Электромагнитные явления формулы. Математика и скрытый мир электромагнитных явлений. Магнитное поле тока

Между движущимися электрическими зарядами имеется особый вид взаимодействия: например, два параллельных одинаково направленных тока притягиваются, а два противоположно направленных - отталкиваются. Форма материи, посредством которой взаимодействуют движущиеся заряды, называется магнитным полем. Магнитное поле образуется вокруг любого движущегося заряда или проводника с током и количественно характеризуется напряженностью поля - векторной величиной, численное значение которой связывается с формой проводника и силой тока. Направление вектора напряженности поля соответствует направлению северного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Магнитное поле условно изображают силовыми линиями - воображаемыми кривыми, построенными так, что касательные к ним в любой точке указывают направление вектора напряженности поля в соответствующей точке.

Для практического использования магнитное поле образуют с помощью катушки, обтекаемой током и имеющей железный сердечник, который значительно усиливает поле. В соответствии с характером тока магнитное поле может быть постоянным или переменным. Постоянный электромагнит применяют, например, для удаления из глаза железных осколков (см. Магниты глазные).

В экспериментах установлено, что магнитное поле, как постоянное, так и переменное, действует на биохимические процессы, а также оказывает определенное влияние и на весь организм. С лечебной целью магнитное ноле пока широко не применяется.

Если проводник или контур находятся под действием магнитного поля, изменяющегося по напряженности или направлению, то в них возникает электродвижущая сила, а в замкнутом контуре образуется ток. Это явление называют электромагнитной индукцией, а образующийся при этом ток - индукционным.

Электродвижущая сила (ЭДС) индукции возникает также в проводниках с током при изменении величины или направления тока, так как образуемое этим током магнитное поле соответственно изменяется по напряженности или направлению. Это явление называется самоиндукцией. Электродвижущая сила самоиндукции в свою очередь влияет на ток, протекающий в проводнике, что должно соответствующим образом учитываться. Самоиндукция имеет большое значение в цепях переменного тока.

Электромагнитная индукция происходит также и в сплошной массе проводника, например в массе раствора электролита, помещенного в соответствующим образом изменяющееся магнитное поле. Индукционный ток в этом случае представляют в виде круговых токов, замыкающихся в массе проводника в плоскостях, перпендикулярных силовым линиям поля. Эти токи называют вихревыми (токи Фуко).

На данном уроке, тема которого: «Электромагнитное поле», мы обсудим понятие «электромагнитное поле», особенности его проявления и параметры этого поля.

Мы разговариваем по мобильному телефону. Как передается сигнал? Как передается сигнал от космической станции, улетевшей к Марсу? В пустоте? Да, вещества может не быть, но и это не пустота, есть нечто другое, через что передается сигнал. Это нечто назвали электромагнитным полем. Это прямо не наблюдаемый, но реально существующий объект природы.

Если звуковой сигнал - это изменение параметров вещества, например воздуха (рис. 1), то радиосигнал - это изменения параметров ЭМ-поля.

Рис. 1. Распространение звуковой волны в воздухе

Слова «электрический» и «магнитный» нам понятны, мы уже изучили отдельно электрические явления (рис. 2) и магнитные явления (рис. 3), но почему тогда мы ведем речь об электромагнитном поле? Сегодня мы в этом разберемся.

Рис. 2. Электрическое поле

Рис. 3. Магнитное поле

Примеры электромагнитных явлений.

В микроволновке создаются сильные, а главное - очень быстро изменяющиеся электромагнитные поля, которые действуют на электрический заряд. А как мы знаем, в атомах и молекулах веществ содержится электрический заряд (рис. 4). Вот на него и действует электромагнитное поле, заставляя молекулы быстрее двигаться (рис. 5) - увеличивается температура и еда нагревается. Такую же природу имеют рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет.

Рис. 4. Молекула воды является диполем

Рис. 5. Движение молекул, имеющих электрический заряд

В микроволновке электромагнитное поле сообщает веществу энергию, которая идет на нагревание, видимый свет сообщает рецепторам глаза энергию, которая идет на активацию рецептора (рис. 6), энергия ультрафиолетовых лучей идет на образование меланина в коже (появление загара, рис. 7), а энергия рентгеновских лучей заставляет чернеть пленку, на которой вы можем увидеть изображение своего скелета (рис. 8). Электромагнитное поле во всех этих случаях имеет разные параметры, поэтому и оказывает разное воздействие.

Рис. 6. Условная схема активации рецептора глаза энергией видимого света

Рис. 7. Загар кожи

Рис. 8. Почернение пленки при рентгене

Так что с электромагнитным полем мы сталкиваемся намного чаще, чем кажется, и уже давно привыкли к явлениям, которые с ним связаны.

Итак, нам известно, что электрическое поле возникает вокруг электрических зарядов (рис. 9). Здесь всё понятно.

Рис. 9. Электрическое поле вокруг электрического заряда

Если электрический заряд движется, то вокруг него, как мы изучали, возникает магнитное поле (рис. 10). Здесь уже возникает вопрос: движется электрический заряд, вокруг него есть электрическое поле, при чем здесь магнитное поле? Еще один вопрос: мы говорим «заряд движется». Но ведь движение относительно, и он может в одной системе отсчета двигаться, а в другой - покоиться (рис. 11). Значит, в одной системе отсчета магнитное поле будет существовать, а в другой нет? Но поле не должно существовать или не существовать в зависимости от выбора системы отсчета.

Рис. 10. Магнитное поле вокруг движущегося электрического заряда

Рис. 11. Относительность движения заряда

Дело в том, что есть единое электромагнитное поле, и источник у него единый - электрический заряд. Оно имеет две составляющие. Электрическое и магнитное поля - это отдельные проявления, отдельные компоненты единого электромагнитного поля, которые проявляются по-разному в разных системах отсчета (рис. 12).

Рис. 12. Проявления электромагнитного поля

Можно выбрать систему отсчета, в которой будет проявляться только электрическое поле, или только магнитное поле, или оба сразу. Однако нельзя выбрать систему отсчета, в которой и электрическая, и магнитная составляющая будет нулевой, то есть в которой электромагнитное поле перестанет существовать.

В зависимости от системы отсчета мы видим либо одну составляющую поля, либо другую, либо их вместе. Это как движение тела по окружности: если посмотреть на такое тело сверху, увидим движение по окружности (рис. 13), если со стороны - увидим колебания вдоль отрезка (рис. 14). В каждой проекции на ось координат круговое движение - это колебания.

