que o campo de uma carga individual deve ser esfericamente simétrico. Vamos desenhar uma esfera em torno de uma carga pontual. Então a componente normal média é exatamente igual ao valor de E em qualquer ponto, porque o campo deve ser direcionado ao longo do raio e ter o mesmo valor em todos os pontos da esfera. Nossa regra afirma então que o campo na superfície de uma esfera multiplicado pela área da esfera (ou seja, o fluxo que flui para fora da esfera) é proporcional à carga dentro dela. Se você aumentar o raio de uma esfera, sua área aumentará conforme o quadrado do raio. O produto da componente normal média do campo elétrico por esta área ainda deve ser igual à carga interna, o que significa que o campo deve diminuir com o quadrado da distância; É assim que se obtém um campo de “quadrados inversos”.

Se tomarmos uma curva arbitrária no espaço e medirmos a circulação do campo elétrico ao longo desta curva, verifica-se que no caso geral não é igual a zero (embora no campo de Coulomb seja assim). Em vez disso, a segunda lei é válida para a eletricidade, afirmando que

E finalmente, a formulação das leis da eletricidade campo magnético será concluído se escrevermos duas equações correspondentes para o campo magnético B:

E para a superfície S, curva limitada COM:

A constante c 2 que aparece na equação (1.9) é o quadrado da velocidade da luz. O seu aparecimento justifica-se pelo facto de o magnetismo ser essencialmente uma manifestação relativística da eletricidade. E a constante ε 0 é definida de modo que surjam as unidades usuais de intensidade da corrente elétrica.

As equações (1.6) - (1.9), assim como a equação (1.1) são todas as leis da eletrodinâmica. Como você se lembra, as leis de Newton eram muito simples de escrever, mas delas decorriam muitas consequências complexas, por isso demorou muito tempo para estudá-las todas. As leis do eletromagnetismo são incomparavelmente mais difíceis de escrever, e devemos esperar que as consequências delas sejam muito mais complicadas, e agora teremos que entendê-las por muito tempo.

Podemos ilustrar algumas leis da eletrodinâmica com uma série de experimentos simples que podem nos mostrar, pelo menos qualitativamente, a relação entre os campos elétrico e magnético. Você se familiariza com o primeiro termo da equação (1.1) ao pentear o cabelo, por isso não falaremos sobre isso. O segundo termo da equação (1.1) pode ser demonstrado passando uma corrente através de um fio pendurado sobre uma barra magnética, como mostrado na Fig. 1.6. Quando a corrente é ligada, o fio se move devido à força que atua sobre ele F = qvXB. Quando a corrente flui por um fio, as cargas em seu interior se movem, ou seja, têm velocidade v, e são influenciadas pelo campo magnético do ímã, fazendo com que o fio se mova para o lado.

Quando o fio é empurrado para a esquerda, você pode esperar que o próprio ímã seja empurrado para a direita. (Caso contrário, todo o dispositivo poderia ser montado em uma plataforma e obter um sistema reativo no qual o momento não seria conservado!) Embora a força seja muito pequena para perceber o movimento de uma haste magnética, o movimento de um dispositivo mais sensível, digamos uma agulha de bússola, é bastante perceptível.

Como a corrente em um fio empurra um ímã? A corrente que flui através do fio cria seu próprio campo magnético ao seu redor, que atua sobre o ímã. De acordo com o último termo da equação (1.9), a corrente deve levar a circálculos vetor B; no nosso caso, as linhas de campo B estão fechadas em torno do fio, como mostra a Fig. 1.7. É este campo B o responsável pela força que atua sobre o ímã.

A Equação (1.9) nos diz que para uma determinada quantidade de corrente fluindo através do fio, a circulação do campo B é a mesma para qualquer curva que envolve o fio. Para aquelas curvas (círculos, por exemplo) que ficam longe do fio, o comprimento acaba sendo maior, então a componente tangente B deve diminuir. Você pode ver que esperaria que B diminuísse linearmente com a distância de um longo fio reto.

Dissemos que a corrente que flui através de um fio cria um campo magnético em torno dele e que, se houver um campo magnético, ele atua com alguma força no fio através do qual a corrente flui. Isso significa que se deve pensar que se um campo magnético for criado por uma corrente que flui em um fio, ele atuará com alguma força no outro fio, que também transporta corrente. Isto pode ser demonstrado usando dois fios suspensos livremente (Fig. 1.8). Quando o sentido das correntes é o mesmo, os fios se atraem, e quando os sentidos são opostos, eles se repelem.

Resumindo, as correntes elétricas, como os ímãs, criam campos magnéticos. Mas então o que é um ímã? Como os campos magnéticos são criados por cargas em movimento, será que o campo magnético criado por um pedaço de ferro é na verdade o resultado de correntes? Aparentemente isso é verdade. Em nossos experimentos, podemos substituir a haste magnética por uma bobina de fio enrolado, como mostra a Fig. 1.9. Quando a corrente passa pela bobina (bem como pelo fio reto acima dela), observa-se exatamente o mesmo movimento do condutor como antes, quando havia um ímã em vez da bobina. Tudo parece como se a corrente circulasse continuamente dentro de um pedaço de ferro. Na verdade, as propriedades dos ímãs podem ser entendidas como uma corrente contínua dentro dos átomos de ferro. A força que atua sobre o ímã da Fig. 1.7 é explicado pelo segundo termo da equação (1.1).

De onde vêm essas correntes? Uma fonte é o movimento dos elétrons nas órbitas atômicas. Este não é o caso do ferro, mas em alguns materiais esta é a origem do magnetismo. Além de girar em torno do núcleo atômico, o elétron também gira em torno de seu próprio eixo (algo semelhante à rotação da Terra); É dessa rotação que surge uma corrente, criando um campo magnético no ferro. (Dissemos “algo como a rotação da Terra” porque, na verdade, na mecânica quântica a questão é tão profunda que não se enquadra suficientemente nas ideias clássicas.) Na maioria das substâncias, alguns eletrões rodam numa direção, outros na outra. , então o magnetismo desaparece, e no ferro (por uma razão misteriosa sobre a qual falaremos mais tarde) muitos elétrons giram de modo que seus eixos apontam na mesma direção e isso serve como fonte de magnetismo.

Como os campos dos ímãs são gerados por correntes, não há necessidade de inserir termos adicionais nas equações (1.8) e (1.9) que levam em conta a existência de ímãs. Essas equações são sobre todos correntes, incluindo correntes circulares de elétrons em rotação, e a lei acaba sendo correta. Deve-se notar também que, de acordo com a equação (1.8), não existem cargas magnéticas semelhantes às cargas elétricas do lado direito da equação (1.6). Eles nunca foram descobertos.

O primeiro termo do lado direito da equação (1.9) foi descoberto teoricamente por Maxwell; ele é muito importante. Ele diz mudança elétrico campos causam fenômenos magnéticos. Na verdade, sem este termo a equação perderia o sentido, pois sem ele as correntes em circuitos abertos desapareceriam. Mas, na realidade, tais correntes existem; O exemplo a seguir ilustra isso. Imagine um capacitor composto por duas placas planas. Ele é carregado por uma corrente que flui para uma das placas e sai da outra, como mostra a Fig. 1.10. Vamos desenhar uma curva em torno de um dos fios COM e estique uma superfície sobre ele (superfície S 1) que cruzará o fio. De acordo com a equação (1.9), a circulação do campo B ao longo da curva COMé dado pela magnitude da corrente no fio (multiplicada por de 2). Mas o que acontece se fizermos uma curva outro superfície S 2 em forma de copo, cujo fundo fica entre as placas do capacitor e não toca o fio? Nenhuma corrente, é claro, passa por tal superfície. Mas uma simples mudança na posição e na forma de uma superfície imaginária não deveria alterar o campo magnético real! A circulação do campo B deve permanecer a mesma. Na verdade, o primeiro termo do lado direito da equação (1.9) é combinado com o segundo termo de tal forma que para ambas as superfícies S1 e S 2 ocorre o mesmo efeito. Para S 2 a circulação do vetor B é expressa através do grau de mudança no fluxo do vetor E de uma placa para outra. E acontece que a variação em E está relacionada com a corrente precisamente de tal forma que a equação (1.9) acaba por ser satisfeita. Maxwell percebeu a necessidade disso e foi o primeiro a escrever a equação completa.

Usando o dispositivo mostrado na FIG. 1.6, outra lei do eletromagnetismo pode ser demonstrada. Vamos desconectar as pontas do fio pendurado da bateria e conectá-las a um galvanômetro - dispositivo que registra a passagem da corrente pelo fio. Fica apenas no campo de um ímã balanço fio, e a corrente fluirá imediatamente através dele. Esta é uma nova consequência da equação (1.1): os elétrons no fio sentirão a ação da força F=qv X B. Sua velocidade agora é direcionada para o lado, pois eles são desviados junto com o fio. Este v, juntamente com o campo B direcionado verticalmente do ímã, resulta em uma força agindo sobre os elétrons junto fios e os elétrons são enviados para o galvanômetro.

Suponhamos, porém, que deixamos o fio sozinho e começamos a mover o ímã. Achamos que não deveria haver diferença, porque o movimento relativo é o mesmo e, de fato, a corrente flui através do galvanômetro. Mas como um campo magnético atua sobre cargas em repouso? De acordo com a equação (1.1), deve surgir um campo elétrico. Um ímã em movimento deve criar um campo elétrico. A questão de como isso acontece é respondida quantitativamente pela equação (1.7). Esta equação descreve muitos fenômenos praticamente muito importantes que ocorrem em geradores e transformadores elétricos.

