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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 a ela), então tudo igual média a componente normal de E é zero, então não há fluxo através da superfície. Para mostrar a utilidade desse 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. Desenhe uma esfera em torno de uma carga puntiforme. 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 a mesma magnitude em todos os pontos da esfera. Nossa regra então afirma que o campo na superfície da esfera vezes a área da esfera (ou seja, o fluxo que sai da esfera) é proporcional à carga dentro dela. Se você aumentar o raio de uma esfera, então sua área aumenta com o quadrado do raio. O produto da componente normal média do campo elétrico e essa área ainda deve ser igual à carga interna, de modo que o campo deve diminuir como o quadrado da distância; assim o campo de "quadrados inversos" é obtido.

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

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

E para a superfície S, curva limitada A PARTIR DE:

A constante c 2 que apareceu 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 relativista da eletricidade. E a constante ε 0 foi ajustada para que surgissem as unidades usuais de intensidade da corrente elétrica.

Equações (1.6) - (1.9), bem como a equação (1.1) - estas são todas as leis da eletrodinâmica. Como você se lembra, as leis de Newton eram muito fáceis de escrever, mas muitas consequências complexas se seguiram delas, então levou 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 das leis da eletrodinâmica com uma série de experimentos simples que podem nos mostrar pelo menos qualitativamente a relação entre campos elétricos e magnéticos. Você conhece o primeiro termo da equação (1.1) penteando o cabelo, então não vamos falar sobre isso. O segundo termo da equação (1.1) pode ser demonstrado passando uma corrente através de um fio suspenso sobre uma barra magnética, como mostrado na Fig. 1.6. Quando a corrente é ligada, o fio se move devido ao fato de que uma força atua sobre ele F = qvXB. Quando uma corrente flui através do fio, as cargas dentro dele se movem, ou seja, elas têm uma velocidade v, e o campo magnético do ímã atua sobre elas, como resultado do afastamento do fio.

Quando o fio é empurrado para a esquerda, pode-se esperar que o próprio ímã experimente um empurrão para a direita. (Caso contrário, todo este 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 notar o movimento de uma varinha magnética, o movimento de um dispositivo mais sensível, digamos uma agulha de bússola, é bastante perceptível.

Como a corrente no fio empurra o ímã? A corrente que flui através do fio cria seu próprio campo magnético ao seu redor, que atua no ímã. De acordo com o último termo da equação (1.9), a corrente deve levar a circulações vetor B; no nosso caso, as linhas de campo B são fechadas ao redor do fio, como mostrado na fig. 1.7. É este campo B que é responsável pela força que atua no ímã.

A Equação (1.9) nos diz que para uma dada quantidade de corrente fluindo através do fio, a circulação do campo B é a mesma para algum curva ao redor do fio. Aquelas curvas (círculos, por exemplo) que estão longe do fio têm um comprimento maior, então a componente tangente B deve diminuir. Você pode ver que B deve diminuir linearmente com a distância de um longo fio reto.

Dissemos que a corrente que flui através do fio forma um campo magnético ao seu redor e que, se houver um campo magnético, ele atua com alguma força no fio através do qual a corrente flui. Então, deve-se pensar que se um campo magnético é criado por uma corrente que flui em um fio, então ele atuará com alguma força no outro fio, através do qual a corrente também flui. Isso pode ser mostrado usando dois fios suspensos livremente (Fig. 1.8). Quando a direção das correntes é a mesma, os fios se atraem, e quando as direções são opostas, eles se repelem.

Em suma, 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, não pode acontecer que o campo magnético criado por um pedaço de ferro seja na verdade o resultado da ação de correntes? Aparentemente, é assim. Em nossos experimentos é possível substituir o bastão magnético por uma bobina de fio enrolado, conforme mostrado na Fig. 1.9. Quando a corrente passa pela bobina (assim como por um fio reto acima dela), observa-se exatamente o mesmo movimento do condutor de antes, quando um ímã estava no lugar da bobina. Tudo parece como se uma corrente circulasse continuamente dentro de um pedaço de ferro. De fato, 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 de elétrons em órbitas atômicas. No ferro não é assim, mas em alguns materiais a origem do magnetismo é justamente essa. Além de girar em torno do núcleo de um átomo, o elétron também gira em torno de seu próprio eixo (algo semelhante à rotação da Terra); é dessa rotação que surge uma corrente, que cria um campo magnético de ferro. (Dissemos "algo como a rotação da Terra", porque de fato, na mecânica quântica, a questão é tão profunda que não se encaixa bem nos conceitos clássicos.) Na maioria das substâncias, alguns elétrons giram em uma direção e alguns no outro, para que o magnetismo desapareça, e no ferro (por uma razão misteriosa, que discutiremos mais adiante) muitos elétrons giram de modo que seus eixos apontam na mesma direção e esta é a fonte do 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 aproximadamente tudo 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 no 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 mudar elétrico campos provoca fenômenos magnéticos. De fato, sem este termo, a equação perderia o sentido, pois sem ele as correntes em circuitos abertos desapareceriam. Mas, de fato, tais correntes existem; o exemplo a seguir fala disso. Imagine um capacitor composto de duas placas planas. Ele é carregado pela corrente que flui para uma das placas e sai da outra, como mostrado na Fig. 1.10. Desenhe uma curva em torno de um dos fios A PARTIR DE e puxe sobre ela uma superfície (superfície S 1) que cruzará o fio. De acordo com a equação (1.9), a circulação do campo B ao longo da curva A PARTIR DEé dado pela quantidade de corrente no fio (multiplicado por de 2). Mas o que acontece se puxarmos a curva outro superfície S 2 na forma de um copo, cujo fundo está localizado entre as placas do capacitor e não toca o fio? Nenhuma corrente passa por essa superfície, é claro. Mas uma simples mudança na posição e na forma de uma superfície imaginária não deve alterar o campo magnético real! A circulação do campo B deve permanecer a mesma. De fato, 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. Por S 2 a circulação do vetor B é expressa em termos do grau de mudança no fluxo do vetor E de uma placa para outra. E acontece que a mudança em E está conectada com a corrente apenas para que a equação (1.9) seja satisfeita. Maxwell viu a necessidade disso e foi o primeiro a escrever a equação completa.