Рис. 13. Движение тела по окружности

Рис. 14. Колебания тела вдоль отрезка

Рис. 15. Проекция круговых движений на ось координат

Другая аналогия - проецирование пирамиды на плоскость. Ее можно спроецировать в треугольник или квадрат. На плоскости это совершенно разные фигуры, но все это - пирамида, на которую смотрят с разных сторон. Но нет такого ракурса, при взгляде с которого пирамида исчезнет совсем. Она только будет выглядеть более похожей на квадрат или треугольник (рис. 16).

Рис. 16. Проекции пирамиды на плоскость

Рассмотрим проводник с током. В нем отрицательные заряды скомпенсированы положительными, электрическое поле вокруг него равно нулю (рис. 17). Магнитное поле не равно нулю (рис. 18), возникновение магнитного поля вокруг проводника с током мы рассматривали. Выберем систему отсчета, в которой электроны, образующие электрический ток, будут неподвижны. Но в этой системе отсчета относительно электронов будут двигаться положительно заряженные ионы проводника в обратную сторону: все равно возникает магнитное поле (рис. 18).

Рис. 17. Проводник с током, у которого электрическое поле равно нулю

Рис. 18. Магнитное поле вокруг проводника с током

Если бы электроны были в вакууме, в этой системе отсчета вокруг них возникало бы электрическое поле, ведь они не скомпенсированы положительными зарядами, однако магнитного поля не было бы (рис. 19).

Рис. 19. Электрическое поле вокруг электронов, находящихся в вакууме

Рассмотрим другой пример. Возьмем постоянный магнит. Вокруг него есть магнитное поле, но электрического нет. Действительно, ведь электрическое поле протонов и электронов компенсируется (рис. 20).

Рис. 20. Магнитное поле вокруг постоянного магнита

Возьмем систему отсчета, в которой магнит движется. Вокруг движущегося постоянного магнита возникнет вихревое электрическое поле (рис. 21). Как его выявить? Поместим на пути магнита металлическое кольцо (неподвижное в данной системе отсчета). В нем возникнет ток - это хорошо нам известное явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока возникает электрическое поле, приводящее к движению зарядов, к появлению тока (рис. 22). В одной системе отсчета электрического поля нет, а в другой оно проявляется.

Рис. 21. Вихревое электрическое поле вокруг движущегося постоянного магнита

Рис. 22. Явление электромагнитной индукции

Магнитное поле постоянного магнита

В любом веществе электроны, которые вращаются вокруг ядра, можно представлять как маленький электрический ток, который протекает по окружности (рис. 23). Значит, вокруг него возникает магнитное поле. Если вещество не магнитится, значит, плоскости вращения электронов направлены произвольно и магнитные поля от отдельных электронов компенсируют друг друга, так как направлены хаотично.

Рис. 23. Представление вращения электронов вокруг ядра

В магнитных веществах как раз-таки плоскости вращения электронов ориентированы примерно одинаково (рис. 24). Поэтому магнитные поля от всех электронов складываются, и получается уже ненулевое магнитное поле в масштабе целого магнита.

Рис. 24. Вращение электронов в магнитных веществах

Вокруг постоянного магнита существует магнитное поле, а точнее магнитная составляющая электромагнитного поля (рис. 25). Можем ли мы найти такую систему отсчета, в которой магнитная составляющая обнуляется и магнит теряет свои свойства? Все-таки нет. И правда, электроны вращаются в одной плоскости (смотри рис. 24), в любой момент времени скорости электронов не направлены в одну и ту же сторону (рис. 26). Так что невозможно найти систему отсчета, где они все замрут и магнитное поле пропадет.

Рис. 25. Магнитное поле вокруг постоянного магнита

Таким образом, электрическое и магнитное поля - это разные проявления единого электромагнитного поля. Нельзя сказать, что в конкретной точке пространства есть только магнитное или только электрическое поле. Там может быть и одно, и другое. Все зависит от системы отсчета, из которой мы рассматриваем эту точку.

Почему же мы до этого говорили отдельно об электрическом и о магнитном полях? Во-первых, так сложилось исторически: люди давно знают о магните, люди давно наблюдали наэлектризованный о янтарь мех, и никто не догадывался, что эти явления имеют одну природу. А во-вторых, это удобная модель. В задачах, где нас не интересует взаимосвязь электрической и магнитной составляющих, их удобно рассматривать отдельно. Два покоящихся заряда в данной системе отсчета взаимодействуют через электрическое поле - мы применяем к ним закон Кулона, нас не интересует, что эти же электроны могут в какой-то системе отсчета двигаться и создавать магнитное поле, и мы успешно решаем задачу (рис. 27).

Рис. 27. Закон Кулона

Действие магнитного поля на движущийся заряд рассматривается в другой модели, и она тоже в рамках своей применимости отлично работает при решении ряда задач (рис. 28).

Рис. 28. Правило левой руки

Постараемся понять, как взаимосвязаны составляющие электромагнитного поля.

Стоит отметить, что точная связь достаточно сложна. Ее вывел британский физик Джеймс Максвелл. Он вывел знаменитые 4 уравнения Максвелла (рис. 29), которые изучаются в вузах и требуют знания высшей математики. Мы их изучать, конечно, не будем, но в нескольких простых словах разберемся, что они означают.

Рис. 29. Уравнения Максвелла

Опирался Максвелл на работы другого физика - Фарадея (рис. 30), который просто качественно описал все явления. Он делал рисунки (рис. 31), записи, которые очень помогли Максвеллу.

Рис. 31. Рисунки Майкла Фарадея из книги «Электричество» (1852)

Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (рис. 32). Вспомним, в чем оно заключается. Переменное магнитное поле порождает ЭДС индукции в проводнике. Иными словами, переменное магнитное поле (да, в данном случае - не электрический заряд) порождает электрическое поле. Это электрическое поле является вихревым, то есть линии его замкнуты (рис. 33).

Рис. 32. Рисунки Майкла Фарадея к опыту

Рис. 33. Возникновение ЭДС индукции в проводнике

Кроме того, мы знаем, что магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом. Правильнее будет сказать, что оно порождается переменным электрическим полем. При движении заряда электрическое поле в каждой точке изменяется, и это изменение порождает магнитное поле (рис. 34).

Рис. 34. Возникновение магнитного поля

Можно заметить появление магнитного поля между обкладок конденсатора. Когда он заряжается или разряжается, между пластин возникает переменное электрическое поле, что в свою очередь порождает магнитное поле. В данном случае линии магнитного поля будут лежать в плоскости, перпендикулярной линиям электрического поля (рис. 35).

Рис. 35. Появление магнитного поля между обкладок конденсатора

А теперь посмотрим на уравнения Максвелла (рис. 29), ниже дана для ознакомления небольшая их расшифровка.

