В съвременния свят използваме магнитите по безброй различни начини – от затварянето на вратата на хладилника и възпроизвеждането на музика от слушалките ни до генерирането и преноса на електричество и работата на автомобилните двигатели.
Всички тези технологии използват магнитната сила по един или друг начин.
Днес магнитите са толкова широко разпространени, че съвременната ни цивилизация трудно би функционирала без тях. Нямаше да можем да пренасяме електрическа енергия на големи разстояния, електрическите ни двигатели нямаше да работят, а комуникацията от разстояние нямаше да бъде възможна по начина, по който я познаваме.
Затова не бива да приемаме тези технологии за даденост. Напротив, всички ние – не само учените – трябва да се стремим да разберем какво представлява магнетизмът, как работи, каква е тясната връзка между електричеството и магнетизма и как взаимодействието между тях задвижва света около нас.
Именно това е целта на нашата поредица от статии: да помогнем на всеки да разбере защо електроните притежават магнитен момент, как електрическият ток може да създава магнитно поле, защо магнитният поток може да предизвиква електрическа индукция и защо всички тези явления са толкова важни за съвременния свят. Колко интересна е връзката между електричество и магнетизъм!
Какво е магнетизъм?
Нека започнем с магнетизма. Магнетизмът е силата, присъстваща във и между всички обекти, която се произвежда от движението на електрони – и която води до привличане и отблъскване на различни обекти. Това е „безконтактна“ сила, която влияе на всеки отделен обект в света, в по-голяма или по-малка степен, и е резултат от движението на тези субатомни частици, електрони, и техния електрически заряд.
Електрони, магнитни моменти и трите вида магнетизъм
Всеки атом е изграден от частици, сред които протони, неутрони и електрони. Именно електроните играят ключова роля в магнетизма. Те притежават електричен заряд и собствен магнитен момент, а поведението им определя магнитните свойства на веществата.
В много атоми електроните образуват двойки с противоположно ориентирани магнитни моменти, които взаимно се компенсират. В резултат атомът няма постоянен нетен магнитен момент. Това е характерно за диамагнетизма – вид магнетизъм, при който веществото се намагнитва слабо в посока, противоположна на приложеното външно магнитно поле.
Техните магнитни моменти не се компенсират напълно. При наличие на външно магнитно поле тези моменти могат частично да се ориентират по посока на полето, което прави веществото по-силно привлечено от него. Това явление се нарича парамагнетизъм. Обикновено намагнитването изчезва, когато външното поле бъде премахнато.
Третият основен вид е феромагнетизмът. При феромагнитните материали взаимодействието между атомните магнитни моменти може да доведе до спонтанното им подреждане в определени области, наречени магнитни домейни. Когато тези домейни се ориентират в една и съща посока, материалът може да се намагнити силно. В зависимост от материала и условията той може да запази част от намагнитването си дори след премахването на външното магнитно поле.
Така диамагнетизмът, парамагнетизмът и феромагнетизмът показват колко различно могат да се държат веществата под въздействието на магнитно поле – и как поведението на електроните на микроскопично ниво определя магнитните свойства на света около нас.
Тогава какво е магнитното поле?
Всеки магнит или магнитен обект има магнитно поле – околността около магнита, в която е налице неговата магнитна сила. Това е пространството, засегнато от магнитния заряд на магнита. Постоянните магнити и електромагнитите имат трайни магнитни полета , които обикновено се виждат с железни стружки, подреждащи се във формата на линиите на магнитното поле. Те ще следват потока от северния полюс на магнита до южния му полюс. За да проучите по-задълбочено тези концепции, намерете квалифициран преподавател по физика тук, в Superprof. Магнитните полета се променят в зависимост от силата на магнита.
Какво е електромагнит?
Освен собствените магнитни моменти на електроните, магнитни полета могат да се създават и от движещи се електрически заряди. Това откритие, направено през XIX век, е сред най-важните в историята на физиката, тъй като разкрива фундаменталната връзка между електричеството и магнетизма.
Както вече видяхме, електроните в дадено вещество допринасят за неговите магнитни свойства. Но когато електроните се движат организирано през проводник, те създават електрически ток. А всеки електрически ток поражда магнитно поле около проводника.
Това явление е ключът към разбирането на електромагнитите: когато електрически ток протича през намотка от проводник, магнитните полета на отделните навивки се наслагват и създават общо магнитно поле. Ако в центъра на намотката поставим подходяща желязна сърцевина, магнитното поле може да се усили значително.
Той показва, че успоредни проводници, по които протича ток, могат да се привличат или отблъскват в зависимост от посоката на токовете. По-късно неговият принос е увековечен и чрез името на единицата за електрически ток – ампера (A).
Така електромагнитът превръща електрическата енергия в магнитно действие. Именно този принцип стои в основата на множество технологии – от електрическите двигатели и релетата до подемните магнити, използвани за преместване на тежки метални предмети.
Как да си направим електромагнит.