A consequência mais notável das nossas equações é que, combinando as equações (1.7) e (1.9), podemos compreender porque é que os fenómenos electromagnéticos se propagam por longas distâncias. A razão para isso, grosso modo, é mais ou menos assim: suponha que em algum lugar exista um campo magnético que aumenta de magnitude, digamos, porque uma corrente passa repentinamente por um fio. Então da equação (1.7) segue-se que deve surgir a circulação do campo elétrico. Quando o campo elétrico começa a aumentar gradativamente para que ocorra a circulação, então, conforme a equação (1.9), a circulação magnética também deverá surgir. Mas aumentando esse o campo magnético criará uma nova circulação do campo elétrico, etc. Dessa forma, os campos se propagam pelo espaço sem a necessidade de cargas ou correntes em qualquer lugar que não seja a fonte dos campos. Esta é a maneira que nós Nós vemos uns aos outros! Tudo isso está oculto nas equações do campo eletromagnético.

Corpos carregados são capazes de criar outro tipo de campo além do elétrico. Se as cargas se movem, um tipo especial de matéria é criado no espaço ao seu redor, chamado campo magnético. Conseqüentemente, a corrente elétrica, que é o movimento ordenado de cargas, também cria um campo magnético. Assim como o campo elétrico, o campo magnético não é limitado no espaço, se propaga muito rapidamente, mas ainda com velocidade finita. Só pode ser detectado pelo seu efeito sobre corpos carregados em movimento (e, como consequência, correntes).

Para descrever o campo magnético, é necessário introduzir uma força característica do campo, semelhante ao vetor intensidade E campo elétrico. Tal característica é o vetor B indução magnética. No sistema de unidades SI, a unidade de indução magnética é 1 Tesla (T). Se em um campo magnético com indução B coloque um comprimento de condutor eu com corrente EU, então uma força chamada Força Ampere, que é calculado pela fórmula:

Onde: EM– indução de campo magnético, EU– intensidade da corrente no condutor, eu– seu comprimento. A força Ampere é direcionada perpendicularmente ao vetor de indução magnética e à direção da corrente que flui através do condutor.

Para determinar a direção da força Ampere é geralmente usado Regra da "mão esquerda": se você posicionar a mão esquerda de forma que as linhas de indução entrem na palma e os dedos estendidos sejam direcionados ao longo da corrente, o polegar abduzido indicará a direção da força Ampere que atua no condutor (ver figura).

Se o ângulo α entre as direções do vetor de indução magnética e a corrente no condutor é diferente de 90°, então para determinar a direção da força Ampere é necessário tomar a componente do campo magnético, que é perpendicular à direção da corrente . É necessário resolver os problemas deste tópico da mesma forma que na dinâmica ou na estática, ou seja, descrevendo as forças ao longo dos eixos coordenados ou adicionando as forças de acordo com as regras de adição de vetores.

Momento de forças que atuam no quadro com corrente

Deixe o quadro com corrente estar em um campo magnético e o plano do quadro seja perpendicular ao campo. As forças Ampere comprimirão o quadro e sua resultante será igual a zero. Se você mudar a direção da corrente, as forças de Ampere mudarão de direção e a estrutura não será comprimida, mas esticada. Se as linhas de indução magnética estiverem no plano da estrutura, ocorre um momento rotacional das forças Ampere. Momento rotacional das forças Ampere igual a:

Onde: S- área do quadro, α - o ângulo entre a normal ao quadro e o vetor de indução magnética (a normal é um vetor perpendicular ao plano do quadro), N– número de voltas, B– indução de campo magnético, EU– força atual no quadro.

Força de Lorentz

Força Ampère atuando em um segmento de condutor de comprimento Δ eu com força atual EU, localizado em um campo magnético B pode ser expresso em termos de forças que atuam em portadores de carga individuais. Essas forças são chamadas Forças de Lorentz. Força de Lorentz agindo sobre uma partícula com carga q em um campo magnético B, movendo-se em velocidade v, é calculado usando a seguinte fórmula:

Canto α nesta expressão é igual ao ângulo entre a velocidade e o vetor de indução magnética. A direção da força de Lorentz agindo sobre positivamente uma partícula carregada, bem como a direção da força Ampere, podem ser encontradas usando a regra da mão esquerda ou a regra de verruma (como a força Ampere). O vetor de indução magnética precisa ser inserido mentalmente na palma da mão esquerda, quatro dedos fechados devem ser direcionados de acordo com a velocidade de movimento da partícula carregada e o polegar dobrado mostrará a direção da força de Lorentz. Se a partícula tiver negativo carga, então a direção da força de Lorentz, encontrada pela regra da mão esquerda, precisará ser substituída pela direção oposta.

A força de Lorentz é direcionada perpendicularmente aos vetores de indução de velocidade e campo magnético. Quando uma partícula carregada se move em um campo magnético A força de Lorentz não funciona. Portanto, a magnitude do vetor velocidade não muda quando a partícula se move. Se uma partícula carregada se move em um campo magnético uniforme sob a influência da força de Lorentz, e sua velocidade está em um plano perpendicular ao vetor de indução do campo magnético, então a partícula se moverá em um círculo, cujo raio pode ser calculado usando a seguinte fórmula:

A força de Lorentz, neste caso, desempenha o papel de uma força centrípeta. O período de revolução de uma partícula em um campo magnético uniforme é igual a:

A última expressão mostra que para partículas carregadas de uma determinada massa eu o período de revolução (e, portanto, tanto a frequência quanto a velocidade angular) não depende da velocidade (e, portanto, da energia cinética) e do raio da trajetória R.

Teoria do campo magnético

Se dois fios paralelos conduzem corrente na mesma direção, eles se atraem; se estiverem em direções opostas, eles se repelem. As leis deste fenômeno foram estabelecidas experimentalmente por Ampere. A interação das correntes é causada por seus campos magnéticos: o campo magnético de uma corrente atua como uma força Ampere sobre outra corrente e vice-versa. Experimentos mostraram que o módulo de força que atua em um segmento de comprimento Δ eu cada um dos condutores é diretamente proporcional à intensidade da corrente EU 1 e EU 2 em condutores, comprimento de corte Δ eu e inversamente proporcional à distância R entre eles:

Onde: μ 0 é um valor constante chamado constante magnética. A introdução da constante magnética no SI simplifica a escrita de uma série de fórmulas. Seu valor numérico é:

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

Comparando a expressão dada para a força de interação de dois condutores com a corrente e a expressão para a força Ampere, não é difícil obter uma expressão para indução do campo magnético criado por cada um dos condutores retos que transportam correnteà distância R Dele:

Onde: μ – permeabilidade magnética da substância (mais sobre isso abaixo). Se a corrente flui em uma volta circular, então centro da volta campo magnético indução determinado pela fórmula:

Linhas de energia O campo magnético é chamado de linha ao longo da tangente à qual as setas magnéticas estão localizadas. Agulha magnética chamado de ímã longo e fino, seus pólos são pontiagudos. Uma agulha magnética suspensa por um fio sempre gira em uma direção. Além disso, uma extremidade está direcionada para o norte, a outra - para o sul. Daí o nome dos pólos: norte ( N) e sul ( S). Os ímãs sempre têm dois pólos: norte (indicado em azul ou na letra N) e sul (em vermelho ou letra S). Os ímãs interagem da mesma maneira que as cargas: pólos semelhantes se repelem e pólos diferentes se atraem. É impossível obter um ímã com um pólo. Mesmo que o ímã esteja quebrado, cada parte terá dois pólos diferentes.

Vetor de indução magnética

Vetor de indução magnética- uma grandeza física vetorial característica de um campo magnético, numericamente igual à força que atua sobre um elemento de corrente de 1 A e comprimento de 1 m, se a direção da linha do campo for perpendicular ao condutor. Designada EM, unidade de medida - 1 Tesla. 1 T é um valor muito grande, portanto, em campos magnéticos reais, a indução magnética é medida em mT.

O vetor de indução magnética é direcionado tangencialmente às linhas de força, ou seja, coincide com a direção do pólo norte de uma agulha magnética colocada em um determinado campo magnético. A direção do vetor de indução magnética não coincide com a direção da força que atua sobre o condutor, portanto as linhas do campo magnético, a rigor, não são linhas de força.

Linha de campo magnético de ímãs permanentes direcionado em relação aos próprios ímãs, conforme mostrado na figura:

Quando campo magnético da corrente elétrica para determinar a direção das linhas de campo, use a regra "Mão direita": se você levar o condutor mão direita de modo que o polegar seja direcionado ao longo da corrente, então quatro dedos que seguram o condutor mostram a direção das linhas de força ao redor do condutor:

No caso da corrente contínua, as linhas de indução magnética são círculos cujos planos são perpendiculares à corrente. Os vetores de indução magnética são direcionados tangencialmente ao círculo.