Значок - дивергенция - это математический оператор, он выделяет ту составляющую поля, которая имеет источник, то есть линии поля на чем-то начинаются и заканчиваются. Посмотрите на второе уравнение: эта составляющая магнитного поля равна нулю : линии магнитного поля ни на чем не начинаются и не заканчиваются, магнитного заряда не существует. Посмотрите на первое уравнение: такая составляющая электрического поля пропорциональна плотности заряда . Электрическое поле создается электрическим зарядом .

Наиболее интересны следующих два уравнения. Значок - ротор - это математический оператор, выделяющий вихревую составляющую поля. Третье уравнение означает, что вихревое электрическое поле создается изменяющимся во времени магнитным полем ( - это производная, которая, как вы знаете из математики, означает скорость изменения магнитного поля). То есть речь идет об электромагнитной индукции.

Четвертое уравнение показывает, если не обращать внимания на коэффициенты пропорциональности: вихревое магнитное поле создается изменяющимся электрическом полем , а также электрическим током ( - плотность тока). Речь идет о том, что мы хорошо знаем: магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом и .

Как видите, переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, а переменное электрическое поле в свою очередь порождает переменное магнитное и так далее (рис. 36).

Рис. 36. Переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, и наоборот

В результате в пространстве может образовываться электромагнитная волна (рис. 37). Эти волны имеют разные проявления - это и радиоволны, и видимый свет, ультрафиолет и так далее. Об этом поговорим на следующих уроках.

Рис. 37. Электромагнитная волна

Список литературы

1. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учрежде-ний. - М.: Дрофа, 2005.
2. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.

1. Интернет портал «studopedia.su» ()
2. Интернет портал «worldofschool.ru» ()

Домашнее задание

1. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчета, связанной с одним из равномерно движущихся электронов в потоке, который создается в кинескопе телевизора?
2. Какое поле возникает вокруг электрона, движущегося в данной системе отсчета с постоянной скоростью?
3. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря, заряженного статическим электричеством? Вокруг движущегося? Ответы обоснуйте.

Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Если вокруг проводников с токами возникает магнитное поле, то должно существовать и обратное явление – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля. Эта задача была блестяще решена в 1831 г. английским физиком Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции – была доказана связь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило толчком для разработки теории электромагнитного поля.

1. Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур проводника, в проводнике возникает электродвижущая сила (э.д.с.) индукции, вызывающая появление электрического тока, кот наз. индукционным. Э.д.с. индукции возникает так же и в незамкнутом проводнике при его движении в магнитном поле, при котором проводник пересекает линии магнитного поля.

Опыт 1 : если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток); направления отклонений стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки.

Опыт 2: силу тока в контуре 1 можно изменять с помощью реостата. Этот ток создает магнитное поле, пронизывающее контур 2, если увеличивать ток , поток магнитной индукции через контур 2 будет расти. Это приведет к появлению в контуре 2 индукционного тока , регистрируемого гальванометром. Электромагнитную индукцию можно вызвать:

1. Уменьшая ток , что обусловит убывание магнитного потока через второй контур и приведет к появлению в нем индукционного тока иного направления, чем в первом случае.

2. Индукционный ток можно вызвать также приближая контур 2 к контуру 1 или удаляя второй контур от первого.

3. Не перемещая контур 2 поступательно, а поворачивая его так, чтобы изменялся угол между нормалью к контуру и направлением поля.

Опытным путем было установлено, что значение индукционного тока (э.д.с) не зависит от способа изменения потока магнитной индукции , а определяется лишь скоростью его изменения. т.е. значением . Этот закон является универсальным. (1821г.)

Профессор петербургского университета Ленц исследовал связь между направлением индукционного тока и хорактером вызвавшего его изменения магнитного потока: правило Ленца:индуцируемая в контуре э.д.с. вызывает ток такого направления, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока.

Напр., при приближении контура 2 к контуру 1 возникает ток , магнитный момент которого направлен противоположно полю тока (угол между векторами и равен ). Следовательно, на контур 2 будет действовать сила, отталкивающая его от контура 1. При удалении контура 2 от контура 1 возникает ток , момент которогосовпадает по направлению с полем тока , так что сила, действующая на контур 2, направлена к контуру 1.

Ленц получил это правило из опыта, анализируя многочисленные эксперименты. На самом деле, действие этого правила гораздо шире – оно выражает общий принцип, согласно которому любая система стремится сохранить устойчивое состояние равновесия и противодействует всяким изменениям этого состояния.

Формула, объединяющая в себе закон Фарадея и правило Ленца явл. математическим выражением основного закона электромагнитнойц индукции.

Основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея – Максвелла ). Электродвижущая сила индукции, возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока со временем: , где число витков контура, потокосцепление, если все витки катушки пронизываются одним и тем же потоком, то .

Замечание 1. Знак минус отражаетправило Ленца. В большинстве случаев при числовых расчетах этот знак может быть опущен.

Замечание 2. Для замкнутого контура .

Э.д.с. выражается в вольтах .

Для доказательства закона Фарадея используем закон сохранения энергии. Рассмотрим замкнутый контур, в котором один из проводников может перемещаться. Поместим контур в однородное поле, перпендикулярное плоскости чертежа и направленное за чертеж. Пусть проводник движется со скоростью . Сила, действующая на движущийся проводник. Работа, которая производится на отрезке : . Энергия источника расходуется на тепло и работу: . С другой стороны , получаем . Величина играет роль э.д.с., т.к. она приводит к появлению в замкнутой цепи электрического тока. Следовательно, эта величина и является э.д.с. электромагнитной индукции.

Очевидно, что магнитный поток только в тех случаях, когда проводник пересекает линии магнитной индукции поля, поэтому называют скоростью пересечения проводником линий магнитной индукции.

Например, в случае прямолинейного проводника, кот. движется в однородном магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, э.д.с. индукции в проводнике , где угол между проводником и направлением его скорости .

Разность потенциалов на концах проводника найдем из обобщенного закона Ома. Т.к. электрического тока в проводнике нет , то .

Замечание. В явлениях электромагнитной индукции магнитный поток сквозь контур может изменяться как при движении контура или отдельных его участков, так и при изменении во времени магнитного поля – пользуются законом Фарадея для определения э.д.с. индукции.

При движении проводников в магнитном поле этот закон применим лишь в тех случаях, когда рассматриваемый контур проходит через одни и те же точки движущегося проводника. В противном случае э.д.с. индукции находят, исследуя силы Лоренца, действующие на свободные заряды в движущемся проводнике, т. е. действующая в цепи э.д.с. измеряется работой сторонних сил при перемещении вдоль замкнутой цепи единичного положительного заряда , где перемещаемый заряд.