Com o dispositivo mostrado na Fig. 1.6, outra lei do eletromagnetismo pode ser demonstrada. Desconecte as extremidades do fio pendurado da bateria e conecte-as a um galvanômetro - um dispositivo que registra a passagem de corrente pelo fio. Fica apenas no campo de um ímã balanço fio, pois 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, porque eles são defletidos junto com o fio. Este v, juntamente com o campo B dirigido verticalmente do ímã, resulta em uma força agindo sobre os elétrons ao longo fios, e os elétrons são enviados para o galvanômetro.

Suponhamos, no entanto, que deixamos o fio em paz e começamos a mover o ímã. Sentimos que não deve haver diferença, porque o movimento relativo é o mesmo e, de fato, a corrente flui através do galvanômetro. Mas como um campo magnético age 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 Eq. (1.7). Esta equação descreve muitos fenômenos praticamente muito importantes que ocorrem em geradores e transformadores elétricos.

A consequência mais notável de nossas equações é que, combinando as equações (1.7) e (1.9), pode-se entender por que os fenômenos eletromagnéticos se propagam a longas distâncias. A razão para isso, grosso modo, é algo assim: suponha que em algum lugar existe um campo magnético que aumenta em magnitude, digamos, porque uma corrente passa repentinamente pelo fio. Então segue da equação (1.7) que a circulação do campo elétrico deve ocorrer. Quando o campo elétrico começa a aumentar gradativamente para que ocorra a circulação, então, conforme a equação (1.9), a circulação magnética também deve ocorrer. Mas a ascensão isto o campo magnético criará uma nova circulação do campo elétrico, etc. Desta forma, os campos se propagam pelo espaço, não necessitando de cargas nem correntes em nenhum lugar, exceto na fonte dos campos. É desta forma que nós Vejo uns aos outros! Tudo isso está escondido nas equações do campo eletromagnético.

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

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

Onde: NO- indução de campo magnético, EUé a 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 de Ampère, geralmente se usa regra da mão esquerda: se você posicionar sua mão esquerda de modo que as linhas de indução entrem na palma e os dedos estendidos sejam direcionados ao longo da corrente, o polegar retraído indicará a direção da força de Ampère que atua no condutor (veja a 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 de Ampère, é necessário tomar o componente do campo magnético, que é perpendicular à direção de o actual. É necessário resolver os problemas deste tópico da mesma forma que em dinâmica ou estática, ou seja. escrevendo as forças ao longo dos eixos coordenados ou adicionando as forças de acordo com as regras da adição vetorial.

O momento das forças que atuam na espira com corrente

Deixe a espira com corrente estar em um campo magnético, e o plano da espira é perpendicular ao campo. As forças de Ampere comprimirão o quadro e sua resultante será igual a zero. Se você alterar a direção da corrente, as forças de Ampere mudarão de direção e o quadro não encolherá, mas esticará. Se as linhas de indução magnética estão no plano do quadro, surge um torque das forças de Ampère. Momento de rotação das forças Ampereé igual a:

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

Força Lorentz

Força ampère agindo em um pedaço de condutor de comprimento Δ eu com corrente EU localizado em um campo magnético B pode ser expresso em termos das 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 a uma velocidade v, é calculado pela seguinte fórmula:

Canto α nesta expressão é igual ao ângulo entre a velocidade e o vetor de indução magnética. Direção da força de Lorentz agindo sobre positivamente uma partícula carregada, bem como a direção da força de Ampère, pode ser encontrada pela regra da mão esquerda ou pela regra do gimlet (assim como a força de Ampère). O vetor de indução magnética deve estar mentalmente preso na palma da mão esquerda, quatro dedos fechados devem ser direcionados ao longo da velocidade 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 pelo oposto.

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, o módulo do vetor velocidade não muda quando a partícula se move. Se uma partícula carregada se move em um campo magnético uniforme sob a ação 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 por 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:

A última expressão mostra que para partículas carregadas de uma dada massa m o período de revolução (e, portanto, a frequência e 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 em direções opostas, eles se repelem. Os padrões desse fenômeno foram estabelecidos experimentalmente por Ampère. A interação das correntes é causada por seus campos magnéticos: o campo magnético de uma corrente atua pela força Ampere em outra corrente e vice-versa. Experimentos mostraram que o módulo de força atuando 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 do segmento Δ eu e inversamente proporcional à distância R entre eles:

Onde: μ 0 é um valor constante, que é chamado constante magnética. A introdução da constante magnética no SI simplifica a escrita de várias 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 Ampère, é fácil obter uma expressão para indução do campo magnético criado por cada um dos condutores retilíneos com corrente na distância R Dele:

Onde: μ - a permeabilidade magnética da substância (mais sobre isso abaixo). Se a corrente flui em um loop circular, então centro da bobina de indução do campo magnéticoé determinado pela fórmula:

linhas de força O campo magnético é chamado de linhas ao longo das tangentes às quais as setas magnéticas estão localizadas. agulha magnética chamado de ímã longo e fino, seus pólos são pontiagudos. Uma agulha magnética suspensa em um fio sempre gira em uma direção. Ao mesmo tempo, uma extremidade é 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 a letra N) e sul (em vermelho ou letra S). Os ímãs interagem da mesma maneira que as cargas: pólos iguais se repelem e pólos opostos se atraem. É impossível obter um ímã com um pólo. Mesmo se o ímã estiver 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 de campo for perpendicular ao condutor. Denotado NO, 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 no condutor, portanto, as linhas do campo magnético, estritamente falando, não são linhas de força.

Linha de campo magnético de ímãs permanentes dirigido em relação aos próprios ímãs, como 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 em mão direita de modo que o polegar seja direcionado ao longo da corrente, então quatro dedos segurando 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 do qual uma corrente elétrica flui EU semelhante ao campo de um ímã permanente direto. comprimento interno do solenóide eu e o número de voltas N um campo magnético uniforme é criado com indução (sua direção também é determinada pela regra da mão direita):

As linhas do campo magnético parecem linhas fechadasé uma propriedade comum de todas as linhas magnéticas. Tal campo é chamado de campo de vórtice. No caso de ímãs permanentes, as linhas não terminam na superfície, mas penetram dentro do ímã e se fecham. Essa diferença entre campos elétricos e magnéticos é explicada pelo fato de que, diferentemente das elétricas, as cargas magnéticas não existem.