Solenóide- um condutor enrolado em uma superfície cilíndrica através da qual flui uma corrente elétrica EU semelhante ao campo de um ímã permanente direto. Dentro do comprimento do solenóide eu e número de voltas Né criado um campo magnético uniforme com indução (sua direção também é determinada pela regra da mão direita):

As linhas do campo magnético parecem linhas fechadas- Esta é uma propriedade comum a todas as linhas magnéticas. Tal campo é chamado de campo de vórtice. No caso dos ímãs permanentes, as linhas não terminam na superfície, mas penetram no ímã e são fechadas internamente. Essa diferença entre campos elétricos e magnéticos é explicada pelo fato de que, diferentemente dos campos elétricos, não existem cargas magnéticas.

Propriedades magnéticas da matéria

Todas as substâncias possuem propriedades magnéticas. Propriedades magneticas substâncias são caracterizadas permeabilidade magnética relativa μ , para o qual o seguinte é verdadeiro:

Esta fórmula expressa a correspondência do vetor de indução do campo magnético no vácuo e em um determinado ambiente. Ao contrário da interação elétrica, durante a interação magnética em um meio pode-se observar tanto um aumento quanto um enfraquecimento da interação em comparação com o vácuo, que possui permeabilidade magnética μ = 1. você materiais diamagnéticos permeabilidade magnética μ um pouco menos de um. Exemplos: água, nitrogênio, prata, cobre, ouro. Estas substâncias enfraquecem um pouco o campo magnético. Paramagnetos- oxigênio, platina, magnésio - melhoram um pouco o campo, tendo μ um pouco mais de um. você ferromagnetos- ferro, níquel, cobalto - μ >> 1. Por exemplo, para ferro μ ≈ 25000.

Fluxo magnético. Indução eletromagnética

Fenômeno Indução eletromagnética foi descoberto pelo notável físico inglês M. Faraday em 1831. Consiste na ocorrência de uma corrente elétrica em um circuito condutor fechado quando o fluxo magnético que penetra no circuito muda ao longo do tempo. Fluxo magnético Φ do outro lado da praça S contorno é chamado de valor:

Onde: B– módulo do vetor de indução magnética, α – ângulo entre o vetor de indução magnética B e normal (perpendicular) ao plano do contorno, S– área de contorno, N– número de voltas no circuito. A unidade SI de fluxo magnético é chamada Weber (Wb).

Faraday estabeleceu experimentalmente que quando o fluxo magnético muda em um circuito condutor, fem induzida ε ind, igual à taxa de variação do fluxo magnético através de uma superfície delimitada por um contorno, tomada com sinal negativo:

Uma mudança no fluxo magnético que passa por um circuito fechado pode ocorrer por duas razões possíveis.

1. O fluxo magnético muda devido ao movimento do circuito ou de suas partes em um campo magnético constante no tempo. Este é o caso quando os condutores, e com eles os portadores de carga livre, se movem em um campo magnético. A ocorrência de fem induzida é explicada pela ação da força de Lorentz sobre cargas livres em condutores em movimento. A força de Lorentz desempenha o papel de uma força externa neste caso.
2. A segunda razão para a mudança no fluxo magnético que penetra no circuito é a mudança no tempo do campo magnético quando o circuito está estacionário.

Ao resolver problemas, é importante determinar imediatamente por que o fluxo magnético muda. Três opções são possíveis:

1. O campo magnético muda.
2. A área de contorno muda.
3. A orientação do quadro em relação ao campo muda.

Neste caso, ao resolver problemas, o EMF geralmente é calculado módulo. Prestemos atenção também a um caso particular em que ocorre o fenômeno da indução eletromagnética. Portanto, o valor máximo da fem induzida em um circuito que consiste em N curvas, área S, girando com velocidade angular ω em um campo magnético com indução EM:

Movimento de um condutor em um campo magnético

Ao mover um condutor com comprimento eu em um campo magnético B com velocidade v em suas extremidades surge uma diferença de potencial, causada pela ação da força de Lorentz sobre os elétrons livres do condutor. Esta diferença de potencial (estritamente falando, fem) é encontrada usando a fórmula:

Onde: α - o ângulo medido entre a direção da velocidade e o vetor de indução magnética. Nenhum EMF ocorre nas partes estacionárias do circuito.

Se a haste for longa eu gira em um campo magnético EM em torno de uma de suas extremidades com velocidade angular ω , então surgirá uma diferença de potencial (EMF) em suas extremidades, que pode ser calculada pela fórmula:

Indutância. Autoindução. Energia do campo magnético

Auto-induçãoé um caso especial importante de indução eletromagnética, quando um fluxo magnético variável, causando uma fem induzida, é criado por uma corrente no próprio circuito. Se a corrente no circuito em consideração mudar por algum motivo, então o campo magnético dessa corrente também muda e, conseqüentemente, o próprio fluxo magnético que penetra no circuito. Uma fem autoindutiva surge no circuito, o que, de acordo com a regra de Lenz, evita uma mudança na corrente no circuito. Fluxo automagnético Φ , perfurando um circuito ou bobina com corrente, é proporcional à intensidade da corrente EU:

Fator de proporcionalidade eu nesta fórmula é chamado de coeficiente de autoindução ou indutância bobinas. A unidade SI de indutância é chamada Henry (H).

Lembrar: a indutância do circuito não depende do fluxo magnético ou da intensidade da corrente nele, mas é determinada apenas pela forma e tamanho do circuito, bem como pelas propriedades ambiente. Portanto, quando a corrente no circuito muda, a indutância permanece inalterada. A indutância da bobina pode ser calculada usando a fórmula:

Onde: n- concentração de voltas por unidade de comprimento da bobina:

fem auto-induzida, surgindo em uma bobina com valor de indutância constante, segundo a fórmula de Faraday é igual a:

Portanto, o EMF de autoindução é diretamente proporcional à indutância da bobina e à taxa de variação da corrente nela.

Um campo magnético tem energia. Assim como existe uma reserva de energia elétrica em um capacitor carregado, existe uma reserva de energia magnética na bobina através da qual a corrente flui. Energia C m campo magnético de uma bobina com indutância eu, criado pelo atual EU, podem ser calculados usando uma das fórmulas (elas seguem uma da outra, levando em consideração a fórmula Φ = LI):

Correlacionando a fórmula da energia do campo magnético da bobina com suas dimensões geométricas, podemos obter uma fórmula para densidade de energia do campo magnético volumétrico(ou energia por unidade de volume):

Regra de Lenz

Inércia- um fenômeno que ocorre tanto na mecânica (ao acelerar um carro, inclinamo-nos para trás, contrariando o aumento da velocidade, e ao travar, inclinamo-nos para a frente, contrariando a diminuição da velocidade), como na física molecular (quando um líquido é aquecido, a taxa de evaporação aumenta, as moléculas mais rápidas deixam o líquido, reduzindo a velocidade aquecimento) e assim por diante. No eletromagnetismo, a inércia se manifesta em oposição às mudanças no fluxo magnético que passa por um circuito. Se o fluxo magnético aumentar, então a corrente induzida que surge no circuito é direcionada de modo a evitar o aumento do fluxo magnético, e se o fluxo magnético diminuir, então a corrente induzida que surge no circuito é direcionada de modo a evitar o fluxo magnético de diminuir.

Nesse site. Para isso, não é necessário nada, a saber: dedicar de três a quatro horas todos os dias à preparação para o CT de física e matemática, ao estudo da teoria e à resolução de problemas. O fato é que o CT é um exame onde não basta apenas saber física ou matemática, é preciso também ser capaz de resolver um grande número de problemas de forma rápida e sem falhas. tópicos diferentes e de complexidade variável. Este último só pode ser aprendido resolvendo milhares de problemas.

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A disciplina “Eletromagnetismo” é uma seção do curso de física geral, que apresenta conhecimentos sistemáticos sobre os conceitos básicos e leis do eletromagnetismo como generalizações de fatos experimentais expressos em forma matemática. Os experimentos fundamentais subjacentes às leis fundamentais da eletricidade, magnetismo e eletrodinâmica são estudados e demonstrados. São analisados ​​modelos teóricos de interação dos campos elétricos e magnéticos com a matéria e analisadas as áreas de sua aplicabilidade. Explicado tecnologias modernas, que são baseados nas leis do eletromagnetismo. A disciplina desenvolve nos alunos os fundamentos de uma visão de mundo das ciências naturais e é a base para um estudo mais aprofundado de disciplinas profissionais gerais e especiais.

Formatar

A forma de estudo é por correspondência (a distância). As aulas semanais incluirão a visualização de videoaulas temáticas, equipadas com gravações em vídeo de experimentos de palestras, e a realização de tarefas de teste com verificação automatizada de resultados. Um elemento importante do estudo da disciplina é a solução independente de problemas físicos. A solução deverá conter um raciocínio rigoroso e logicamente correto que conduza à resposta correta.

Requisitos

O curso é destinado a bacharéis do 1º ano. É necessário conhecimento de física e matemática no nível do ensino médio (11ª série).

Programa do curso

Palestra 1. Interação eletromagnética e seu lugar entre outras interações na natureza. Desenvolvimento da física da eletricidade nas obras de M. V. Lomonosov. Carga elétrica. Portadores de carga microscópicos. A experiência de Millikan. Lei da conservação da carga elétrica. Eletrostática. A lei de Coulomb e sua interpretação de campo. Vetor de intensidade de campo elétrico. O princípio da superposição de campos elétricos.