Пример. В однородное магнитное поле с индукцией 0,1Т расположена прямоугольная рамка , подвижная сторона которой длиной 0,1 м перемещается со скоростью перпендикулярно линиям индукции поля. Определить э.д.с. индукции, возникающую в контуре.

Решение : решим задачу двумя способами, применив закон Фарадея или рассматривая силы, действующие на свободные электроны в движущейся проволоке (силы Лоренца).

1. при движении проводникаплощадь рамки увеличивается, магнитный поток возрастает, т.е. по закону Фарадея действует э.д.с. индукции. . Знак «-« показывает, что э.д.с. индукции действует в контуре в таком направлении, при котором связанная с ним правилом правого винта нормаль к контуру противоположна вектору В (направлена к наблюдателю). Т.е. э.д.с. индукции и индукционный ток направлены в контуре против часовой стрелки.

При решении задачи в обоих случаях допущена неточность: не принималось в расчет магнитное поле, созданное индукционным током. Оба рассмотренных метода дают правильный ответ при условии достаточно большого сопротивления цепи.

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением : . считается положительной, если магнитный момент соответствующего ей индукционного тока в контуре образует острый угол с линиями магнитной индукции того поля, которое наводит этот ток.

Природа сторонних сил, приводящих к появлению э.д.с. электромагнитной индукции : сила Лоренца, которая действует на заряд, движущийся в магнитном поле.

Можно рассматривать изменение магнитного потока в неподвижном контуре, напр., уменьшать величину магнитной индукции. В этом случае сила Лоренца отсутствует (нет упорядоченного движения электрических зарядов), но э.д.с. возникает и

Еще со времен Фарадея изучаются электромагнитные явления. Однако взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля внимание к себе привлекло лишь в последние годы. Основным толчком к изучению данных явлений стала астрофизика. Уже долгие годы предполагается, что основная часть материи во Вселенной находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Главные сведенья в области электромагнитной динамики были получены в результате астрофизических исследований.

Роль электромагнитных явлений в физике

В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.

Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.

Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.

Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.

Главная особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.

Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.

В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем. Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике. После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.

Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.

Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.

Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

$F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$

Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

$F_H = G\frac{m_1m_2}{R^{2}}$

Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:

• магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
• магнитных зарядов в природе не существует;
• электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
• магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.

Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.

Электромагнитные явления. Основные термины и формулы

Определение 1

Электрический заряд – это величина, которая характеризует свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Существует два вида электрических зарядов:

• положительные заряды, носителями которых являются протоны;
• отрицательные заряды, носителями которых являются электроны.

Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Атом превращается в ион, если он получает или отдает несколько электронов.

Определение 2

Электризация – это процесс приобретения заряда при помощи макроскопического тела.

На данный момент существует несколько способов электризации:

• при помощи трения;
• при помощи влияния.

Определение 3

Электрическое поле – это форма материи, что существует вокруг заряженных частиц и тел, и действует на другие частицы, что имеют заряд.

Основными законами электростатики являются:

1. Закон Кулона для неподвижных зарядов: $F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$
2. Закон сохранения заряда (для замкнутой системы): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

Определение 4

Электрический ток – это направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд.

Есть несколько условий, которые обеспечивают существование электрического тока:

• наличие свободных частиц, которые имеют заряд;
• наличие электрического поля.

Действие электрического поля может быть:

• тепловым;
• магнитным;
• химическим;
• световым.

Электрическое поле формируется при помощи источников тока, в которых осуществляется работа по разделению зарядов. Это происходит за счет преобразования нескольких видов энергии в энергию электрического поля.

К характеристикам участка цепи можно отнести:

1. Силу тока: $I = \frac {q}{t}=A (ампер)$ - измерение осуществляется при помощи амперметра.
2. Напряжение: $U = \frac{A}{q}= В (вольт)$ - измеряется при помощи вольтметра.
3. Сопротивление: $R = p\frac{l}{S} = Ом$ - измеряется при помощи омметра.

Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом:

$I = \frac{U}{R}$

Существует два вида соединения проводников: последовательное и параллельное. Последовательное соединение проводников выглядит следующим образом:

1. $I = I_1 = I_2 =…= I_n$
2. $U = U_1 + U_2+…+U_n$
3. $R = R_1 + R_2 +…+ R_n$

Параллельное соединение проводников выглядит следующим образом:

1. $ I = I_1+I_2+…+I_n$
2. $U = U_1 = U_2 =…= U_n$
3. $ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} +…+ \frac{1}{R_n}$

Работа тока: $A = Ult$

Мощность тока выглядит так: $P = IU$

Количество теплоты, что выделяется при прохождении сквозь проводник тока можно выразить следующим образом: $Q = I^2 Rt$

Электрический ток может существовать в различных средах:

1. В металлах осуществляется направленное движение свободных электронов.
2. В жидкостях происходит направленное движение свободных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза выглядит следующим образом: $m = qk = klt$
3. В газах происходит направленное движение электронов и ионов, что образуется в результате ионизации.
4. В полупроводниках – направленное движение свободных дырок и электронов.

Определение 5

Магнитное поле – это особая форма материи, существующая вокруг заряженных движущихся частиц и тел, и действует на другие заряженные частицы и тела, что движутся в этом же поле.

Линии магнитного поля – это условные линии, вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок в магнитном поле.

Интересные факты применения электромагнитных явлений

Сохранились записи, которые подтверждают, что в древние времена императора Нерона, что страдал ревматизмом, лечили электрованнами. Суть такого лечения заключалась в следующем: в деревянную кадку с водой были помещены электрически скаты. Находясь в такой ванной, человек подвергался действию электрических полей и зарядов.

В Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Под детские пеленки подкладывались изолированные металлические сети, что разделялись сухой подкладкой. Эти сети соединялись с низковольтным источником тока и с электрическим звонком. Когда подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и срабатывал звонок. Это позволяло матерям сразу знать, когда нужно заменить пеленку.

В тех регионах, где встречаются сильные морозы, существовала проблема слива нефтепродуктов, поскольку их вязкость при низких температурах была слишком высокая. Тогда ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, которая позволяла сократить энергозатраты.

При помощи электромагнитных явлений можно было определить отпечатки пальцев человека, что держал в руках гильзы и патроны. Поместив гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась металлическая пленка, на которой проявлялись отпечатки пальцев, что легко поддавались идентификации.