Propriedades magnéticas da matéria

Todas as substâncias têm 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 magnética do campo no vácuo e em um determinado meio. Em contraste com a interação elétrica, durante a interação magnética no meio, pode-se observar tanto o fortalecimento quanto o enfraquecimento da interação em relação ao vácuo, no qual a permeabilidade magnética μ = 1. diamagnetos permeabilidade magnética μ ligeiramente menor que a unidade. Exemplos: água, nitrogênio, prata, cobre, ouro. Essas substâncias enfraquecem um pouco o campo magnético. Paraímãs- oxigênio, platina, magnésio - melhoram um pouco o campo, tendo μ um pouco mais de um. No 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 com uma mudança no tempo do fluxo magnético que penetra no circuito. fluxo magnético Φ através da praça S o contorno é chamado de valor:

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

Faraday estabeleceu experimentalmente que quando o fluxo magnético muda em um circuito condutor, Indução EMF ε ind, igual à taxa de variação do fluxo magnético através da superfície limitada pelo contorno, tomada com um sinal de menos:

Uma mudança no fluxo magnético que penetra em 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 da EMF de indução 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 parado.

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

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

Neste caso, ao resolver problemas, o EMF é geralmente considerado módulo. Prestemos atenção também a um caso particular em que ocorre o fenômeno da indução eletromagnética. Então, o valor máximo da fem de indução em um circuito que consiste em N voltas, área S, girando com velocidade angular ω em um campo magnético com indução NO:

Movimento de um condutor em um campo magnético

Ao mover o comprimento do condutor eu em um campo magnético B com velocidade v surge uma diferença de potencial em suas extremidades, causada pela ação da força de Lorentz sobre os elétrons livres no condutor. Esta diferença de potencial (estritamente falando, EMF) é encontrada pela fórmula:

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

Se a haste for longa eu gira em um campo magnético NO em torno de uma de suas extremidades com uma velocidade angular ω , então em suas extremidades haverá uma diferença de potencial (EMF), que pode ser calculada pela fórmula:

Indutância. Auto-indução. Energia do campo magnético

auto induçãoé um caso especial importante de indução eletromagnética, quando um fluxo magnético variável, causando um EMF de indução, 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 muda e, consequentemente, o próprio fluxo magnético que penetra no circuito. No circuito, ocorre um EMF de auto-indução, que, de acordo com a regra de Lenz, impede uma mudança na corrente no circuito. Fluxo magnético próprio Φ , penetrando o circuito ou bobina com corrente, é proporcional à força da corrente EU:

Fator de proporcionalidade eu nesta fórmula é chamado de coeficiente de auto-indução ou indutância bobinas. A unidade SI de indutância é o Henry (H).

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

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

Auto-indução EMF, surgindo em uma bobina com um valor constante de indutância, de acordo com a fórmula de Faraday é igual a:

Portanto, a EMF de auto-indução é diretamente proporcional à indutância da bobina e à taxa de variação da força da corrente nela.

O campo magnético tem energia. Assim como um capacitor carregado tem uma reserva de energia elétrica, uma bobina com corrente fluindo através de suas espiras tem uma reserva de energia magnética. Energia C m bobina de campo magnético com indutância eu gerado por corrente EU, pode ser calculado por 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 volumétrica do campo magnético(ou energia por unidade de volume):

Regra de Lenz

Inércia- um fenômeno que ocorre tanto na mecânica (ao acelerar um carro, nos inclinamos para trás, contrariando o aumento da velocidade, e na frenagem, nos inclinamos para a frente, contrariando a diminuição da velocidade), quanto na física molecular (quando um líquido é aquecido, a taxa de evaporação aumenta, as moléculas mais rápidas deixam o líquido, reduzindo a velocidade de aquecimento) e assim por diante. No eletromagnetismo, a inércia se manifesta em oposição a uma mudança no fluxo magnético que penetra no circuito. Se o fluxo magnético aumenta, então a corrente de indução que surge no circuito é direcionada de modo a evitar o aumento do fluxo magnético, e se o fluxo magnético diminui, então a corrente de indução que surge no circuito é direcionada de modo a evitar que o fluxo magnético fluxo decrescente.

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O curso "Eletromagnetismo" é uma seção do curso de física geral, que estabelece um conhecimento sistemático dos 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. Modelos teóricos da interação de campos elétricos e magnéticos com a matéria são analisados ​​e as áreas de sua aplicabilidade são analisadas. Explicado tecnologias modernas que se baseiam nas leis do eletromagnetismo. A disciplina desenvolve nos alunos os fundamentos da visão de mundo das ciências naturais e é a base para um estudo mais aprofundado de disciplinas profissionais gerais e especiais.

Formato

A forma de ensino é a tempo parcial (a distância). As aulas semanais incluirão assistir a palestras temáticas em vídeo, acompanhadas de gravações em vídeo de experimentos de palestras e realizar tarefas de teste com verificação automatizada de resultados. Um elemento importante do estudo da disciplina é a solução independente de problemas físicos. A decisão terá que conter um raciocínio estrito e logicamente correto que leve à resposta correta.

Requisitos

O curso é destinado a bacharéis de 1 ano de estudo. Requer conhecimentos de física e matemática no volume do ensino médio (11 aulas).

Programa do curso

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

Aula 1 Fluxo de vetor de força de campo elétrico. Teorema eletrostático de Ostrogradsky–Gauss, sua representação na forma diferencial. Potencialidade do campo eletrostático. Potencial. Normalização potencial. Relação entre o vetor do campo eletrostático e o potencial. O trabalho das forças do campo eletrostático. O potencial do sistema de cobranças.

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

Aula 4 Condutores em um campo eletrostático. indução eletrostática. Intensidade do campo na superfície e no interior do condutor. Distribuição de carga sobre a superfície de um condutor. Proteção eletrostática. Relação entre carga e potencial de um condutor. Capacidade elétrica. Capacitores. Capacitância de capacitores planos, esféricos e cilíndricos. Esfera condutora em um campo eletrostático uniforme.

Aula 5 Dielétricos. Cobranças gratuitas e vinculadas. Vetor de polarização. Relação do vetor de polarização com cargas ligadas. O vetor de indução elétrica em um dielétrico. Suscetibilidade e permissividade dielétrica e substâncias. Equação de materiais para vetores de campo elétrico. O teorema de Ostrogradsky-Gauss para dielétricos. Sua forma diferencial. Condições de contorno para os vetores de intensidade e indução elétrica. Bola dielétrica em um campo elétrico uniforme.