Palestra 1. Fluxo vetorial de intensidade de campo elétrico. Teorema eletrostático de Ostrogradsky-Gauss, sua representação na forma diferencial. Potencial de campo eletrostático. Potencial. Normalização do potencial. Relação entre o vetor de intensidade e potencial do campo eletrostático. Trabalho de forças de campo eletrostático. Potencial do sistema de carga.

Aula 3. Circulação do vetor de intensidade do campo elétrico. O teorema da circulação, sua representação de forma diferencial. Equações de Poisson e Laplace. Dipolo elétrico. Potencial e força de campo de um dipolo.

Aula 4. Condutores em um campo eletrostático. Indução eletrostática. Intensidade do campo na superfície e dentro do condutor. Distribuição de carga na superfície de um condutor. Proteção eletrostática. Relação entre carga e potencial de um condutor. Capacidade elétrica. Capacitores. Capacidade de capacitores planos, esféricos e cilíndricos. Uma bola condutora em um campo eletrostático uniforme.

Aula 5. Dielétricos. Cobranças gratuitas e vinculadas. Vetor de polarização. Relação entre o vetor de polarização e as cargas ligadas. Vetor de indução elétrica em um dielétrico. Suscetibilidade dielétrica e constante dielétrica e substâncias. Equação material para vetores de campo elétrico. Teorema de Ostrogradsky-Gauss para dielétricos. Sua forma diferencial. Condições de contorno para vetores de tensão e indução elétrica. Bola dielétrica em um campo elétrico uniforme.

Aula 6. Energia do sistema cargas eletricas. Energia de interação e autoenergia. Energia do campo eletrostático e sua densidade volumétrica. Energia de um dipolo elétrico em um campo externo. Ponderomotrizes em um campo elétrico e métodos para seus cálculos. Relação entre forças ponderomotrizes e a energia do sistema de carga.

Aula 7. Teoria eletrônica da polarização de dielétricos. Campo local. Dielétricos não polares. Fórmula de Clausius-Mossotti. Dielétricos polares. Função Langevin. Polarização de cristais iônicos. Propriedades elétricas dos cristais. Piroelétrica. Piezoelétrica. Efeito piezoelétrico direto e inverso e sua aplicação. Ferroelétricos. Estrutura de domínio de ferroelétricos. Histerese. Ponto Curie. Aplicação de ferroelétricos.

Aula 8. Corrente elétrica constante. Força e densidade atuais. Linhas atuais. Campo elétrico em um condutor percorrido por corrente e suas fontes. Equação de continuidade. Condição para que a corrente seja estacionária. Tensão elétrica. Lei de Ohm para uma seção de um circuito. Resistência elétrica. Lei de Ohm em forma diferencial. Condutividade elétrica específica de uma substância.

Aula 9. Correntes em meios contínuos. Aterramento. Operação e alimentação CC. Lei de Joule-Lenz e sua forma diferencial. Forças externas. Força eletromotriz. Lei de Ohm para circuito fechado. Cadeias ramificadas. Regras de Kirchhoff. Exemplos de sua aplicação.

Aula 10. Magnetostática. Interação de correntes. Elemento atual. A lei Biot-Savart-Laplace e sua interpretação de campo. Vetor de indução de campo magnético. O efeito de um campo magnético sobre uma corrente. Lei de Ampère. Teorema da circulação do vetor de indução do campo magnético. Forma diferencial do teorema da circulação. Natureza vórtice do campo magnético. Equação div B = 0. Conceito de potencial vetorial. Natureza relativística das interações magnéticas.

Aula 11. Corrente elementar e seu momento magnético. Campo magnético de uma corrente elementar. Corrente elementar em um campo magnético. Campo magnético de uma carga em movimento. Interação de cargas móveis. Força de Lorentz. Efeito Hall.

Aula 12. Fluxo vetorial de indução magnética (fluxo magnético). Coeficiente de autoindutância (indutância). O coeficiente de indução mútua de dois circuitos. Função de corrente potencial. Forças que atuam em um circuito condutor de corrente. Interação de dois circuitos com corrente.

Aula 13. Indução eletromagnética. Lei da indução eletromagnética de Faraday e sua forma diferencial. Regra de Lenz.

Aula 14. Magnéticos. O conceito de correntes moleculares. O vetor de magnetização de uma substância e sua conexão com correntes moleculares. Vetor de intensidade do campo magnético.

Aula 15. Classificação de materiais magnéticos. Diamagnetos, paramagnetos e ferromagnetos. Descrição clássica do diamagnetismo. Precessão de Larmor.

Aula 16. Ferromagnetos. Magnetização espontânea e temperatura Curie. Estrutura de domínio. Histerese de magnetização, curva de Stoletov.

Aula 17. Correntes quase estacionárias. Condições para quase estacionariedade. Processos transitórios em circuitos RC e LC.

Aula 18. Oscilações forçadas no circuito. O processo de estabelecimento de oscilações forçadas.

Aula 19. Ressonância de tensão. Tensões e correntes em ressonância.

Aula 20. Aplicação técnica de correntes alternadas. Geradores e motores elétricos. Corrente trifásica.

Aula 21. Correntes de alta frequência. Efeito de pele. Espessura da camada da pele.

Aula 22. Teoria clássica da condutividade eletrônica Drude – Lorentz.

Aula 23. Semicondutores.

Resultados de aprendizagem

Como resultado do domínio da disciplina, o aluno deverá conhecer os fenômenos básicos da eletricidade e do magnetismo, métodos de sua descrição teórica e métodos de sua utilização em dispositivos físicos, e ser capaz de resolver problemas da seção “Eletromagnetismo” da física geral. seção do curso.

Competências formadas

Competências necessárias para dominar a disciplina: ONK-1, PC-1; Competências formadas a partir do domínio da disciplina: PC-2; ONK-5.

Certificado

O certificado de participação normalmente é emitido ao atingir 60% da avaliação geral, desde que o trabalho seja submetido dentro de um prazo rigoroso. Um certificado de honra geralmente é emitido ao atingir 90% da avaliação geral, desde que o trabalho seja enviado antes do prazo flexível.

História da Física: Eletromagnetismo

No século XVIII, continuaram os trabalhos de eletrificação de corpos, iniciados por Gilbert. Numerosas experiências realizadas em vários laboratórios permitiram descobrir não só novos materiais capazes de serem electrificados por fricção, mas também descobrir uma série de novas propriedades deste fenómeno. O inglês Stephen Gray (1670-1735) mostrou que a eletricidade pode se espalhar através de certos corpos, ou seja, introduziu os conceitos de condutor e isolante. Dispositivos para geração de eletricidade foram aprimorados - foram criadas máquinas eletrostáticas, capacitores (jarra de Leyden).

O interesse por novos fenômenos se espalhou amplamente pela sociedade por meio de vários truques e demonstrações públicas. Franklin conduziu estudos sistemáticos de fenômenos elétricos e formulou sua teoria em 1747 usando o conceito de fluido elétrico, cujo excesso ou deficiência causa a eletrificação dos corpos.

Franklin Benjamin (17/01/1706-17/04/1790) - Físico americano, membro da Royal Society de Londres (1756), Academia de Ciências de São Petersburgo (1789), figura política e pública proeminente, Medalha Copley (1753 ). Nasceu em Boston na família de um empresário. Recebi minha educação sozinho. Em 1727 ele organizou sua própria gráfica na Filadélfia, e em 1731 - a primeira na América. biblioteca Pública, em 1743 – americano sociedade filosófica(a primeira instituição de pesquisa científica da América), em 1751 - a Universidade da Pensilvânia. 1737-53 - postmaster da Pensilvânia, 1753-74 - colônias norte-americanas. Participou da elaboração da Declaração de Independência e da Constituição dos EUA.

Em 1746-54 conduziu pesquisas experimentais sobre eletricidade, explicou a ação da jarra de Leyden, construiu o primeiro capacitor plano, inventou um pára-raios em 1750, provou em 1753 a identidade da eletricidade terrestre e atmosférica e a natureza elétrica dos relâmpagos. Desenvolveu (1750) uma teoria dos fenômenos elétricos e introduziu os conceitos de eletricidade positiva e negativa. Ele estudou a condutividade térmica dos metais e a propagação do som no ar e na água. Autor de diversas invenções (utilização de faíscas para explodir pólvora, etc.).

As obras de Franklin foram consideradas indignas de publicação pela Royal Society de Londres e foram publicadas por seu amigo, o físico inglês Peter Collinson (1694-1768), às suas próprias custas. O sucesso da publicação foi enorme e, após a realização de seu experimento com um pára-raios em 1752, confirmando a equivalência entre uma faísca elétrica e um raio, o entusiasmo científico pelo estudo dos fenômenos elétricos se espalhou amplamente. A Royal Society concedeu a Franklin a Medalha Copley em 1753 e o elegeu membro em 1756.

A metodologia geral da pesquisa científica, já estabelecida naquela época, exigia medições quantitativas. E o fundador da metrologia elétrica foi Volta, que também projetou eletrômetros muito precisos.

Volta Alessandro (18/02/1745-05/03/1827) - Físico, químico e fisiologista italiano, membro da Royal Society de Londres e da Academia de Ciências de Paris, Medalha Copley (1794). Nasceu em Como em uma família nobre família nobre. Estudou na escola da Ordem dos Jesuítas. Em 1774-79 lecionou física no ginásio de Como, a partir de 1779 - professor da Universidade de Pavia, em 1815-19 - diretor da Faculdade de Filosofia da Universidade de Pádua.