Сентябрь 2, 2017

Чтобы по-настоящему хорошо делать автозвук с должной степенью профессионализма, отвественности и безопасности (это важно, т.к. автомобиль изначально повышенное средство опасности как на дороге, так и за её пределами) необходимо уверенно знать, понимать и применять на практике базовые теоретические знания. В частности совсем не лишними (я бы даже сказал обязательными) будут теоретические знания из области физики хотя бы в рамках школьной программы. Люди, приходящие в автозвук, они различаются уровнем знаний, в том числе и базовых, а потому важно восполнить любые пробелы знания теории и, в случае проблем с базовой физикой (особенно в разделах электричества или описания звуковых явлений) - повторить их или подучить, заново осознать и приобрести в них уверенность. Это крайне необходимый этап для всех, кто так или иначе приближается к автозвуку своими силами, т.к. от него зависит правильность установки и коммутации всех компонентов, а так же соблюдение фундаментальных электрических законов, зная которые Вы превратите путешествие в мир автозвука в непременно увлекательное и радостное, наполненное новыми открытиями и неповторимой гаммой эмоций.

Без обладания основополагающими физическими знаниями в нужных областях в автозвук лезть нельзя! Это запрещено хотя бы потому, что от своих неумелых действий можно не только вывести из строя свежекупленные и обычно дорогостоящие компоненты аудио или мультимедия (это меньшее из всех зол), но так же возникает реальная опасность устроить короткое замыкание и даже пожар! Тем самым подвергая риску не только себя и свой автомобиль, но и случайных ни в чём не виноватых людей. Мы же этого не хотим, правда ведь? Риск дело благородное, но не тогда, когда поведение человека определяется глупостью по незнанию элементарных законов, которые все проходят ещё в школе. Поэтому, если Вы неуверенно чувствуете себя с базовыми науками и ощущаете пробелы освоения школьной программы, то их непременно нужно восполнить и подтянуть свои знания в нужных областях. Я не собираюсь учить основам теории физики от и до, всю необходимую информацию по этой теме можно найти в школьных учебниках для старших классов. Однако я решил сделать "выжимку" основных тем физики, с которыми непосредственно придётся столкнуться каждому, кто захочет попробовать установку автозвука в машину своими силами. Данные обучающие разделы помогут быстро и без труда освежить в памяти те знания, без которых лучше и не пытаться пробовать свои силы во избежании бОльшей беды.

Начнём повторение теории с повторения школьной программы за 8-й класс физика электромагнитные явления. Всё изложенное здесь я постараюсь написать своими словами, сделав это как можно доступнее и понятнее любому человеку, независимо от имеющейся уже базы знаний.

Электрический заряд

Мы знаем, что различные тела могут обладать электрическим зарядом, а точнее, они могут его накапливать, отдавать или переносить. Электрический заряд представляет собой физическую величину, характеризующую взаимодействие между электрически заряженными телами. В процессе взаимодействия между заряженными телами может происходить процесс электризации , т.е. разделения имеющегося электрического заряда между двумя или более электрически заряженными телами. В процессе электризации обычно какому-либо телу сообщается/передаётся заряд.

Электрические заряды условно подразделяются на положительные ("+") и отрицательные ("-"). Любое физическое тело может быть заряжено положительно или отрицательно, что объясняется строением на молекулярном уровне (если электроны покидают вещество/тело, то оно приобретает положительный заряд; а если электроны наоборот поступают в структуру частицы, тогда она приобретает отрицательный заряд). Частицы с отрицательным зарядом называются анионами , частицы с положительным зарядом называются катионами . Простое и знакомое многим правило взаимодействия зарядов: одинаковые по полярности заряды ("+" и "+") отталкиваются друг от друга, тогда как разные по полярности ("+" и "-") притягиваются друг к другу.

Проводники и диэлектрики

Электрический заряд от некого источника можно передавать другим объектам. Различные существующие материалы, предметы, объекты и т.д. обладают разной степенью проводимости: одни хорошо проводят электрический ток, другие делают это хуже, третьи практически не проводят.

• Вещества, хорошо проводящие электрический ток называются проводниками (различные жидкости, металлы).
• Вещества, которые плохо пропускают электрические заряды, или же совсем не пропускают (степень варьируется, но проводимость всегда возможна), они называются диэлектриками или же изоляторами (различные химические полимеры, газы).
• Вещества же, свойства по пропусканию электрического тока у которых могут меняться в одну или другую сторону (оно находится условно по середине между проводниками и непроводниками) называются полупроводниками (например химические элементы кремний, селен, германий).

В области автозвука практически каждый энтузиаст-любитель непременно сталкивается с проводниками, их роль выполняют соединительные провода, будь то силовые, межблочные или акустические кабели, но с точки зрения физики все они выполняют одну и ту же функцию проводников. В роли диэлектриков выступает внешняя оболочка/изоляция проводов.

Проводимость хорошо объясняется молекулярным строением. Атомы любых веществ/соединений/тел состоят из протонов (положительно заряженных частиц), нейтронов (не имеющих заряда) и электронов (отрицательно заряженных частиц). Электроны, расположенные по окружности ядра атома вокруг протонов, образуют своей совокупностью подобие электронного облака, плотность которого (о ней можно судить исключительно по количеству электронов на орбите) определяет степень проводимости того или иного элемента - чем электронов больше, тем лучше переносится заряд и наоборот.

Электрическое поле

Электрически заряженные объекты (или те, которые пропускают через себя электрический ток и находятся под напряжением) обладают ещё одной интересной характеристикой, называемой электрическим полем . Оно определяется как некая особая форма материи, образующаяся и присутствующая вокруг электрически заряженных тел или частиц. Электрическое поле имеет свойство воздействовать на другие заряженные тела или частицы (именно так поле проявляет себя) с какой-то силой, называемой электрической силой . Все электрические взаимодействия сопровождаются образованием электрического поля. Воздействие электрического поля ослабевает по мере удаления от объекта, содержащего электрический заряд по принципу обратно пропорциональной квадратичной зависимости. Так же, электрические поля разных заряженных объектов могут взаимодействовать друг с другом.

Самая маленькая неделимая частица заряда, как мы уже знаем, - называется электрон , при расчётах заряд обозначается в Кулонах. Заряд не может существовать без наличия частицы или вещества, тогда как сами частицы могут не иметь заряда (быть электрически нейтральными).

В автозвуке мы имеем возможность столкнуться с электрическим полем, которое возникает вокруг проводников тока, всё тех же проводов, а так же присутствует абсолютно во всех электронных устройствах, например в усилителях, магнитолах, LCD экранах и т.п.