Aula 6 Energia do Sistema cargas eletricas. Energia de interação e energia própria. A energia do campo eletrostático e sua densidade aparente. A energia de um dipolo elétrico em um campo externo. Forças ponderomotrizes em um campo elétrico e métodos para o seu cálculo. Ligação das forças ponderomotrizes com a energia de um sistema de cargas.

Aula 7 Teoria eletrônica da polarização de dielétricos. campo local. dielétricos não polares. Fórmula de Clausius-Mossotti. dielétricos polares. A função Langevin. Polarização de cristais iônicos. Propriedades elétricas dos cristais. Piroelétricas. Piezoelétricos. Efeito piezoelétrico direto e reverso e sua aplicação. Ferroelétricos. Estrutura de domínio dos ferroelétricos. Histerese. Ponto Curi. O uso de ferroelétricos.

Aula 8 Corrente elétrica constante. Força e densidade de corrente. Linhas atuais. Campo elétrico em um condutor com corrente e suas fontes. Equação de continuidade. A condição de estacionaridade atual. tensão elétrica. Lei de Ohm para uma seção de circuito. Resistência elétrica. Lei de Ohm na forma diferencial. Condutividade elétrica específica de uma substância.

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

Aula 10 Magnetostática. Interação de correntes. Elemento atual. Lei de Biot-Savart-Laplace e sua interpretação de campo. Vetor de indução de campo magnético. O efeito de um campo magnético em uma corrente. Lei de Ampère. O teorema da circulação do vetor de indução do campo magnético. Forma diferencial do teorema da circulação. Natureza de 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 corrente elementar. Corrente elementar em um campo magnético. O campo magnético de uma carga em movimento. Interação de cargas em movimento. Força Lorentz. Efeito Hall.

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

Aula 13 Indução eletromagnética. A lei de indução eletromagnética de Faraday e sua forma diferencial. regra de Lenz.

Aula 14 Magnéticos. O conceito de correntes moleculares. Vetor de magnetização da matéria e sua relação com as correntes moleculares. Vetor de força do campo magnético.

Aula 15 Classificação de ímãs. Diamagnets, paramagnets e ferromagnets. Descrição clássica do diamagnetismo. precessão de Larmor.

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

Aula 17 Correntes quase estacionárias. Condições de quase-estacionaridade. Processos transitórios em circuitos RC e LC.

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

Aula 19 Ressonância de estresse. 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 de pele.

Aula 22 Teoria clássica da condutividade eletrônica Drude - Lorentz.

Aula 23 Semicondutores.

Resultados de Aprendizagem

Como resultado do domínio da disciplina, o aluno deve conhecer os fenômenos básicos da eletricidade e do magnetismo, os métodos de sua descrição teórica e as formas de seu uso em dispositivos físicos, ser capaz de resolver problemas da seção "Eletromagnetismo" da seção do curso de física geral.

Competências formadas

Competências necessárias ao domínio da disciplina: ONK-1, PC-1; Competências formadas como resultado do domínio da disciplina: CP-2; ONK-5.

Certificado

Um certificado de participação é geralmente emitido ao atingir 60% da classificação geral, sujeito à submissão de trabalhos antes de um prazo difícil. Um certificado com honras geralmente é emitido ao atingir 90% da classificação geral, sujeito à submissão de trabalhos antes do prazo flexível.

História da Física: Eletromagnetismo

No século XVIII, continuaram os trabalhos de eletrificação de corpos, iniciados por Gilbert. Numerosos experimentos realizados em vários laboratórios permitiram descobrir não apenas novos materiais capazes de se eletrificar durante o atrito, mas também descobrir várias novas propriedades desse fenômeno. O inglês Stephen Gray (1670-1735) mostrou que a eletricidade pode se propagar através de certos corpos, ou seja, introduziu os conceitos de condutor e isolante. Os dispositivos para geração de eletricidade foram aprimorados - máquinas eletrostáticas, capacitores foram criados (jarra de Leyden).

O interesse por novos fenômenos foi amplamente difundido na sociedade por meio de vários truques e demonstrações em público. Franklin conduziu investigações sistemáticas com 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 of London (1756), Academia de Ciências de São Petersburgo (1789), figura política e pública proeminente, medalha Copley (1753 ). Nascido em Boston na família de um empresário. Ele recebeu sua educação por conta própria. Em 1727 organizou sua própria gráfica na Filadélfia, em 1731 - a primeira da 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 of Pennsylvania, 1753-74 - colônias norte-americanas. Participou da elaboração da "Declaração de Independência" e da Constituição dos Estados Unidos.

Em 1746-54, ele realizou pesquisas experimentais sobre eletricidade, explicou a ação da garrafa 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 do raio . Desenvolveu (1750) a teoria dos fenômenos elétricos, introduziu os conceitos de eletricidade positiva e negativa. Investigou as questões da condutividade térmica dos metais, a propagação do som no ar e na água. Autor de várias invenções (o uso de uma faísca para explodir pólvora, etc.).

As obras de Franklin foram declaradas 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 depois que seu experimento com um pára-raios foi realizado em 1752, confirmando a equivalência de uma faísca elétrica e um raio, o entusiasmo científico pelo estudo dos fenômenos elétricos se espalhou muito. 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 medidas quantitativas. E o fundador da metrologia elétrica foi Volta, que também projetou eletrômetros muito precisos.

Volta Alessandro (18/02/1745-03/05/1827) - Físico, químico e fisiologista italiano, membro da Royal Society de Londres e da Academia de Ciências de Paris, medalha Copley (1794). Nascido em Como em uma nobre família nobre. Estudou no colégio da ordem jesuíta. Em 1774-79 lecionou física em um ginásio em Como, a partir de 1779 foi professor na Universidade de Pavia, em 1815-19 foi 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, ele começou a repetir os experimentos de L. Galvani com eletricidade "animal" e chegou à conclusão de que a causa da corrente de curto prazo é 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 eletrização mútua de metais diferentes em contato e compilou uma série de voltagens para metais (1801). Investigou a expansão térmica do ar, observou a difusão, estabeleceu a condutividade da chama (1787). Ele descobriu o metano (1776) e explicou sua formação pela decomposição de restos de animais e plantas.