Atua na área de eletricidade, física molecular. Desenvolveu a teoria da jarra de Leyden (1769), construiu um eletróforo de resina (1775), um eletroscópio com canudos (1781), um capacitor (1783), um eletrômetro e outros instrumentos, e descreveu o funcionamento do telégrafo. Em 1792, L. Galvani começou a repetir experimentos com eletricidade “animal” e chegou à conclusão de que a causa da corrente de curto prazo era a presença de um circuito de duas classes de condutores diferentes (dois metais e um líquido). No final de 1799 ele projetou a primeira fonte de corrente galvânica de longo prazo - uma coluna voltaica. Ele descobriu (1795) a eletrificação mútua de metais diferentes mediante contato e compilou uma série de tensões para metais (1801). Ele estudou a expansão térmica do ar, observou a difusão e estabeleceu a condutividade da chama (1787). Descobriu o metano (1776) e explicou sua formação pela decomposição de restos de animais e plantas.

A unidade de tensão, o volt, leva seu nome.

Coulomb conduziu pesquisas brilhantes no campo da eletricidade.

Pingente Charles Auguste (14/06/1736-23/08/1806) - físico e engenheiro militar francês, membro da Academia de Ciências de Paris (1803). Nasceu em Angoulême no seio da família de um funcionário. Formou-se na escola de engenharia militar de Mézières (1761), após o que passou vários anos no serviço militar na Martinica, onde supervisionou a construção da frota. Depois de retornar à França, serviu no corpo de engenharia militar, prestando cada vez mais atenção à pesquisa científica ao longo do tempo.

Atua na área de mecânica, eletricidade e magnetismo. O primeiro trabalho científico, iniciado na Martinica, “Sobre a aplicação das regras de máximos e mínimos a certos problemas de estática relativos à arquitectura”, determinou o progresso da mecânica estrutural nos séculos XVIII e XIX. Formulou as leis do atrito de deslizamento e rolamento em 1781. Em 1784 pesquisou e projetou balanças de torção, com a ajuda das quais em 1785 estabeleceu a lei fundamental da eletrostática, e em 1788 a estendeu às interações dos pólos magnéticos. Ele apresentou a hipótese do magnetismo, segundo a qual os fluidos magnéticos não são livres, mas estão associados a moléculas individuais que são polarizadas durante o processo de magnetização. Construiu um magnetômetro (1785).

A unidade de carga, o pingente, leva o seu nome.

Coulomb projetou uma escala de torção altamente sensível, tendo previamente estabelecido que a força de torção de um fio depende da substância do fio, é proporcional ao ângulo de torção e à quarta potência do diâmetro do fio, e é inversamente proporcional ao seu comprimento. Usando essas escalas, Coulomb estabeleceu experimentalmente que as forças de atração e repulsão das cargas são inversamente proporcionais aos quadrados das distâncias. Coulomb postulou a proporcionalidade da força de interação ao produto das cargas elétricas, ou seja, durante 4 anos de trabalho intensivo, de 1785 a 1789, ele lançou as bases da eletrostática moderna. Como as forças eletrostáticas dependem da distância da mesma forma que as forças newtonianas, todas as propriedades das forças newtonianas encontradas na mecânica teórica podem ser usadas aqui.

Deve-se notar que usando também balanças de torção, Cavendish em 1798 provou a validade da lei da gravidade para corpos comuns (não celestes).

Cavendish Henry (10.10.1731-24.02.1810) - Físico e químico inglês, membro da Royal Society de Londres (1760). Nasceu em Nice na família de um senhor. Em 1749-53 estudou na Universidade de Cambridge. Ele passou a maior parte de sua vida sozinho, entregando-se completamente trabalho científico em nosso próprio laboratório.

Publicou apenas os artigos nos quais tinha plena confiança, razão pela qual muitos trabalhos sobre eletricidade permaneceram desconhecidos. Esses trabalhos, publicados em 1879 por J. Maxwell, mostraram que já em 1771 ele chegou à conclusão de que a força da interação eletrostática é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Ele introduziu o conceito de capacidade elétrica, descobriu a influência do meio na capacitância de um capacitor e determinou a constante dielétrica de várias substâncias. Em 1798 ele mediu a força gravitacional de atração de duas pequenas esferas, determinou a constante gravitacional, a massa e a densidade média da Terra. Obteve o hidrogênio em 1766 e determinou suas propriedades, estabeleceu a composição da água e mostrou que ela pode ser obtida artificialmente e determinou o teor de oxigênio no ar (1781).

Desde os primeiros casos de choque elétrico surgiram especulações sobre a “eletricidade animal”, o regulador da vida animal. Em 1773, surgiram as memórias de John Walsh sobre a arraia elétrica, e os fisiologistas levantaram uma hipótese sobre a “essência animal”, que, como o fluido elétrico, é responsável pela transmissão dos sinais nervosos.

O professor de anatomia da Universidade de Bolonha, Luigi Galvani (1737-1798), conduziu experimentos eletrofisiológicos e chegou à conclusão de que o efeito da contração muscular do sapo devido às influências fisiológicas e elétricas é o mesmo. Os resultados surpreenderam Volt, Atenção especial que foi atraído por uma característica do experimento galvânico: a transmissão de um sinal de contração muscular por condutores homogêneos ou compostos por metais diferentes era realizada de diferentes maneiras.

Volta primeiro conduziu um experimento com a detecção de um gosto amargo na língua se uma extremidade fosse aplicada na ponta e a outra extremidade de um arco feito de metais diferentes fosse aplicada no meio. Então ele começou estudos puramente físicos da eletricidade de contato e obteve a lei das tensões de contato, organizando os metais em uma “série de tensões”. Como resultado, Volta inventou um novo dispositivo, que primeiro chamou de “órgão elétrico artificial” e depois de “aparelho eletromotriz”. Mais tarde, os franceses começaram a chamá-la de "coluna galvânica ou voltaica".

A invenção das células galvânicas (fontes elétricas muito mais convenientes do que as máquinas eletrostáticas) ampliou significativamente o leque de pesquisas em eletricidade. Em primeiro lugar, foi mostrada a identidade dos “fluidos” eléctricos e galvânicos, cuja diferença se manifestou pela primeira vez numa série de processos fisiológicos e químicos (choque eléctrico, acção química da corrente, etc.).

Mesmo após os primeiros estudos na área de eletricidade e magnetismo, surgiram suposições sobre a ligação entre eles. A busca por essa ligação intensificou-se após a descoberta das leis de Coulomb. A experiência decisiva nesta área foi realizada em 1820 por Oersted, que descobriu a deflexão de uma agulha magnética por um condutor condutor de corrente.

Oersted Hans Christian (14/08/1777–09/03/1851) - físico dinamarquês, secretário permanente da Real Sociedade Dinamarquesa (desde 1815), membro honorário de São Petersburgo (1830) e outras academias de ciências. Nasceu em Rudkøbing na família de um farmacêutico. Graduado pela Universidade de Copenhague: diploma de farmacêutico (1797), doutorado (1799). A partir de 1806 foi professor nesta universidade e, a partir de 1829, foi também diretor da Escola Politécnica de Copenhague.

Atua na área de eletricidade, acústica, física molecular. Para criatividade científica Oersted é caracterizado pela busca de relações entre diversos fenômenos naturais. Sua descoberta do efeito da corrente elétrica em uma agulha magnética levou ao surgimento de um novo campo da física - o eletromagnetismo. Em 1822-23, independentemente de J. Fourier, redescobriu o efeito termoelétrico e construiu o primeiro termoelemento. Ele estudou experimentalmente a compressibilidade e a elasticidade de líquidos e gases e inventou o piezômetro.

Ele foi um palestrante e divulgador brilhante, organizou a Sociedade para a Propagação das Ciências Naturais em 1824 e criou o primeiro laboratório de física na Dinamarca.

A unidade de intensidade do campo magnético, oersted, leva seu nome.

Uma coisa a notar fato importante no experimento de Oersted: o efeito descoberto não se enquadrava no conceito newtoniano de interação, onde todas as forças eram centrais. Na mesma década de 1820, os físicos franceses Biot e Felix Savard (1791-1836) estudaram experimentalmente a dependência do campo magnético da distância do condutor condutor de corrente ao ponto de observação. No entanto, eles não conseguiram obter tal dependência de forma geral. Este problema foi resolvido por Laplace e o resultado que obteve lei comumé chamada de lei Bio-Savart-Laplace.

Ao mesmo tempo, Ampere descobriu a interação de correntes, que chamou de eletrodinâmica.

Ampere Andre Marie (22/01/1775–10/06/1836) - físico, matemático e químico francês, membro de Paris (1814), São Petersburgo (1830) e outras academias de ciências. Nasceu em Lyon na família de um empresário. Recebeu educação em casa. Em 1801 começou a lecionar física e química na escola central de Burg. Em 1805-24 trabalhou na Escola Politécnica de Paris (a partir de 1809 - professor), a partir de 1824 - professor no Collège de France.