Электрический ток

Явление упорядоченного и направленного движения электронов или ионов (положительных или же отрицательных зарядов) внутри проводника называется электрическим током . Движение зарядов внутри структуры тела практически никак на нём не сказывается, однако при повышении силы тока и при некоторых иных условиях возможно изменение химических, физических и механических свойств вещества/тела (особенно это касается диэлектриков).
За направление электрического тока принимается направление движения заряда от "минуса" к "плюсу". Электрический ток может существовать только при определённых условиях :

• наличия свободных зарядов
• электрического поля (которое является основным условием для приведения зарядов в движение). А для создания электрического поля необходим источник тока
• наличие замкнутой электрической цепи, составленной преимущественно из проводников электричества

Чтобы в проводнике возник электрический ток (упорядоченное направленное движение заряженных частиц) необходим источник тока - это элемент, совершающий работу по разделению заряда при помощи сторонних сил неэлектрической природы. К таким сторонним силам относятся: механические силы, химические реакции, тепловые силы или же фотоэффект в результате воздействия света на фотоэлементы.
За счёт работы сторонних сил на контактах источника тока образуется электрический заряд, создающий электрическое поле, которое в свою очередь приводит в движение свободные заряды проводников. В автомобиле классическими источниками тока является генератор в связке с аккумуляторной батареей, внутри которой и происходит описанный процесс химического разделения заряда.

Электрическая цепь

Чтобы питать некие устройства/потребители тока при наличие источника тока, необходимо собрать воедино электрическую цепь, которая в минимальном варианте будет включать в себя следующие компоненты:

• Источник тока
• Соединительные проводники (провода)
• Потребитель тока

Рабочая электрическая цель обязательно должна быть замкнутой. Цепь может состоять из большого числа мелких или крупных элементов, выполняющих определённую роль, но основной принцип сохраняется.

Для удобства понимания и оперирования принято электрические цепи изображать графически в виде схем, используя определённый набор условных обозначений, зная которые можно составлять и читать схемы любой сложности. Вот набор самых необходимых условных обозначений, которые могут пригодиться в работе с электричеством:

Серьёзное увлечение автозвуком предполагает составление подобных схем, учитывающих потребление тока, нагрузку на проводку, включение в цепь предохранительных элементов и т.д. В особо сложных случаях требуются серьёзные и ответственные подсчёты длины/сечения проводов и прочие манипуляции. Ещё физика электромагнитные явления способна рассказать нам о трёх ключевых параметрах, формирующих между собой фундаментальный закон Ома.

Сила тока

Чтобы охарактеризовать электрический ток, вводится сила тока - это физическая величина, определяющая электрический ток и равная количеству заряда проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Отсюда же выводится формула для подсчёта силы тока, где обозначения I - сила тока, q - электрический заряд (1 кулон [Кл]), t - время его прохождения по проводнику (1 секунда [с]):

Единицей силы тока считается 1 Ампер [А] .

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения величины заряда и времени, используя математические правила:

И

Для простоты понимания явления силы тока можно сравнить его с напором воды в водопроводном кране: чем больше открыт кран и чем больше воды проходит по трубе за секунду (единицу времени) - тем больше напор воды. По аналогии, чем больше электронов проходит по металлическому проводнику (проводу) за секунду (единицу времени) - тем больше сила тока.

Для определения силы тока в цепи используется прибор под названием амперметр . Принцип действия прибора может быть различным, но в последнее время на практике чаще всего применяются удобные портативные электромагнитные амперметры с электронным табло. В идеале вмешательство амперметра в сеть не должно сильно изменить значение силы тока, однако полностью исключить такое влияние невозможно. Амперметр включается в цепь последовательно с тем проводником, в котором требуется измерить силу тока. Так же запрещается подключать амперметр в цепь без постоянного потребителя тока в ней!

Напряжение

Кроме количественного определения заряда в какой-то точке проводника существует совсем другая характеристика, относящаяся напрямую к электрическому полю, называемой напряжением. Электрическое напряжение - это физическая величина, которая определяет работу электрического поля по перемещению зарядов из одной точки проводника в другую. Отсюда же выводится формула для подсчёта напряжения, где обозначения U - напряжение, A - работа электрического поля по перенесению заряда (1 Джоуль [Дж]), q - электрический заряд (1 кулон [Кл]):

Единицей напряжения считается 1 Вольт [V] .

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения работы электрического поля или величины заряда, используя математические правила:

И

Для определения напряжения тока в цепи используется прибор под названием вольтметр . Принцип действия прибора может быть различным, но в последнее время на практике чаще всего применяются удобные портативные электромагнитные амперметры с электронным табло. В идеале вмешательство вольтметра в сеть не должно сильно изменить значение напряжения и прочие параметры, однако полностью исключить такое влияние невозможно. Вольтметр включается в цепь параллельно с потребителями.

Сопротивление

Рассматривая любую электрическую цепь нельзя не учесть влияние проводника на способность хорошо или плохо проводить через себя ток. Такая способность названа термином электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойство проводника влиять на протекающий по нему электрический ток. Данное влияние обуславливается самым разнообразным набором факторов, начиная от структуры самого проводника тока, заканчивая его размером. В простейшем смысле сопротивление объясняется так: свободные электроны в проводнике, обеспечивающие движение тока, постоянно взаимодействуют с положительно заряженными ионами в структуре кристаллической решётки проводника, тем самым замедляя направленное движение. Как раз это замедление (способность проводника "сопротивляться" протекающему току) и будет в конечном счёте характеристикой сопротивления. Прямо противоположно электрическому сопротивлению ставится как раз характеристика проводимости тока .

Сопротивление тесно связано с понятиями силы тока и напряжения. Поэтому выводится формула для подсчёта сопротивления, где обозначения R - сопротивление, U - напряжение (1 вольт [В]), I - сила тока (1 ампер [А]):

Единицей сопротивления считается 1 Ом [Ом] .

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения напряжения или же силы тока, используя математические правила:

И

Данная формула зависимости напряжения, сопротивления и силы тока представляет собой фундаментальный закон Ома для участка цепи , с помощью которого можно решать большое количество практических задач, в том числе и в сфере автозвука.

Закон Ома для участка цепи

Как гласит физика электромагнитные явления, три представленные выше формулы крайне важны в разделе об электричестве. Ещё раз повторим основную формулу зависимости фундаментальных параметров, относящихся к электрическому току, которая представляет собой закон Ома для участка цепи. Данное уточнение очень важно, оно означает, что мы рассматриваем лишь параметры внутри замкнутой цепи с источником тока, проводником и потребителями, притом параметры замеряются на каком-то отдельном участке, тогда как на других они могут уже отличаться.
С помощью этой формулы производится большое количество достаточно важных расчётов, для получения неизвестных значений напряжения, сопротивления или же силы тока, что крайне важно при составлении схемы аудио или мультимедиа системы в автомобиле. Формула и её вариации:

Зависимость сопротивления от параметров проводника

Сопротивление току в проводнике зависит от трёх ключевых параметров проводника:

1. Длина проводника.