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

Brilhante pesquisa no campo da eletricidade foi realizada por Coulomb.

Coulomb Charles Auguste (14/06/1736 - 23/08/1806) - Físico e engenheiro militar francês, membro da Academia de Ciências de Paris (1803). Nascido em Angoulême na família de um funcionário. Graduou-se na escola de engenharia militar de Mezieres (1761), após o que prestou serviço militar na Martinica durante vários anos, onde supervisionou a construção da frota. Depois de retornar à França, ele 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 alguns problemas de estática relacionados com a arquitectura" determinou o progresso da mecânica dos edifícios nos séculos XVIII e XIX. Em 1781 ele formulou as leis de deslizamento e atrito de rolamento. Em 1784 pesquisou e projetou uma balança de torção, com a qual estabeleceu a lei básica da eletrostática em 1785, e em 1788 estendeu-a 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 no processo de magnetização. Projetou um magnetômetro (1785).

A unidade de carga, o coulomb, recebeu o seu nome.

Coulomb projetou uma balança de torção altamente sensível, tendo estabelecido previamente que a força de torção do fio depende da substância do fio, é proporcional ao ângulo de torção e à quarta potência do diâmetro do fio, e é inversamente proporcional à sua comprimento. Com a ajuda desses pesos, Coulomb estabeleceu experimentalmente que as forças de atração e repulsão das cargas são inversamente proporcionais aos quadrados das distâncias. Coulomb também postulou a proporcionalidade da força de interação ao produto de cargas elétricas, ou seja, por 4 anos de trabalho intensivo de 1785 a 1789 ele lançou as bases da eletrostática moderna. Como as forças eletrostáticas também dependem da distância, assim como as 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).

Henry Cavendish (10/10/1731 - 24/02/1810) - Físico e químico inglês, membro da Royal Society of London (1760). Nascido em Nice na família do Senhor. Em 1749-53 estudou na Universidade de Cambridge. Ele passou a maior parte de sua vida na solidão, entregando-se completamente trabalho científico em nosso próprio laboratório.

Ele publicou apenas os artigos em que estava completamente seguro, razão pela qual muitos trabalhos sobre eletricidade permaneceram desconhecidos. Publicados em 1879 por J. Maxwell, esses trabalhos 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 capacitância elétrica, descobriu a influência do meio na capacitância de um capacitor e determinou a constante dielétrica de várias substâncias. Em 1798 mediu a força gravitacional de atração de duas pequenas esferas, determinou a constante gravitacional, massa e densidade média da Terra. Ele recebeu hidrogênio em 1766 e determinou suas propriedades, estabeleceu a composição da água e mostrou que pode ser obtido artificialmente, determinou o teor de oxigênio no ar (1781).

Desde os primeiros casos de lesão por descarga elétrica, surgiram suposições sobre a "eletricidade animal", o regulador da vida animal. Em 1773, as memórias da rampa elétrica de John Walsh apareceram, e os fisiologistas surgiram com a hipótese de uma "essência animal" que, como o fluido elétrico, é responsável pela transmissão de sinais nervosos.

Luigi Galvani (1737-1798), professor de anatomia na Universidade de Bolonha, realizou experimentos eletrofisiológicos e chegou à conclusão de que o efeito das influências fisiológicas e elétricas na contração muscular do sapo 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 de diferentes metais foi realizada de diferentes maneiras.

Volta realizou primeiro um experimento com a detecção de um gosto azedo na língua, se uma extremidade for aplicada à ponta e a outra extremidade de um arco composto de diferentes metais for aplicada ao meio. Em seguida, ele procedeu a investigações puramente físicas 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 ele primeiro chamou de "órgão elétrico artificial" e depois "aparelho eletromotriz". Os franceses mais tarde começaram a chamá-lo de "coluna galvânica ou voltaica".

A invenção das células galvânicas (fontes elétricas muito mais convenientes do que as máquinas eletrostáticas) expandiu significativamente o escopo da pesquisa sobre eletricidade. Em primeiro lugar, foi mostrada a identidade dos "fluidos" elétricos e galvânicos, a diferença entre os quais se manifestou pela primeira vez em vários processos fisiológicos e químicos (choque elétrico, ação química da corrente etc.).

Já após os primeiros estudos no campo da eletricidade e do magnetismo, surgiram suposições sobre a conexão entre eles. A busca por essa conexão se intensificou após a descoberta das leis de Coulomb. O experimento decisivo nesta área foi estabelecido em 1820 por Oersted, que descobriu a deflexão de uma agulha magnética por um condutor de corrente.

Oersted Hans Christian (14.08.1777-09.03.1851) foi um físico dinamarquês, secretário indispensável da Royal Danish Society (desde 1815), membro honorário de São Petersburgo (1830) e outras academias de ciências. Nascido em Rudkøbing na família de um farmacêutico. Graduado pela Universidade de Copenhague: diploma de farmacêutico (1797), doutorado (1799). Desde 1806 foi professor desta universidade, desde 1829 foi simultaneamente diretor da Escola Politécnica de Copenhaga.

Atua na área de eletricidade, acústica, física molecular. Por criatividade científica Oersted caracteriza-se pela busca da relação entre vários fenômenos naturais. Sua descoberta da ação de uma 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. Estudou experimentalmente a compressibilidade e elasticidade de líquidos e gases, inventou o piezômetro.

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

A unidade de força do campo magnético, o oersted, recebeu seu nome.

Um deve ser notado fato importante no experimento de Oersted: o efeito detectado não se encaixava 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) investigaram experimentalmente a dependência da magnitude 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 obtido por ele lei comumé chamada de lei de Biot-Savart-Laplace.

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

Ampère André Marie (22.01.1775–06.10.1836) foi um físico, matemático e químico francês, membro da Paris (1814), São Petersburgo (1830) e outras academias de ciências. Nascido em Lyon na família de um comerciante. Recebeu educação em casa. Em 1801 começou a ensinar 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 College de France.

Os trabalhos físicos são dedicados ao eletromagnetismo. Ele estabeleceu a lei da interação das correntes elétricas (lei de Ampère), desenvolveu a teoria do magnetismo. De acordo com essa 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. Ampère foi o primeiro a apontar a estreita relação entre processos elétricos e magnéticos. Ele descobriu (1822) o efeito magnético de uma bobina com corrente - um solenóide, que é o equivalente a um ímã permanente, apresentou a ideia de amplificar o campo magnético colocando um núcleo de ferro dentro do solenóide. Em 1820, ele propôs o uso de fenômenos eletromagnéticos para transmissão de sinais e inventou o comutador, o telégrafo eletromagnético. Ele formulou o conceito de "cinemática", realizou pesquisas no campo da filosofia e da botânica.