Os trabalhos físicos são dedicados ao eletromagnetismo. Ele estabeleceu a lei da interação das correntes elétricas (lei de Ampère) e desenvolveu a teoria do magnetismo. De acordo com esta teoria, todas as interações magnéticas são reduzidas à interação de correntes moleculares elétricas circulares, cada uma das quais é equivalente a um ímã plano - uma folha magnética. Ampere foi o primeiro a apontar a estreita ligação entre os processos elétricos e magnéticos. Ele descobriu (1822) o efeito magnético de uma bobina com corrente - um solenóide, que equivale a um ímã permanente, e apresentou a ideia de fortalecer o campo magnético colocando um núcleo de ferro dentro do solenóide. Em 1820 ele propôs a utilização de fenômenos eletromagnéticos para transmitir sinais, inventou o comutador e o telégrafo eletromagnético. Formulou o conceito de “cinemática”, realizou pesquisas na área de filosofia e botânica.

A unidade de corrente, o ampere, leva seu nome.

Ampere também propôs uma hipótese segundo a qual um ímã é uma coleção de correntes e derivou uma fórmula para a interação dos elementos atuais. A teoria que desenvolveu permitiu explicar vários tipos de interações: magnetostáticas, eletromagnéticas e eletrodinâmicas. Os estudos do efeito dos ímãs em condutores condutores de corrente conduzidos por Oersted, Ampere e outros cientistas e a rotação de um condutor condutor de corrente em um campo magnético descoberto em 1821 por Faraday formaram a base para a criação de galvanômetros, que em vários modificações foram amplamente utilizadas no estudo de fenômenos eletromagnéticos.

Faraday Michael (22.09.1791–25.08.1867) - Físico inglês, membro da Royal Society de Londres (1824), Academia de Ciências de São Petersburgo (1830). Nasceu em Londres na família de um ferreiro. A partir dos 12 anos trabalhou como entregador de jornais e depois como aprendiz em uma encadernação. Estudei sozinho. Em 1813 tornou-se assistente de G. Davy na Royal Institution de Londres, em 1825 - diretor do laboratório, substituindo G. Davy neste cargo, em 1833-62 - professor do departamento de química.

Atua na área de eletricidade, magnetismo, magnetoóptica, eletroquímica. A descoberta de Faraday da rotação de um ímã em torno de um condutor condutor de corrente e de um condutor condutor de corrente em torno de um ímã tornou-se a base para um modelo de laboratório de um motor elétrico e revelou claramente a conexão entre fenômenos elétricos e magnéticos, o que finalmente levou ao descoberta e estabelecimento das leis da indução eletromagnética. Em 1835 ele descobriu extracorrentes durante o fechamento e a abertura. Ele comprovou a identidade de diferentes tipos de eletricidade: “animal”, “magnética”, galvânica, termoeletricidade e eletricidade decorrente do atrito. Como resultado de um trabalho de estudo da natureza da corrente elétrica em soluções de ácidos, sais e álcalis, descobriu em 1833 as leis da eletrólise (leis de Faraday), que foram um importante argumento a favor da discrição da eletricidade. Introduziu os conceitos de mobilidade, cátodo, ânodo, íons, eletrólise, eletrólitos, eletrodos e adquiriu um voltímetro. Em 1845 descobriu o diamagnetismo, em 1847 - o paramagnetismo. Ele descobriu a rotação do plano de polarização da luz em um campo magnético (efeito Faraday), o que comprovou a ligação entre luz e magnetismo e marcou o início da magnetoóptica.

Faraday foi o primeiro a introduzir o conceito de campo, a ideia de linhas de força elétricas e magnéticas. A ideia de campo mudou radicalmente a ideia de ação de longo alcance e de espaço, que existia entre Newton e seus seguidores, como um recipiente passivo de corpos e cargas elétricas. Em 1837 ele descobriu a influência dos dielétricos na interação elétrica e introduziu o conceito de constante dielétrica. Ele expressou a ideia da propagação das interações elétricas e magnéticas através de um meio intermediário, a ideia da unidade das forças da natureza (vários tipos de energia) e sua transformação mútua.

A unidade de capacidade, o farad, é nomeada em sua homenagem.

As primeiras pesquisas no campo da eletricidade concentraram-se principalmente em elementos ativos - fontes de força eletromotriz, e praticamente nenhuma atenção foi dada aos condutores passivos. Ohm conduziu estudos experimentais e teóricos sistemáticos de condutividade e formulou suas leis nas formas integral e diferencial em 1827, introduzindo os conceitos e definições precisas força eletromotriz, condutividade elétrica e corrente.

Ohm Georg Simon (16/03/1789-06/07/1854) - físico alemão, membro correspondente da Academia de Berlim (1839), membro da Academia de Ciências de Torino e da Baviera, da Royal Society de Londres (1842), Copley Medalha (1841). Nasceu em Erlangen na família de um mecânico. Graduado pela Universidade de Erlangen, Doutor em Filosofia (1811). Ele ensinou matemática e depois física em vários ginásios. A partir de 1833 - professor na Escola Superior Politécnica de Nuremberg (a partir de 1839 - reitor), 1849-52 - na Universidade de Munique.

Trabalhar na área de eletricidade, acústica, óptica. Em 1826 ele descobriu experimentalmente a lei básica de um circuito elétrico (lei de Ohm) e em 1827 derivou-a teoricamente. Ele estabeleceu que o ouvido percebe como tom simples apenas o som causado por uma vibração harmônica simples, outros sons - como tom principal e adicionais - harmônicos (lei acústica de Ohm).

A unidade de resistência elétrica, o ohm, leva seu nome.

Ao mesmo tempo, Ohm realizou seu trabalho utilizando a analogia da corrente elétrica com fluxos de calor do matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) entre dois corpos com temperaturas diferentes. No entanto, seu trabalho passou despercebido por dez anos. Simultaneamente aos experimentos de Ohm, pesquisas foram realizadas na França por Antoine Cesar Becquerel (1788-1878), que determinou a dependência da resistência no comprimento e na seção transversal do condutor, e na Inglaterra por Peter Barlow (1776-1862), que confirmou a constância da corrente em todo o circuito. Uma série de leis privadas, obtidas nesta época independentemente de Ohm, foram resumidas por Kirchhoff em suas regras em 1845.

O primeiro uso prático dos fenômenos elétricos na telegrafia deu um grande impulso às medições elétricas. A criação de telégrafos aéreos e subaquáticos exigiu o desenvolvimento de novos métodos de medições elétricas. Em 1840, Wheatstone propôs seu método de ponte para medições precisas de resistência. Gauss lançou as bases da métrica eletromagnética, tomando como principais três unidades mecânicas (tempo, comprimento e massa) e expressando todas as outras através delas, além de desenvolver uma série de novos instrumentos.

Gauss Karl Friedrich (30/04/1777-23/02/1855) - matemático, astrônomo e físico alemão, membro da Royal Society de Londres (1804), Paris (1820) e da Academia de Ciências de São Petersburgo (1824). Nasceu em Braunschweig na família de um encanador. Ele estudou em 1795-98 na Universidade de Göttingen, em 1799 recebeu o cargo de professor assistente em Braunschweig, e a partir de 1807 - professor na Universidade de Göttingen e diretor do observatório astronômico.

Trabalha em muitas áreas da física. Em 1832 criou o sistema absoluto de medidas, em 1833, junto com V. Weber, construiu o primeiro telégrafo eletromagnético da Alemanha. Em 1839 no ensaio " Teoria geral forças de atração e repulsão agindo em proporção inversa ao quadrado da distância" estabeleceram os fundamentos da teoria do potencial (teorema de Ostrogradsky-Gauss). Em 1840, na obra "Pesquisa Dióptrica", desenvolveu a teoria da construção de imagens em complexos sistemas ópticos. Em 1845 ele teve a ideia da finitude da propagação das interações eletromagnéticas. Ele formulou o princípio da menor restrição (princípio de Gauss) em 1829. Ele foi um dos primeiros a expressar a hipótese sobre a existência de geometria não euclidiana em 1818.

A unidade de indução magnética - gauss - leva o seu nome.

O trabalho em metrologia foi continuado pelo físico alemão Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) e Maxwell. Como resultado, surgiu a ideia de criar um sistema unificado de medidas e em 1881 o Congresso Internacional de Paris estabeleceu unidades internacionais de medida.

Uma enorme contribuição para o desenvolvimento do eletromagnetismo foi feita pelo trabalho de Michael Faraday. Um dos principais ideias filosóficas A física do século XIX era que todos os fenômenos físicos são manifestações da mesma essência. Seguindo este princípio, em 1831 Faraday descobriu o fenômeno da indução eletromagnética. Ele propôs uma teoria desse fenômeno, primeiro introduzindo os conceitos de linhas de força magnética e campos eletromagnéticos e expressando a ideia da propagação de perturbações magnéticas no tempo. Em 1833, o físico americano Joseph Henry (1797-1878) descobriu o fenômeno da autoindução, e o cientista russo Emil Christianovich Lenz (1804-1865) formulou sua regra sobre a direção das correntes de indução em 1834.

Em meados da década de 40, os cientistas alemães Franz Ernst Neumann (1798-1895), Weber e Helmholtz desenvolveram teorias de indução que levam em conta que a interação das cargas elétricas depende tanto da distância entre elas quanto das velocidades.

Em 1833-34 Faraday estabeleceu as leis básicas da eletrólise, lançando as bases para a eletroquímica. Ele também provou experimentalmente que a ação elétrica se propaga não apenas ao longo de linhas retas, mas também ao longo de linhas curvas, e o meio intermediário afeta significativamente essa ação. Assim, ele confirmou que a interação de dois corpos ocorre através do meio, e não ocorre de acordo com a teoria da ação de longo alcance à distância, que era utilizada nos modelos mais simples para a interpretação matemática dos fenômenos.