   Со­про­тив­ле­ние прямо про­пор­ци­о­наль­но длине про­вод­ни­ка (l - длина проводника, в системе СИ выражается в метрах).
   Простыми словами это означает, что чем проводник/провод длиннее, тем бОльшим сопротивлением он будет отличаться.

2. Площадь поперечного сечения проводника.

   Сопротивление обратно пропорционально площади сечения проводника, таким образом: сопротивление будет тем меньше, чем площадь сечения больше.
   Площадь традиционно обозначается квадратом меры длины, чаще всего это мм2 или же см2 применимо к проводам. Представить поперечное сечение визуально не так уж трудно: разрежем/откусим провод в изоляции и посмотрим на место среза, площадь которого и будет искомым значением сечения. Площадь сечения обозначается буквой S.

3. Материал проводника и значение удельного сопротивления того или иного материала. Как известно, различные материалы по-разному пропускают через себя электрический ток, что напрямую связано с их структурой. Лучше всего ток пропускают драгоценные металлы, хуже всего различные полимеры и газовые среды, например воздух.
   Данные значения проводимости различных материалов и их сочетаний хорошо изучены и представлены в таблице удельного сопротивления материалов . Обозначается параметр символом ρ ("ро").

Исходя из вышесказанного, существует формула расчёта сопротивления проводника с учётом перечисленных параметров и выглядит она следующим образом:

Где R - сопротивление (Ом); ρ - удельное сопротивление материала; l - длина проводника (м); S2 - площадь сечения проводника (мм2). Зная какие-либо значения по этой формуле мы можем находить остальные, пользуясь математическими правилами.

Регулирование ключевых электрических параметров по закону Ома

Для управления или регулирования ключевых параметров по закону ома существует специальное устройство под названием реостат .
Принцип его работы основан на плавном изменении сопротивления в сторону возрастания или убывания последнего, а именно за счёт "включения" в работу большего или меньшего проводника по длине. За счёт этого автоматически изменяется сила тока и напряжение в сети. На основе реостатов устроены любые схемы управления, например регуляторы громкости в автомагнитолах и т.п.

Последовательное и параллельное подключение

В электрических цепях существуют два основных типа подключения потребителей питания или же резисторов (от англ. resist - сопротивление). На данных принципах держится всё построение электрических цепей самой разной сложности и количества устройств. Конечно же, в автозвуке крайне необходимо правильное понимание данных принципов подсоединения, который мы будем использовать при коммутации усилителей, магнитолы, акустических систем и т.п.

Два типа подключения:

Работа электрического тока

Когда речь заходит об электрическом токе, то нам всегда интереснее и ценнее практический результат, который можно увидеть и получить лишь в процессе некой работы. Такая работа в привычном понимании обычно является результатом превращения одного вида энергии в другой, например, электрической в механическую или тепловую и т.д. Наглядный пример с работой акустической системы/динамика, где происходит преобразование электрической энергии в механическую и тепловую, результируя образованием звуковых волн. В случае с током такую работу выполняет непосредственно электрическое поле.

Работа электрического поля определяется произведением электрического напряжения в проводнике на заряд, протекающий в нём. В виде формулы это выглядит так:

(где A - работа электрического поля [Дж], U - напряжение [В], q - заряд в проводнике [Кл]). На основании этой формулы можно так же найти напряжение или заряд, зная остальные параметры.

Электрическое напряжение:

Электрический заряд:

Вспоминая ранее полученную формулу электрического заряда (q) как произведения силы тока (I) на время (t), можно вывести окончательную формулу для расчёта работы электрического тока:

(где A - общая работа электрического тока [Дж], U - электрическое напряжение в проводнике [В], I - сила тока [А], t - время перемещения зарядов (с)). Из этой формулы так же можно вычислить напряжение, силу тока или время, зная остальные параметры.
Напряжение:

Сила тока:

Время прохождения заряда:

Таким образом, работа электрического тока представляется произведением силы тока на отдельном участке цепи, напряжению на концах отрезка этого участка и времени, за промежуток которого заряд протекает по этому участку проводника.

Мощность электрического тока

Чтобы привести понятие работы электрического тока к понятному нам виду существует термин мощности. Электрическая мощность - это работа электрического тока, совершённая за некий отрезок времени. Соответственно для нахождения мощности есть формула, которая отражает отношение совершённой работы ко времени:

(где P - электрическая мощность [Вт], A - работа электрического тока [Дж], t - время (с)).

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения работы или же времени, используя математические правила:

И

Так же можно вывести формулу мощность из закона Ома для участка цепи, где получится:

Т.е. электрическая мощность равняется произведению силы тока на сопротивление . Так же из закона Ома выводится и другая ценная формула, которая может пригодиться на практике:

Для измерения электрической мощности напрямую существует специальный прибор под названием ваттметр . Параметр мощности по сути характеризует производительность того или иного прибора или потребителя. Если мощность возрастает, то вместе с ней автоматически возрастает и сила тока в проводнике, при этом напряжение остаётся постоянным и не меняется.

Нагрев проводников электрическим током и закон Джоуля-Ленца

В процессе протекания электрического тока по любому проводнику (металлы, жидкости, газы) выделяется тепловая энергия, а проводник или среда нагреваются. В металлах это происходит благодаря направленному движению отрицательно заряженных частиц электронов; в жидких проводниках нагрев обусловлен движением ионов (частиц с избытком или недостатком электронов); в газовых средах (при совпадении определённых условий) нагрев так же объясняется движением ионов и электронов, при этом нагревается сама среда/пространство, где протекает электрический ток. Во всех перечисленных случаях образования тепловой энергии объясняется взаимодействием движущихся частиц в направленном движении с остальными, составляющими структуру проводника, но находящихся в покое.

От работы электрического поля соответственно зависит количество выделяемого тепла в проводнике. Чем больше сила тока, тем больше нагрев. Однако, степень выделения тепла так же зависит и от сопротивления проводника. В результате исследований была открыта формула выделения тепла в проводнике в следствие протекания по нему электрического тока, которая называется формулой Джоуля-Ленца (в честь двух учёных, одновременно открывших эту зависимость):

(где Q - количество теплоты [Дж], I - сила тока [А], R - сопротивление [Ом], t - время протекания заряда в проводнике [с]).

Формула по вычислению количества тепла полностью соответствует формуле по нахождению работы электрического тока:

Следовательно, работа электрического тока и количества выделяемого тепла соответствуют друг другу, с учётом некоторых погрешностей, не учтённых в представленных формулах.

