Физика

Урок 10: Часть 2. Электромагнетизм

Явления электромагнетизма. Часть 2

Однажды, возвращаясь из Европы, американец Самуэль Морзе в беседе со своим попутчиком, видимо, специалистом по электромагнетизму, был заинтересован взаимодействием электрического тока и магнита. Будучи человеком увлекающимся новыми идеями Морзе решил применить электромагнетизм для передачи сигналов на дальнее расстояние. Как это сделать и еще многое другое – в следующем уроке.

План урока:

Первые телеграфные аппараты

Движущийся заряд в магнитном поле. Кинескоп

Как действует магнитное поле на проводник с током?

Теория электромагнитного поля

 

Первые телеграфные аппараты

В процессе своего существования люди пытались передавать друг другу разнообразную информацию. С помощью звуков, жестов, письма это делалось при непосредственном контакте людей, или происходило все очень долго, если дело касалось больших расстояний. Например, написав послание на куске бересты, нужно было отправить к адресату гонца и месяцами ждать его возвращения с ответом. Много веков прошло до той поры, когда связь между людьми стала осуществляться на расстоянии. Помогли этому знания человека в области электромагнетизма.

1753 год. Шотландия. Неизвестный изобретатель предложил для соединения двух переговорных пунктов большое количество проводов, соответствующее количеству букв имеющегося тогда алфавита. На каждый отдельный провод прикреплялся шарик, перед ним на близком расстоянии подвешивалась карточка с буквой.

1dhfgh
Один из первых электростатических телеграфов.  

Чтобы послать какое-то слово сообщения, нужно было по проводу, соответствующему определенной букве отправить электрический заряд. Он электризовал шарик в пункте приема и этот шарик притягивал к себе нужную бумажку с буквой. Это был один из первых электростатических телеграфов. В работе с ним нужно было отслеживать прилипающие к шарикам буквы, что было очень непросто. Такой телеграф был неудобен и распространения в технических разработках не получил.

Пригодный для практики телеграф был сконструирован русским ученым – физиком Павлом Львовичем Шиллингом. Он составил специальный код передачи сигналов, который позволял уменьшить количество стрелок до шести. К тому времени электризующиеся шарики уже заменили магнитными стрелками. Чтобы отправить сигнал, нужно было нажать на клавишу, соответствующую сочетаниям букв. Устройство напоминало клавишный музыкальный инструмент. Людей, которые работали на нем, иногда называли пианистами.

2gdsgs
Электромагнитный телеграфный аппарат П. Л. Шиллинга. Источник

Известный всему миру сигнал бедствия SOS был зашифрован Самуэлем Морзе, автором самого известного телеграфного аппарата. Для работы в своей системе передачи информации Морзе придумал несложную кодированную азбуку. Каждой букве в ней соответствовал набор из тире и точек. Сигнал SOS в азбуке Морзе представлен последовательно идущими тремя точками, тремя тире и опять тремя точками.

3ljgf

В 1844 году на расстоянии около 63 километров между городами Балтимор и Вашингтон была осуществлена первая телеграфная передача новыми аппаратами Морзе. Простые в изготовлении и надежные в работе эти устройства довольно быстро стали применяться не только в Америке, но и были освоены в Европе.

4telegr
Телеграф Морзе.  

Схема работы телеграфа упрощенно выглядит так:

5shemateleg

Буквой A обозначено место, откуда передаются сигналы. Прием информации выполняется в пункте В.

Основные детали простого телеграфа:

  • 1 – ключ. При нажатии на него (указано красной стрелкой) цепь, соединяющая проводами пункты A и В, замыкается, и по ней идет ток.
  • 2 – электромагнит, усиленный сердечником.
  • 3 – якорь, который притягивается к электромагниту в момент замыкания цепи.
  • 4 – пружина. Ее растягивает якорь, когда притягивается к магниту.
  • 5 – пишущее колесо, которое касается бумажной ленты, натянутой между двумя бабинами.
  • 6 – бумажная лента.

Если нажать на ключ кратковременно, то и цепь замыкается на короткий миг. Но за этот миг якорь успевает притянуться к электромагниту, поднять пишущее колесо к бумажной ленте. На колесо нанесена краска, и поэтому на ленте остается след в виде точки.

Если держать ключ нажатым чуть дольше, то на ленте вырисовывается тире.

Для работы с таким устройством необходимо было хорошо знать азбуку Морзе и иметь очень хорошие навыки правильной ручной работы с ключом.

В 1850 году в России был создан первый буквопечатающий аппарат. Его изобретателем был Борис Семенович Якоби. Но устройство это было очень сложным и поэтому не нашло применения.

Позднее (в 1914-1918 годах) уже в США изготовили телеграфный аппарат, напоминающий печатную машинку – телетайп.