Como resultado de experimentos com capacitores esféricos com diversas almofadas isolantes, Faraday formulou sua teoria da polarização dielétrica, desenvolvida pelo físico italiano Ottaviano Fabrizio Mossotti (1791-1863).

Em 1845, ao passar a luz por um eletroímã, Faraday descobriu uma rotação do plano de polarização, que explicou pela presença de campos magnéticos na luz. Ele também descobriu o fenômeno do diamagnetismo.

Além de inúmeras descobertas experimentais, no final da vida Faraday, na luta contra as ideias atomísticas sobre a continuidade apenas do espaço, apresentou uma ideia original: desenvolvendo o conceito de Boscovich, introduziu o conceito de campo. Ele diz que não apenas a matéria é interpenetrável, mas cada átomo dela se estende por todo o sistema solar, mantendo seu próprio centro.

O significado prático das descobertas de Faraday também é grande, porque Todas as máquinas da indústria elétrica moderna - geradores (o primeiro gerador de corrente foi criado pelo próprio Faraday), transformadores, motores elétricos - são baseadas em indução eletromagnética. Isso também inclui o telefone.

Na década de 60 do século XIX, graças ao trabalho de Neumann, Weber e Helmholtz, a eletrodinâmica era considerada uma ciência totalmente formada com limites claramente definidos. No entanto ideias originais Faraday interessou Maxwell e ele decidiu dar-lhes uma forma matemática. Introduzindo os conceitos de correntes de deslocamento e intensidades de campo, Maxwell criou pela primeira vez a eletrodinâmica dos dielétricos usando a teoria de Mossotti. Ampliando essas ideias com alterações ao magnetismo, ele cria a teoria da indução eletromagnética. Como resultado, toda a construção se resume às famosas seis equações de Maxwell. Essas equações estabelecem a continuidade dos fenômenos e determinam mudanças no campo, em contraste com o modelo newtoniano, onde as leis determinam mudanças no comportamento das partículas materiais. Eles conectam eventos adjacentes no espaço e no tempo. Muitos viram uma série de erros lógicos e inconsistências na teoria de Maxwell. Mas explicava muito e, no final do século XIX, os maiores físicos aderiram à opinião expressa por Hertz: é preciso aceitar como hipótese as equações de Maxwell, postulados nos quais se baseará toda a teoria do eletromagnetismo.

Hertz Heinrich Rudolf (22/02/1857-01/01/1894) - físico alemão, membro correspondente da Academia de Ciências de Berlim (1889), membro de diversas academias de ciências e sociedades científicas, prêmios da Academia de Ciências de Viena, Paris, Turim, Royal Society de Londres, etc. Nasceu em Hamburgo no seio da família de um advogado. Graduou-se pela Universidade de Berlim, doutorado (1880) e foi assistente de G. Helmholtz. A partir de 1883 - privatdozent na Universidade de Kiel, em 1885-89 - professor na Escola Técnica Superior de Karlsruhe, a partir de 1889 - na Universidade de Bonn.

Os principais trabalhos referem-se à eletrodinâmica e à mecânica. Em 1887, em seu trabalho “Sobre oscilações elétricas muito rápidas”, ele propôs um projeto bem-sucedido para um gerador de oscilações eletromagnéticas (vibrador Hertz) e um método para detectá-las (ressonador Hertz), desenvolvendo primeiro a teoria de um vibrador que emite ondas eletromagnéticas. no espaço. Ele provou experimentalmente a existência de ondas eletromagnéticas que se propagam no espaço livre de acordo com a teoria de Maxwell. Ele deu às equações da eletrodinâmica uma forma simétrica, o que demonstrou claramente a relação completa entre os fenômenos elétricos e magnéticos (eletrodinâmica de Maxwell-Hertz). Em 1887 observou o efeito fotoelétrico externo, notando que a descarga elétrica era mais intensa quando os eletrodos eram irradiados com luz ultravioleta. Em sua obra “Sobre a passagem dos raios catódicos através de finas camadas metálicas” (1891), ele descobriu a permeabilidade dos metais aos raios catódicos, lançando as bases para o estudo desses raios e da estrutura da matéria. Ele construiu a mecânica com a introdução de conexões não holonômicas, a interpretação de um sistema mecânico como um sistema com um grande número graus de liberdade e aplicação do princípio do caminho mais curto ou da menor curvatura.

A unidade de frequência, o hertz, leva seu nome.

Seguindo suas equações e as ideias de Faraday sobre a natureza da luz, Maxwell constrói uma teoria eletromagnética da luz, que descreve a propagação de ondas eletromagnéticas transversais. Pré-requisitos adicionais para isso também foram obtidos por Weber e Kirchhoff ao determinar a velocidade de propagação da indução eletromagnética através de um fio: ela acabou sendo igual à velocidade da luz. Nessa época, as oscilações da descarga elétrica de um capacitor em um circuito com bobina de indução já haviam sido descobertas e estudadas, e em 1884 Hertz mostrou que essas oscilações causam no espaço o aparecimento de ondas constituídas por oscilações elétricas e magnéticas polarizadas perpendicularmente a cada uma. outro. Ele também descobriu a reflexão, a refração e a interferência de tais ondas. Uma importante confirmação da teoria eletromagnética foram os experimentos do físico russo Pyotr Nikolaevich Lebedev (1866-1912), que em 1900 mediu o valor da pressão luminosa em total conformidade com a teoria de Maxwell.

O físico italiano Augusto Righi (1850-1920) desenvolveu esses trabalhos e seus resultados foram resumidos por ele em 1897 no livro “Óptica dos Fenômenos Elétricos”, cujo próprio nome fala do caráter revolucionário de tal conclusão no desenvolvimento de física.

Um dos resultados mais notáveis aplicação prática ondas eletromagnéticas foi a invenção da radiotelegrafia em 1895 por Popov e pelo pesquisador italiano Guglielmo Marconi (1874-1937).

Popov Alexander Stepanovich (16/03/1859-13/01/1906) - físico e engenheiro elétrico russo. Nasceu na aldeia de Turinskie Rudniki (província de Yekaterinburg) na família de um padre. Graduado pela Universidade de São Petersburgo (1882). Em 1883-1901 lecionou em instituições militares em Kronstadt. Desde 1901 - professor do Instituto Eletrotécnico de São Petersburgo (desde 1905 - reitor).

Atua na área de engenharia elétrica e engenharia de rádio. Em 1888 ele repetiu os experimentos de G. Hertz e em 1889 apontou pela primeira vez a possibilidade de usar ondas eletromagnéticas para transmitir sinais. Em 1894 ele projetou um gerador de oscilações eletromagnéticas e um receptor com um elemento sensível - um coerente, e também inventou a primeira antena receptora. Ele estabeleceu que o receptor da antena responde às descargas atmosféricas e criou um detector de raios. Em 7 de maio de 1895, ele demonstrou seu detector de raios em uma reunião do departamento de física da Sociedade Físico-Química Russa e expressou a ideia da possibilidade de usá-lo para transmitir sinais à distância. Em reunião em 24 de março de 1896, ele demonstrou a transmissão de sinais a uma distância de 250 M. Um pouco mais tarde, G. Marconi criou dispositivos semelhantes, realizou experimentos com eles e lançou as bases para o uso generalizado de comunicações de rádio, e em 1909 recebido por este trabalho premio Nobel, quando Popov já havia morrido. Em 1897 ele descobriu o reflexo de ondas eletromagnéticas em objetos (navios) localizados no caminho de sua propagação, que serviu de base para o radar.

Assim, no final do século XIX, a construção da física clássica estava basicamente concluída.

Bibliografia

Para a elaboração deste trabalho foram utilizados materiais do site http://lscore.lspace.etu.ru/

Os fenômenos resultantes da interação da eletricidade e do magnetismo são chamados de eletromagnetismo.

Descoberta do eletromagnetismo

Hans Christian Oersted

O descobridor do eletromagnetismo é considerado o físico dinamarquês Hans Christian Ørsted, que descobriu o efeito da corrente elétrica em um ímã.

Até o início do século XIX, ninguém presumia que a eletricidade e o magnetismo estivessem de alguma forma ligados. E mesmo os ramos da física em que foram considerados eram diferentes. A prova da existência de tal conexão foi obtida por Oersted em 1820 durante um experimento em uma palestra na universidade. Havia uma bússola magnética na mesa experimental próxima ao condutor de corrente. No momento do fechamento do circuito elétrico, a agulha magnética da bússola desviou-se de sua posição original. Repetindo o experimento, Oersted obteve o mesmo resultado.

A experiência de Oersted

Em experimentos subsequentes, o cientista puxou um fio metálico entre dois postes. A agulha magnética estava localizada abaixo dela. Antes de a corrente passar pelo fio, a seta era orientada de norte a sul. Após fechar o circuito elétrico, ele foi instalado perpendicularmente ao fio. Os experimentos foram realizados em diferentes condições. A agulha magnética foi colocada sob uma tampa da qual o ar era bombeado. Mas, independentemente do ambiente, ele se desviou obstinadamente de sua posição original assim que a corrente fluiu pelo condutor. Isso significava que uma agulha magnética localizada perto de um condutor que transportava corrente sofria a ação de forças que tendiam a girá-la. Oersted encontrou uma explicação para isso. Ele propôs que uma corrente elétrica fluindo através de um condutor cria um campo magnético. Assim, a conexão entre fenômenos elétricos e magnéticos foi descoberta experimentalmente.