От най-ранните електромагнити, технологията не се е променила много. Да, те са станали по-силни, но цялостната структура на устройствата е останала същата. Електромагнитите са направени от намотка от тел, увита около метално ядро (обикновено феромагнитен материал като желязо).
В намотката от тел се пропуска електрически ток, чието магнитно поле е центрирано в отвора в намотката – т.е. желязното ядро. Цялата тази структура е известна като соленоид – и все още се използва на всички места, където действа електромагнетизъм. Веднага щом електрическият ток се изключи, соленоидът престава да бъде магнитен
Бележка за връзката между магнетизма и електричеството.
Макар да знаем, че електричеството произвежда магнитно поле и че магнитните полета разчитат на електрони, разграничението между нещо, наречено магнетизъм, и отделно нещо, наречено електричество, е погрешно. Това не са дискретни сили. По-скоро те са един и същ физически принцип – като две страни на една и съща монета. „Електромагнетизмът“ като нещо всъщност е една от фундаменталните сили във Вселената. Можете да научите повече за електромагнетизма в нашата специална статия. Продължават интригуващите връзки на електричество и магнетизъм!
Какво е електромагнитна индукция?
Едно от най-значимите открития в историята на електромагнетизма е направено от британския учен Майкъл Фарадей през XIX век. То е известно като електромагнитна индукция и до днес представлява един от основните принципи на електромагнетизма.
Фарадей изследвал как промените в магнитното поле могат да предизвикат появата на електрически ток. Макар идеята да звучи сложна, експериментите му били сравнително прости.
Експериментът с железния пръстен
Фарадей взел железен пръстен и навил около противоположните му страни две отделни намотки от проводник. Едната свързал към батерия, а другата – към галванометър, уред за измерване на слаб електрически ток.
Когато свързвал или разкачвал първата намотка от батерията, галванометърът отчитал краткотрайно отклонение. Това показало, че промяната на магнитното поле в железния пръстен може да индуцира електрически ток в отделен проводник, без двете намотки да имат пряк електрически контакт.
Експериментът с магнита и намотката
За да изследва явлението допълнително, Фарадей използвал намотка без метална сърцевина и пръчков магнит. Той вкарвал магнита в намотката и го изваждал, като наблюдавал показанията на измервателния уред.
Резултатите показали, че движението на магнита спрямо намотката предизвиква електрически ток. Освен това, когато магнитът се движел по-бързо, индуцираният ток обикновено бил по-голям, при еднакви останали условия.
Причината е, че колкото по-бързо се променя магнитният поток през намотката, толкова по-голямо е индуцираното напрежение.
Защо електромагнитната индукция е толкова важна?
Откритието на Фарадей показало, че връзката между електричеството и магнетизма работи и в двете посоки: електрическият ток създава магнитно поле, а промяната на магнитния поток може да създаде електрическо напрежение.
Този принцип е в основата на работата на електрическите генератори и трансформаторите. Благодарение на него можем да преобразуваме механична енергия в електрическа и да пренасяме електроенергия ефективно на големи разстояния.
Така експериментите на Фарадей поставят основите на една от най-важните технологии на съвременния свят – производството и разпределението на електрическа енергия.
Какво е трансформатор?
Трансформаторите са едни от най-важните устройства, които използват принципа на електромагнитната индукция. Те играят ключова роля в електроенергийните системи, тъй като позволяват електрическата енергия да се пренася ефективно на големи разстояния и след това да се доставя безопасно до потребителите.
Трансформаторът е електрическо устройство, което променя променливото напрежение – като го повишава или понижава – чрез явлението електромагнитна индукция.
Разположени около обща магнитна сърцевина. Те се наричат първична и вторична намотка.
Когато през първичната намотка протича променлив ток, той създава променливо магнитно поле в сърцевината. Това поле индуцира напрежение във вторичната намотка – именно благодарение на електромагнитната индукция, открита от Майкъл Фарадей.
В зависимост от броя на навивките в двете намотки трансформаторът може да повишава или да понижава напрежението.
Защо електричеството се пренася с високо напрежение?
Електрическата енергия се пренася на големи разстояния чрез обширни електропреносни мрежи. За да се намалят загубите по време на преноса, електроенергията обикновено се предава при много високо напрежение.
При една и съща предавана мощност по-високото напрежение позволява използването на по-малък ток. Това намалява загубите на енергия под формата на топлина в проводниците и прави преноса по-ефективен.
Как електричеството достига до домовете ни?
Макар високото напрежение да е подходящо за пренос на големи разстояния, то не е подходящо за директно захранване на повечето домакински уреди.
Затова по пътя от електроцентралата до потребителя се използват трансформатори, които първо повишават напрежението за ефективен пренос, а след това постепенно го понижават до необходимите стойности за разпределение и употреба.
Без трансформаторите съвременната електроенергийна система би била значително по-неефективна и много по-трудна за изграждане. Те са незаменима връзка между производството на електроенергия, нейния пренос и ежедневната ѝ употреба в домовете, предприятията и обществената инфраструктура.
Обобщи с помощта на AI
Хареса ли Ви статията? Оставете отзив!
Loading...