6iyutr
Буквопечатающий телеграф (телетайп).  

Получается, благодаря изучению электромагнетизма, человечество получило возможность быстрой связи по всему миру еще в девятнадцатом веке.

 

Движущийся заряд в магнитном поле

Вокруг движущегося заряда есть магнитное поле. Окружен магнитным полем и проводник с током. А что будет происходить с зарядом, если он при своем движении попадет в другое магнитное поле? Какое действие магнитное поле окажет на этот заряд?

Нидерландским ученым Х. А. Лоренцом во второй половине девятнадцатого века было установлено, что, попадая в магнитное поле, заряженная частица отклоняется от прямой траектории движения.

Силу магнитного поля, которая действует на заряженную частицу, назвали силой Лоренца. Куда она направлена, в какую сторону отклонится частица, помогает установить правило левой руки.

7dsgf

8sdfg

Сила Лоренца не увеличивает и не уменьшает скорость частицы, так как она направлена не вдоль движения, а перпендикулярно ему. Она влияет лишь на траекторию.

На этом основано управление потоком (пучком) электронов в кинескопах. Кинескоп – это приемная электронная трубка, которая преобразует электрические сигналы в видимое изображение.

9dgfj
Кинескоп.  

Катушки с током образуют так называемый отклоняющий магнит, который позволяет управлять электронами внутри кинескопа. Траекторию движения электронов меняет магнитное поле, а за счет электрического поля меняется их скорость.

Экран покрыт внутри флуоресцентным (светящимся) веществом. Оно способно светиться в точке удара электрона.

Пучок электронов, ударяющихся в разных точках экрана, заставляет светиться его так, как передано в соответствующем изображении.

10uirt
Упрощенная схема кинескопа

При использовании телевизоров с такими экранами не рекомендовалось ставить поблизости различные электроприборы. Магниты, находящиеся внутри них оказывали влияние на изображение, искажая его.

 

Как действует магнитное поле на проводник с током?

Первым, кто увидел, что магнитное поле действует не только на заряд, но и на проводник с током, был А.М. Ампер. В качестве магнита он использовал другой проводник, по которому запускал ток. Было обнаружено магнитное взаимодействие токов.

11dtger111dtger2

Если по проводам шел ток в одном направлении (это можно наблюдать при параллельном соединении), они притягивались.

Если по проводам шел ток в разных направлениях (при последовательном соединении провода сближали друг с другом), они отталкивались.

Сближая или отталкивая провода, в магнитном поле проявляется сила, названная по имени ученого силой Ампера. И опять правило левой руки поможет определить ее направление.

12dgsg

Сила Ампера перпендикулярна магнитным линиям поля, куда помещен проводник и перпендикулярна самому проводнику.

13dfsgd

Магнитное поле не будет оказывать никакого действия на проводник с током, если его поместить вдоль силовых линий поля.

14gfsh

Сила Лоренца и сила Ампера показывают, как действует магнитное поле на движущиеся заряды: отдельные частицы или электрический ток.

В лабораторных условиях увидеть действие поля магнита на проводник достаточно легко. Собирается установка, состоящая из электрической цепи, дугообразного магнита и провода, закрепленного на штативе. Провод на рисунке обозначен буквами АВ.

Когда по цепи не идет ток, магнитное поле не действует на провод (провод не отклоняется).

15fdsf

После замыкания цепи, провод отклоняется влево, демонстрируя при этом действие магнита.

16fdsf

Если перевернуть магнит, то есть поменять направление силовых линий поля, провод отклонится вправо.

17fdsg

 

Магнитное поле вращает рамку с током

Как происходят измерения приборами? Что заставляет стрелку электроизмерительных приборов поворачиваться? Оказывается, здесь нашла применение сила Ампера, которая заставляет вращаться рамку с током. Как это получается, объясняет опыт.

Пусть рамка с идущим по ней током находится в магнитном поле. Ток участков AB и CD имеет различные направления, как видно на рисунке.

18dfg

По правилу левой руки провод AB двинется вперед, а провод CD – назад. Такое действие повернет рамку.

19gfhd

Этот принцип используется в электроприборах. Главные внутренние детали приборов это:

20tret

  • 1 – постоянный магнит для создания магнитного поля;
  • 2 – катушка, устроенная в виде рамки, усиленная сердечником;
  • 3 – пружинки спиральные для плавного движения стрелки и возвращения ее на нуль;
  • 4 – стрелка, помещенная над шкалой прибора;
  • 5 – противовес, удерживающий в равновесии установку.

Ось вращения конструкции – ОО1.