Campo magnético de um condutor reto transportando corrente

Linhas de energia do condutor com corrente

Tal como o campo magnético formado por um íman permanente, o campo magnético de um condutor que transporta corrente é caracterizado por linhas de força.

Se um condutor reto que transporta corrente passa por um orifício em uma folha de papelão sobre o qual estão espalhadas pequenas limalhas de ferro ou aço, eles formam círculos concêntricos, cujo centro está localizado no eixo do condutor. Esses círculos representam as linhas do campo magnético de um condutor que transporta corrente.

Mas se você der ao condutor um formato diferente, a imagem será diferente.

Campo magnético de uma bobina de corrente

Campo magnético solenóide

Ao dobrar um condutor condutor de corrente em uma espiral, obtemos solenóide (do grego “tubo”). As linhas de força do campo magnético que ele cria são linhas fechadas. Na maioria das vezes eles estão localizados dentro das curvas.

Se você enrolar o fio isolado ao redor da estrutura de modo que as voltas fiquem próximas umas das outras, você obterá uma bobina. Quando a corrente passa por ela, um campo magnético é criado e a bobina começa a atrair objetos metálicos. Esta atração é bastante aumentada pela inserção de uma barra de aço ou ferro na bobina, que é chamada essencial . A corrente cria um campo magnético que magnetiza o núcleo. O campo magnético do núcleo aumenta então o campo magnético do próprio solenóide, aumentando-o assim. Uma bobina com núcleo é chamada eletroímã .

Simplesmaior eletroímã

O campo magnético de um eletroímã pode ser ajustado aumentando ou diminuindo a corrente ou o número de voltas no enrolamento. Cada volta cria seu próprio campo magnético. E quanto mais voltas houver em um eletroímã, mais forte será seu campo. Conseqüentemente, se você reduzir o número de voltas, o campo magnético será enfraquecido.

O primeiro eletroímã foi criado pelo engenheiro inglês William Sturgeon em 1825. Seu dispositivo era uma haste curva feita de ferro macio e revestida com verniz para isolá-la do fio. Um grosso fio de cobre foi enrolado na haste.

Desenho do eletroímã do Esturjão

Nos eletroímãs modernos, os núcleos são feitos de ferromagnetos - substâncias que apresentam alta magnetização em temperaturas abaixo do ponto Curie, mesmo na ausência de um campo magnético externo. Fio isolado de alumínio ou cobre é usado para enrolamento.

Aplicação de eletroímãs

Torneira eletromagnética

Normalmente, um eletroímã é uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo ferromagnético. O núcleo pode ter mais Formas diferentes. Faz parte de um circuito magnético por onde passa um fluxo magnético excitado por uma corrente elétrica. A outra parte móvel do circuito magnético é a armadura, que transmite força.

Os eletroímãs são usados ​​em vários dispositivos elétricos, telefones, carros, televisões, campainhas elétricas, etc. Usando um eletroímã, você pode atrair, segurar e mover peças e objetos de metal pesado, separar substâncias magnéticas e não magnéticas. As plantas metalúrgicas usam guindastes eletromagnéticos e máquinas com mesas magnéticas, nas quais o produto é fixado com eletroímãs. Na medicina, eles são usados ​​para remover limalhas de metal que entraram nos olhos.

Condutores paralelos em um campo magnético

Condutores transportando corrente em um campo magnético

Continuando a pesquisa de Oersted, Ampere confirmou o efeito magnético da corrente elétrica, descobrindo que os condutores que transportam corrente interagem entre si. Além disso, Se as correntes em condutores paralelos fluem na mesma direção, então os condutores se atraem. Se mesmo a direção das correntes em tais condutores é oposta, então elas se repelem. Além disso, Ampere desenvolveu uma lei, mais tarde batizada em sua homenagem (lei de Ampere), que permite determinar a magnitude da força com a qual os condutores interagem com a corrente.

Deve-se notar que Ampere examinou um condutor em um campo magnético criado não por um ímã permanente, mas por outro condutor que transportava corrente.

Dois condutores paralelos transportando corrente interagem com uma força proporcional à magnitude das correntes nos segmentos elementares e inversamente proporcional à distância entre eles.

Combinando eletricidade e magnetismo, Ampère chamou o novo campo da física de eletrodinâmica.

O efeito de um campo magnético em um condutor condutor de corrente

Condutor transportando corrente em um campo magnético

O experimento de Oersted demonstra o efeito da corrente elétrica em um ímã. Mas pode um ímã exercer efeito sobre um condutor que transporta corrente? Acontece que sim.

Vamos suspender um condutor entre os pólos de um ímã permanente. Assim que a corrente flui através dele, o condutor será puxado para dentro do ímã ou empurrado para fora dele, dependendo da direção da corrente e da localização dos pólos do ímã. A força que atua sobre um condutor é chamada Força Ampere . Seu valor depende da corrente EU , comprimento de uma seção condutora em um campo magnético eu , magnitude da indução do campo magnético B e valores de ângulo α entre a direção da corrente e o vetor de indução magnética:

F = EU eu ·B·sinα

Como vemos, valor mais alto a força ocorrerá se o condutor estiver localizado de tal forma que a direção da corrente nele seja perpendicular à direção do vetor de indução magnética. Nesse casosinα = 1 .

Se as direções da corrente e do vetor de indução magnética coincidirem, então a força Ampere é zero e o campo magnético neste caso não atua sobre o condutor que transporta a corrente.

A direção da força Ampere é determinada usando a regra da mão esquerda: Se o condutor condutor de corrente estiver posicionado de forma que as linhas do campo magnético entrem na palma da mão esquerda e a direção da corrente coincida com a direção de 4 dedos, então o polegar dobrado mostrará a direção da força Ampere.

O efeito de um campo magnético em um quadro condutor de corrente

Quadro com corrente em um campo magnético

A corrente elétrica está sempre fechada, portanto um condutor reto pode ser considerado parte de um circuito elétrico.

Como um circuito fechado se comporta em um campo magnético?

Se, em vez de um condutor flexível, um fio dobrado em forma de moldura rígida for colocado entre os pólos de um ímã, então no momento inicial tal moldura será instalada paralelamente à linha que conecta os pólos do ímã. Neste momento, o vetor de indução magnética é paralelo aos dois lados do referencial e está localizado em seu plano. Após ligar a corrente, a moldura começará a girar e se posicionar de tal forma que as linhas do campo magnético penetrarão em seu plano.

A rotação da moldura é explicada pela ação das forças Ampere sobre ela.

Cada lado da estrutura individualmente pode ser considerado como um condutor que transporta corrente. De acordo com a lei de Ampere, a força Ampere atua sobre eles. Sua direção é determinada pela regra da mão esquerda.

Obviamente, as forças que atuam em lados opostos da estrutura retangular serão iguais em magnitude e opostas em direção devido às diferentes direções das correntes nelas.

As forças não atuam nas laterais da moldura localizadas paralelamente às linhas de indução magnética, pois o ângulo α entre o vetor de indução magnética e a direção da corrente é 0, portanto, sinα também é zero.

O ângulo entre o vetor de indução e a direção da corrente nos lados verticais do quadro é de 90 o. Por isso, sinα = 1, e o módulo da força que atua em cada um deles é igual a

F = EU · BA , Onde A – comprimento da lateral da moldura.

As forças criam um torque, cuja quantidade escalar é igual a

M = EU · S · B

Sob a influência deste momento, o quadro começa a girar. A qualquer momento entre M = EU · S · B · pecadoβ , Onde β – o ângulo entre o vetor de indução magnética e a normal (perpendicular) ao plano do referencial. Ao girar, esse ângulo muda, a magnitude da força diminui e gradualmente o quadro assume uma posição perpendicular ao vetor de indução magnética. Neste caso, o torque torna-se zero. ( M = 0 ) .

O funcionamento de um motor elétrico simples é baseado no princípio de rotação de uma estrutura com corrente em um campo magnético. Se você desligar a corrente em um momento em que o quadro ainda não atingiu uma posição estável, ele girará por inércia e parará. Quando a corrente for ligada, ela começará a girar novamente. Ao ligar e desligar a corrente no momento certo, você pode conseguir uma rotação contínua do quadro. A operação do motor elétrico DC mais simples é baseada neste princípio.

Para que a estrutura gire continuamente, é necessário que a corrente flua a cada meia volta. Num motor, esta função é executada por um dispositivo chamado colecionador . Consiste em dois meios anéis de metal. As extremidades da moldura são soldadas a eles. Quando a corrente é conectada, o quadro dá meia volta. Os meios anéis do coletor giram junto com ele. Como resultado, os contatos da estrutura mudam, a corrente nela muda de direção e a estrutura continua a girar sem parar.

Os motores DC são usados ​​​​em acionamentos elétricos de tração de locomotivas elétricas, bondes, locomotivas a diesel e navios a motor. Uma partida de carro elétrico também é um motor DC. Micromotores alimentam brinquedos infantis, ferramentas elétricas, dispositivos de computador, máquinas de costura, aspiradores de pó, furadeiras, etc.