A unidade de corrente, o ampère, recebeu seu nome.

Ampere também propôs uma hipótese segundo a qual o ímã é uma coleção de correntes e derivou uma fórmula para a interação dos elementos de corrente. A teoria desenvolvida por ele possibilitou explicar vários tipos de interação: magnetostática, eletromagnética e eletrodinâmica. Os estudos realizados por Oersted, Ampere e outros cientistas sobre a ação de ímãs em condutores com corrente e a rotação de um condutor com corrente em um campo magnético descoberto em 1821 por Faraday formaram a base para a criação de galvanômetros, que em várias modificações foram amplamente utilizados no estudo de fenômenos eletromagnéticos.

Michael Faraday (22/09/1791-25/08/1867) - físico inglês, membro da Royal Society of London (1824), Petersburg Academy of Sciences (1830). Nasceu em Londres na família de um ferreiro. A partir dos 12 anos trabalhou como vendedor de jornais, depois como aprendiz numa oficina de encadernação. Estudou por conta própria. Em 1813 tornou-se assistente de G. Davy no Royal Institute em Londres, em 1825 tornou-se o diretor do laboratório, substituindo G. Davy neste cargo, em 1833-62 foi professor do departamento de química.

Atua na área de eletricidade, magnetismo, magnetoótica, eletroquímica. A rotação de um ímã em torno de um condutor de corrente e de um condutor de corrente em torno de um ímã, descoberto por Faraday, tornou-se a base para um modelo de laboratório de um motor elétrico e revelou claramente a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos, o que acabou levando para a descoberta e estabelecimento das leis da indução eletromagnética. Em 1835, ele descobriu correntes extras durante o fechamento e a abertura. Ele provou a identidade de vários tipos de eletricidade: "animal", "magnética", galvânica, termoeletricidade e eletricidade decorrente de atrito. Como resultado do trabalho sobre o estudo da natureza da corrente elétrica em soluções de ácidos, sais e álcalis, em 1833 ele descobriu as leis da eletrólise (leis de Faraday), que eram 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 (o efeito Faraday), que era a prova da conexão entre luz e magnetismo e lançou as bases para a magneto-óptica.

Faraday foi o primeiro a introduzir o conceito de campo, o conceito de linhas de força elétrica e magnética. A ideia de um campo mudou radicalmente a ideia que Newton e seus seguidores tinham de ação de longo alcance e espaço como um receptáculo passivo para 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 de interações elétricas e magnéticas através de um meio intermediário, a ideia da unidade das forças da natureza (diferentes tipos de energia) e sua transformação mútua.

A unidade de capacitância, o farad, recebeu seu nome.

Os primeiros estudos no campo da eletricidade foram focados principalmente em elementos ativos - fontes de força eletromotriz, e quase nenhuma atenção foi dada aos condutores passivos. Ohm realizou estudos experimentais e teóricos sistemáticos de condutividade e formulou suas leis em 1827 em formas integrais e diferenciais, introduzindo os conceitos e definições precisas força eletromotriz, condutividade elétrica e força de corrente.

Om Georg Simon (16/03/1789-07/06/1854) - físico alemão, membro correspondente da Berlin (1839), membro da Academia de Ciências de Turim e Baviera, Royal Society of London (1842), medalha Copley ( 1841). Nascido em Erlangen na família de um serralheiro. Graduou-se pela Universidade de Erlangen, Ph.D. (1811). Ele ensinou matemática, depois física em vários ginásios. De 1833 - professor na Escola Politécnica Superior de Nuremberg (de 1839 - reitor), 1849-52 - na Universidade de Munique.

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

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

Ao mesmo tempo, Ohm realizou seu trabalho usando a analogia de uma 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, estudos foram realizados 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 na época independentemente de Ohm, em 1845, foram resumidas por Kirchhoff em suas regras.

Um grande impulso às medições elétricas foi dado pelo primeiro uso prático de fenômenos elétricos na telegrafia. A criação de telégrafos aéreos e submarinos exigiu o desenvolvimento de novos métodos de medições elétricas. Em 1840, Wheatstone propôs seu método de ponte para medições precisas de resistências. Gauss lançou as bases da métrica eletromagnética, tomando como as três principais unidades mecânicas (tempo, comprimento e massa) e expressando todo o resto em termos delas, além de desenvolver uma série de novos dispositivos.

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). Nascido em Braunschweig na família de um encanador. Ele estudou em 1795-98 na Universidade de Göttingen, em 1799 recebeu uma cátedra em Braunschweig, a partir de 1807 foi professor na Universidade de Göttingen e diretor do observatório astronômico.

Trabalha em muitas áreas da física. Em 1832 criou um sistema absoluto de medidas, em 1833, junto com W. Weber, construiu o primeiro telégrafo eletromagnético na Alemanha. Em 1839 no ensaio " Teoria geral forças de atração e repulsão agindo inversamente proporcional ao quadrado da distância" delineou os fundamentos da teoria do potencial (o teorema de Ostrogradsky-Gauss). sistemas ópticos. Em 1845, ele chegou à ideia da finitude da propagação de interações eletromagnéticas. Ele formulou o princípio da menor restrição (o princípio de Gauss) em 1829. Ele foi um dos primeiros a apresentar a hipótese de a existência de geometria não-euclidiana em 1818.

A unidade de indução magnética, o gauss, recebeu 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 física do século 19 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, introduzindo pela primeira vez os conceitos de linhas de forças magnéticas e um campo eletromagnético e expressando a ideia da propagação de distúrbios magnéticos no tempo. Em 1833, o físico americano Joseph Henry (1797-1878) descobriu o fenômeno da auto-indução, e o cientista russo Emil Khristianovich Lenz (1804-1865) formulou em 1834 sua regra sobre a direção das correntes de indução.

Em meados da década de 1940, os cientistas alemães Franz Ernst Neumann (1798-1895), Weber e Helmholtz desenvolveram teorias de indução, levando em conta que a interação de cargas elétricas depende tanto da distância entre elas quanto das velocidades.