Когда по обмотке катушки проходит ток, она поворачивается благодаря силе Ампера. Прикрепленная к оси вращения стрелка поворачивается вместе с рамкой и показывает на шкале значение той величины, которая измеряется. Угол поворота стрелки, а соответственно и значение измеряемой величины будет зависеть от силы тока в рамке.

Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, работают на той же основе.

21oiuy

В роли неподвижной части (статора) выступает магнит. Подвижная деталь (ротор) представлена рамкой с током с большим количеством мотков провода. Вращающийся вал неподвижно соединен с обмоткой и при ее вращении тоже вращается.

К валу двигателя крепятся детали устройств, которые для своей механической работы должны вращаться (точильный круг, лопасти вентилятора, режущие ножи мясорубки, размешивающие лапки миксера и т. д.). Это пример, где электроэнергия преобразуется в механическую.

Чтобы не происходило заматывания проводов, в двигателях электрические контакты скользящие. Они не скреплены, а, касаясь, скользят друг относительно друга – подвижные контакты и щетки.

В трамваях, троллейбусах, электровозах используются электродвигатели. Двигатель внутреннего сгорания (тепловой) запускается тоже с помощью небольшого электрического двигателя, стартера.

Электрические двигатели (в отличие от тепловых) не наносят вред экологическому состоянию природы. Они не имеют выхлопных газов, пара и дыма. И КПД у таких двигателей значительно больше, доходит до 98 %.

22oiytr
Электросамокат.  

23uytr
Квадромопед.  

24uytrtr
Электромобиль.  

Удобно, красиво, чисто. Будущее за электрическими средствами передвижения.

 

Теория электромагнитного поля

Ко второй половине девятнадцатого века наука имела достаточно знаний о явлениях электричества и магнетизма. Требовалась систематизация накопленного научного материала. Это сделал и опубликовал в статье «Динамическая теория электромагнитного поля» английский ученый-физик Д. Максвелл. Тогда в 1864 году первый раз прозвучало понятие «электромагнитное поле». До этого электрическое и магнитное поля рассматривались отдельно.

Максвелл положил в основу своей теории следующее высказывание:

25ljg

Совместное существование этих полей и дало название электромагнитному полю. Джеймс Максвелл спрогнозировал наличие электромагнитных волн, но, к сожалению, открыты эти волны были уже после его смерти Генрихом Герцем в 1888 году.

Электромагнитные волны – не что иное, как распространение колебаний электромагнитного поля. Поле меняется, оно становится то слабее, то сильнее, изменяя периодически направление силовых линий. Это называется возмущением поля, и оно идет от источника (проводника с током).

Чтобы это происходило, ток должен быть переменным. С увеличением силы тока, электромагнитное поле становится сильнее, при уменьшении силы тока и поле слабеет.

Герц использовал эти особенности электромагнитного поля в своем опыте. Устройство с меняющимся током и полем он назвал вибратором. От него исходили возмущения электромагнитного поля – волны.

На расстоянии 1-2 метров Герц установил приемное устройство, называемое резонатором. Электромагнитные волны без проводов распространялись до резонатора, и в нем тоже возникало такое же возмущение.

26ytre

Была заложена основа передачи сигналов на большие расстояния без проводов – радиосвязь.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Кто придумал сигнал SOS?
1П.Л. Шиллинг
2С. Морзе
3Б.С. Якоби
Ответить
2
Вопрос: 2
Главный элемент телеграфа – это…
1Электродвигатель
2Электроприбор
3Электромагнит
Ответить
3
Вопрос: 3
Как называют силу, действующую на движущуюся частицу?
1Сила Архимеда
2Сила Ампера
3Сила Лоренца
Ответить
3
Вопрос: 4
Какая сила заставляет вращаться рамку с током в магнитном поле?
1Сила Лоренца
2Сила Ампера
3Сила тока
Ответить
2
Вопрос: 5
Ученый, разработавший теорию электромагнитного поля -
1Д. Максвелл
2Г. Герц
3А. Ампер
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Кто придумал сигнал SOS?
1) П.Л. Шиллинг 2) С. Морзе 3) Б.С. Якоби
2 вопрос:

Главный элемент телеграфа – это…
1) Электродвигатель 2) Электроприбор 3) Электромагнит
3 вопрос:

Как называют силу, действующую на движущуюся частицу?
1) Сила Архимеда 2) Сила Ампера 3) Сила Лоренца
4 вопрос:

Какая сила заставляет вращаться рамку с током в магнитном поле?
1) Сила Лоренца 2) Сила Ампера 3) Сила тока
5 вопрос:

Ученый, разработавший теорию электромагнитного поля -
1) Д. Максвелл 2) Г. Герц 3) А. Ампер
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: С. Морзе
2 вопрос: Электромагнит
3 вопрос: Сила Лоренца
4 вопрос: Сила Ампера
5 вопрос: Д. Максвелл