Опасность короткого замыкания и предохранители

Электрические цепи, в частности проводники, чаще всего рассчитаны на определённую силу тока, которую они могут выдержать без последствий. В проводниках определяющим параметром будет площадь сечения. Однако никогда не исключено возникновений ситуаций, когда сила тока многократно возрастает, выходя за допустимые пределы цепи/проводника. В этом случае обычно происходит перегрев проводника и воспламенение его изолирующей проводки, что конечно же является потенциально пожароопасной ситуацией. Такое наиболее вероятно в следствии превышения числа потребителей относительно расчётных параметров цепи, а так же в результате короткого замыкания.

Под коротким замыканием понимается обычно ситуация, когда конец провода цепи под напряжением соприкасается с проводником, сопротивление которого значительно ниже сопротивления в цепи. За счёт того, что сопротивление во всей цепи становится незначительным, это приводит к мгновенному повышению силы тока и накаливанию проводника. Такая ситуация чаще всего происходит при случайном соприкасании оголённых проводов под напряжением.

Для защиты от возникновения любых потенциально опасных ситуаций (в том числе и человеческих ошибок) существуют специальные предохранители. Назначение этих элементов просто - мгновенно обесточить/оборвать линию в случае возникновения короткого замыкания или же перегрузки по току. Предохранители бывают разные по устройству: плавкие, электромеханические, полупроводниковые, на основе электронных компонентов, самовосстанавливающиеся и т.п. Однако принцип и назначение у них одинаковое и основной функцией остаётся защитная.

Различные (чаще всего плавкие) предохранители постоянно используются при построении звуковых систем в автомобиле самого разного уровня сложности. Не стоит пренебрегать этими элементами даже в случае коммутации магнитолы/головного устройства и пары динамиков, т.к. безопасность всегда должна быть в приоретете!

Магнитное поле тока

В завершении, физика электромагнитные явления обозначает связь электрических явлений с магнитными, хотя у них и различная природа. Помимо электрического поля, проводник под действием протекающего в нём тока обладает так же и магнитным полем. Это было подтверждено опытами с магнитной стрелкой вблизи проводника: когда по проводнику не протекает электрический ток - магнитная стрелка остаётся в покое, а когда по проводнику пускают ток - стрелка разворачивается и реагирует на появившееся магнитное поле. Таким образом магнитное поле появляется только в следствии протекания электрического тока, направленного упорядоченного движения электрических зарядов. А значит вокруг электрического поля всегда образуется магнитное. Так же магнитное поле способно воздействовать на другие проводники под напряжением, попадающими в область этого поля, которые начинают иначе себя вести/двигаться. Магнитное поле по форме образует окружность вокруг проводника. Линии магнитного поля исходят из северного полюса магнита и замыкаются на южном полюсе.

Магнитное поле - это некая форма материи (почти как и электрическое поле), которая образуется вокруг проводника с движущимися электрическими зарядами/протекающим электрическим током и воздействует с некоторой силой на другие заряженные частицы, попадающие в это поле. Визуально магнитное поле можно представить ореолом/сферой, окружающей проводник или же постоянный магнит.

Катушка с током и электромагниты

Классичесским и наиболее интересным излучателем сильного магнитного поля является катушка . Её конструкция довольна проста: на какое-то произвольное основание (например пластик) наматываются витки проводника без изоляции, а затем на проводник подаётся электрический ток. Катушка под током ведёт себя на манер магнита: она обращается своими концами к северному и южному полушарию соответственно, если подвесить такую катушку в воздухе.
А так же катушка способна притягивать к себе металлические предметы, в общем её характеристики условно идентичные тем, что наблюдаются у постоянных магнитов. Вокруг всей катушки образуется магнитное поле (как и вокруг обычного проводника) и его сила прямо пропорциональна количеству витков проводника на катушке и силе тока, протекающему по ней.

Магнитное действие катушки также многократно усиливается, если в её центр поместить металлический сердечник. Катушка с расположенным внутри неё металлическим сердечником называется электромагнитом .

Взаимодействие проводников с магнитным полем и электродвигатель

Магнитное поле взаимодействует с электрическим током, протекающим в проводниках. Магнитное взаимодействие между несколькими проводниками с электрическим током характеризуется в основном направленностью: если ток в двух проводниках, расположенных в непосредственной близости друг от друга, протекает в одном направлении - то такие токи притягиваются друг к другу; а если ток протекает в разных направлениях - то наблюдается эффект отталкивания. Это происходит из-за того, что каждое магнитное поле имеет свои полюса, а именно южный и северный. Соответственно, в случае взаимодействия друг с другом разноимённых полюсов происходит притяжение, а в случае взаимодействия одноимённых можно наблюдать отталкивание (происходящая закономерность похожа на взаимодействие зарядов с разными или одинаковыми знаками).

Проводник с электрическим током взаимодействует с магнитным полем другого проводника заряженного проводника, но он может так же беспрепятственно взаимодействовать и с магнитным полем постоянных магнитов. В этом случае взаимодействие аналогично: в зависимости от направления течения тока в проводнике он будет либо притягиваться, либо же отталкиваться от магнита.

В основе этого магнитного взаимодействия лежит принцип функционирования электродвигателя, который в простейшем варианте выглядит так: рамка/каркас с намотанной на неё проволкой помещается в магнитное поле. По проволке пускают электрический ток и он начинает взаимодействовать с окружающим полем, а именно вращаться в какую-либо сторону на 90 градусов (пока заканчивается взаимодействие с тем или иным полюсом). Если после полного поворота на 90 градусов поменять направление течения тока, то рамка совершит ещё один поворот на 90 градусов в том же направлении. Таким образом, постоянно меняя направление тока в рамке получается непрерывное её вращение, на основании которого и функционирует электродвигатель.

Более совершенный электродвигатель состоит из нескольких частей, оптимизированных по размеру и форме. Обычно это неподвижная часть под названием статор , состоящая из магнита с двумя полюсами; и подвижная вращающаяся часть ротор , представляющая собой видоизменённую рамку с намотанным на неё проводом под током. Вращение ротора достигается переменой направления течения тока в роторе, за счёт которого вращательный импульс от магнитного поля статора сохраняется. Конструкции электродвигателей могут слегка отличаться и меняться, но общий принцип сохраняется.

Вот так в общих чертах выглядит физика электромагнитные явления. Данный раздел крайне важен для любого человека, который рискнёт попытать счастья на поприще автозвука. Несмотря на то, что изложенная информация кажется достаточно простой и местами интуитивно-понятной, однако полное понимание написанного убережёт как и от глупых и досадных ошибок, так и поможет сберечь дорогостоящие компоненты и организовать правильную коммутацию будущей системы. В мы подробно разберём механизм колебательного и волнового движения, а так же узнаем, что из себя представляет такое явление как "звук".