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

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

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

Além de inúmeras descobertas experimentais, no final de sua vida, Faraday, na luta contra as ideias atomísticas sobre a continuidade do espaço único, apresenta uma ideia original: desenvolvendo o conceito de Boskovich, ele introduz o conceito de campo. Ele diz que a matéria não é apenas mutuamente permeável, mas que cada um de seus átomos 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 baseados em indução eletromagnética. O telefone também deve ser incluído.

Nos anos 60 do século XIX, a eletrodinâmica, graças ao trabalho de Neumann, Weber e Helmholtz, era considerada uma ciência totalmente formada com limites claramente definidos. No entanto ideias originais Faraday estava interessado em Maxwell e decidiu dar-lhes uma forma matemática. Ao introduzir os conceitos de correntes de deslocamento e intensidades de campo, Maxwell primeiro criou a eletrodinâmica dos dielétricos usando a teoria de Mossotti. Estendendo essas ideias com correções para o magnetismo, ele também cria a teoria da indução eletromagnética. Como resultado, toda a construção é reduzida às famosas seis equações de Maxwell. Essas equações estabelecem a continuidade dos fenômenos, determinam mudanças no campo, ao contrário do modelo newtoniano, onde as leis determinam mudanças no comportamento das partículas materiais. Eles ligam eventos que são adjacentes no espaço e no tempo. Muitos viram uma série de erros lógicos e inconsistências na construção da teoria de Maxwell. Mas explicava muito e, no final do século XIX, os principais físicos eram da opinião expressa por Hertz: é preciso aceitar as equações de Maxwell como hipótese, postulados, sobre os quais toda a teoria do eletromagnetismo se baseará.

Hertz Heinrich Rudolf (22/02/1857-01/01/1894) - físico alemão, membro correspondente da Academia de Ciências de Berlim (1889), membro de várias academias de ciências e sociedades eruditas, prêmios da Academia de Ciências de Viena, Paris, Turim, Royal Society de Londres, etc. Nasceu em Hamburgo na família de um advogado. Graduou-se na Universidade de Berlim, doutorou-se (1880) e foi assistente de G. Helmholtz. Desde 1883 - professor assistente na Universidade de Kiel, em 1885-89 - professor na Escola Técnica Superior de Karlsruhe, desde 1889 - na Universidade de Bonn.

Os principais trabalhos dizem respeito à eletrodinâmica e à mecânica. Em 1887, em seu trabalho "On very fast electric oscillations", ele propôs um projeto bem sucedido de um gerador de oscilações eletromagnéticas (vibrador hertziano) e um método para detectá-las (ressonador hertziano), pela primeira vez desenvolvendo uma teoria de um vibrador que emite ondas eletromagnéticas no espaço. Provou experimentalmente a existência de ondas eletromagnéticas se propagando no espaço livre de acordo com a teoria de Maxwell. Ele deu às equações da eletrodinâmica uma forma simétrica, que demonstrou claramente a relação completa entre os fenômenos elétricos e magnéticos (eletrodinâmica de Maxwell-Hertz). Em 1887, observou um efeito fotoelétrico externo, notando que a descarga elétrica era mais intensa quando os eletrodos eram irradiados com luz ultravioleta. Na obra "Sobre a passagem dos raios catódicos através de camadas finas de metal" (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 restrições não holonômicas, a interpretação de um sistema mecânico como um sistema com um grande número graus de liberdade e aplicando o princípio do caminho mais curto ou da menor curvatura.

A unidade de frequência, hertz, recebeu o 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 ao longo de um fio: acabou sendo igual à velocidade da luz. Nessa época, as oscilações da descarga elétrica de um capacitor em um circuito com uma bobina de indução foram descobertas e estudadas, e em 1884 Hertz mostrou que essas oscilações provocam o aparecimento de ondas no espaço, consistindo em oscilações elétricas e magnéticas polarizadas perpendicularmente a cada uma. outro. Ele também descobriu a reflexão, refração e 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 a magnitude da pressão da luz em plena conformidade com a teoria de Maxwell.

O físico italiano Augusto Righi (1850-1920) desenvolveu esses trabalhos e resumiu seus resultados em 1897 no livro Optics of Electrical Phenomena, cujo próprio título fala da natureza revolucionária de tal conclusão no desenvolvimento da física.

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

Popov Alexander Stepanovich (16 de março de 1859 - 13 de janeiro de 1906) foi um físico e engenheiro elétrico russo. Nasceu na aldeia de Turinskiye Rudniki (província de Ekaterinburg) na família de um padre. Graduado pela Universidade de São Petersburgo (1882). Em 1883-1901 lecionou nas instituições militares de Kronstadt. A partir de 1901 - professor do Instituto Eletrotécnico de São Petersburgo (a partir de 1905 - reitor).

Atua na área de engenharia elétrica e engenharia de rádio. Em 1888 ele repetiu os experimentos de G. Hertz e em 1889 pela primeira vez apontou a possibilidade de usar ondas eletromagnéticas para transmissão de sinais. Em 1894 ele projetou um gerador de oscilação eletromagnética e um receptor com um elemento sensível - um coesor, e também inventou a primeira antena receptora. Estabeleci que o receptor da antena responde a descargas de raios e criei 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 Russa de Física e Química e sugeriu a possibilidade de usá-lo para transmitir sinais à distância. Em uma 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 essas obras premio Nobel quando Popov já havia morrido. Em 1897, descobriu a reflexão de ondas eletromagnéticas de objetos (navios) localizados no caminho de sua propagação, que era a base do radar.

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

Bibliografia

Para a preparação deste trabalho, 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 físico dinamarquês Hans Christian Oersted, que descobriu o efeito da corrente elétrica em um ímã, é considerado o descobridor do eletromagnetismo.

Até o início do século 19, ninguém supunha que algo conectasse eletricidade e magnetismo. E mesmo os ramos da física em que eram considerados eram diferentes. A prova da existência de tal conexão foi obtida por Oersted em 1820 durante o experimento em uma palestra na universidade. Uma bússola magnética foi colocada na mesa experimental ao lado do condutor de corrente. No momento de fechar o circuito elétrico, a agulha magnética da bússola se desviou de sua posição original. Repetindo o experimento, Oersted obteve o mesmo resultado.

A experiência de Oersted

Em experimentos subsequentes, o cientista puxou um fio de metal entre duas prateleiras. A agulha magnética estava localizada sob ela. Antes que a corrente passasse pelo fio, a seta estava orientada de norte a sul. Após o fechamento do circuito elétrico, 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 meio, ele se desviava obstinadamente de sua posição original assim que uma corrente fluía pelo condutor. Isso significava que uma agulha magnética localizada perto de um condutor de corrente era submetida a forças que tendiam a girá-la. Oersted encontrou uma explicação para isso. Ele sugeriu 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 com corrente

Linhas de energia de um condutor de corrente

Assim como o campo magnético formado por um ímã permanente, o campo magnético de um condutor com corrente é caracterizado por linhas de força.

Se um condutor reto, através do qual a corrente flui, passa por um orifício em uma folha de papelão, na qual pequenas limalhas de ferro ou aço são espalhadas, elas formam círculos concêntricos, cujo centro está localizado no eixo do condutor . Esses círculos representam as linhas de força do campo magnético de um condutor de corrente.

Mas se você der ao condutor uma forma diferente, a imagem será diferente.

O campo magnético de uma bobina com corrente

Campo magnético do solenóide

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

Se você enrolar o fio isolado ao redor do quadro para que as voltas fiquem próximas umas das outras, você obtém uma bobina. Quando a corrente passa por ela, um campo magnético é criado e a bobina começa a atrair objetos metálicos. Essa atração é bastante reforçada pela inserção de uma haste de aço ou ferro na bobina, que é chamada de essencial . A corrente cria um campo magnético que magnetiza o núcleo. Em seguida, o campo magnético do núcleo é adicionado ao campo magnético do próprio solenóide, aumentando-o. Uma bobina com um núcleo é chamada eletroímã .

Prosto mais eletroímã

O campo magnético de um eletroímã pode ser ajustado aumentando ou diminuindo a intensidade da corrente ou o número de voltas no enrolamento. Cada bobina cria seu próprio campo magnético. E quanto mais voltas em um eletroímã, mais forte seu campo. Assim, se o número de voltas for reduzido, 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 envernizada para isolá-la do fio. Um fio de cobre grosso foi enrolado na haste.

Desenho do eletroímã do esturjão

Nos eletroímãs modernos, os núcleos são feitos de ferroímãs - substâncias altamente magnetizadas em temperaturas abaixo do ponto de Curie, mesmo na ausência de um campo magnético externo. Para enrolamento, é usado fio de alumínio ou cobre isolado.

Aplicação de eletroímãs

Guindaste eletromagnético

Um eletroímã é geralmente uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo ferromagnético. O núcleo pode ter mais forma diferente. Faz parte de um circuito magnético através do qual passa um fluxo magnético, excitado por uma corrente elétrica. A outra parte móvel do circuito magnético é a armadura, que transmite a força.

Os eletroímãs são usados ​​em vários dispositivos elétricos, telefones, carros, televisores, campainhas elétricas, etc. guindastes, máquinas-ferramentas com mesas magnéticas são utilizadas em plantas metalúrgicas nas quais o produto é fixado com eletroímãs. Na medicina, eles são usados ​​para remover limalhas de metal que caíram no olho.

Condutores paralelos em um campo magnético

Condutores com corrente em um campo magnético

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

Deve-se notar que Ampère investigou um condutor em um campo magnético criado não por um ímã permanente, mas por outro condutor de corrente.

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

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

A ação de um campo magnético em um condutor de corrente

Condutor com corrente em um campo magnético

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

Suspenda um condutor entre os pólos de um ímã permanente. Assim que a corrente flui através dele, o condutor será atraído para o ímã ou empurrado para fora, dependendo da direção da corrente e da localização dos pólos do ímã. A força que age sobre um condutor é chamada pelo poder de Ampere . Seu valor depende da magnitude da corrente EU , o comprimento da seção do condutor em um campo magnético eu , a magnitude da indução magnética do campo B e o ângulo α entre a direção da corrente e o vetor de indução magnética:

F= EU eu B sinα

Como vemos, valor mais alto forças serão 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 coincidem, então a força Ampere é zero e o campo magnético não atua no condutor que transporta a corrente neste caso.

A direção da força de Ampère é determinada usando a regra da mão esquerda: Se o condutor com corrente for colocado de tal 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, o polegar dobrado mostrará a direção da força Ampere.

A ação de um campo magnético em uma espira com corrente

Quadro com corrente em um campo magnético

A corrente elétrica é 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 na forma de uma estrutura rígida for colocado entre os pólos do ímã, no momento inicial tal estrutura será instalada paralelamente à linha que conecta os pólos do ímã. Neste momento, o vetor de indução magnética é paralelo aos dois lados do quadro e está localizado em seu plano. Depois de ligar a corrente, o quadro começará a girar e será definido de tal forma que as linhas do campo magnético perfurarão seu plano.

A rotação do quadro é explicada pela ação das forças de Ampère sobre ele.

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

Obviamente, as forças que atuam em lados opostos do pórtico retangular serão iguais em magnitude e opostas em direção devido à direção diferente das correntes neles.

Nas laterais do quadro, localizadas paralelamente às linhas de indução magnética, as forças não atuam, pois o ângulo α entre o vetor de indução magnética e a direção da corrente é 0, portanto, sinα também é igual a zero.

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

F = EU · BA , Onde uma é o comprimento do lado do quadro.

As forças criam um torque cujo valor escalar é

M = EU · S · B

Sob a influência deste momento, o quadro começa a girar. Em qualquer momento intermediário M = EU · S · B · sinβ , Onde β é o ângulo entre o vetor de indução magnética e a normal (perpendicular) ao plano do quadro. 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 se torna zero. ( M = 0 ) .

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

Para que o quadro gire continuamente, é necessário que a corrente flua a cada meia volta. No motor, esta função é realizada por um dispositivo chamado colecionador . Consiste em dois meios anéis de metal. As extremidades do quadro são soldadas a eles. Quando a corrente é conectada, o quadro dá meia volta. Junto com ele, os semi-anéis do coletor também giram. Como resultado, os contatos do quadro mudam, a corrente nele muda de direção e o quadro continua a girar sem parar.

Os motores DC são usados ​​em acionamentos elétricos de tração de locomotivas elétricas, bondes, locomotivas a diesel, 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.