Постоянный магнетизм

Магниты притягивают железо, никель и кобальт. Местами наибольшего притяжения являются полюса магнита. Каждый магнит имеет северный и южный полюс.

Разноименные полюса двух магнитов взаимно притягиваются, а одноименные – взаимно отталкиваются.

Если подвижно расположить стержневой магнит, то он установится в направлении с севера на юг. Полюс, обращенный к северу, является северным полюсом магнита, противоположный полюс – южным. Вокруг магнита имеется магнитное поле. Силовые линии поля – это воображаемые линии, которые соответственно указывают направление магнитной силы. Они всегда замкнуты и при этом за пределами магнита направлены от северного полюса к южному, а внутри магнита – от южного полюса к северному (рис. 5).

Рис. 5. Поле стержневого магнита

Электромагнетизм

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Силовые линии поля имеют форму концентрических окружностей.

Направление силовых линий поля вокруг проводника можно определить по правилу буравчика. Если мысленно ввинчивать буравчик с правой резьбой в проводник в направлении тока, то направление вращения буравчика укажет направление силовых линий поля (рис. 1).

Рис. 1. Магнитное поле обтекаемого током проводника

Ток, поступающий в проводник, обозначается символом X, а ток, выходящий из проводника – символом • .

Если смотать проводник в катушку, то силовые линии магнитного поля внутри катушки окажутся связанными в пучок. Внутри катушки они проходят параллельно друг другу с постоянной плотностью; в этом случае говорят о однородном магнитном поле. В месте выхода силовых линий возникает северный полюс, а в месте входа силовых линий – южный полюс (рис. 2).

Рис. 2. Магнитное поле катушки

Действие сил между обтекаемыми током проводниками. Между двумя обтекаемыми током проводниками действуют силы, создаваемые магнитными полями (рис. 3).

Рис. 3. Обтекаемые током проводники

Проводники, обтекаемые одинаково направленными токами, взаимно притягиваются, а проводники, обтекаемые противоположно направленными токами, взаимно отталкиваются.

Обтекаемые током проводники в магнитном поле. Подвижно расположенная в магнитном поле катушка, обтекаемая током, поворачивается в определенное положение до тех пор, пока направление созданного ею магнитного поля не совпадет с направлением неподвижного магнитного поля. Непрерывное вращение может быть достигнуто, если на вращающейся катушке установить реверсирующий переключатель (коллектор), который незадолго до достижения конечного положения будет соответственно переключать направление тока в катушке (рис. 4).

Рис. 4. Проводник и катушка в магнитном поле

На обтекаемый током проводник в магнитном поле действует сила, которая стремится сдвинуть его из состояния покоя.

Железо в магнитном поле. Замкнутая траектория силовых линий магнитного поля называется магнитной цепью; её можно сравнить с электрической цепью.

Если в магнитной цепи имеется воздушный зазор, например, между статором и ротором генератора или электродвигателя, то силовые линии магнитного поля вынуждены преодолевать большое магнитное сопротивление. Магнитное сопротивление можно понизить, уменьшив воздушный зазор или поместив в полости катушки электромагнита сердечник из мягкого магнитного материала.

Железо усиливает магнитный поток Φ катушки.

Причиной этого является ориентация элементарных магнитов в железе, которые дополнительно воздействуют на силовые линии магнитного поля.

Самоиндукция

Возникает в обтекаемых током катушках при изменении тока, обтекающего катушку. Это изменение тока вызывает изменение магнитного поля катушки, т.е. в катушке изменяется величина магнитного потока. В результате этого возникает напряжение самоиндукции.

Опыт № 1 (рис. 1). Катушка со стальным сердечником (N = 1200 витков) и переменный резистор соединяются соответственно последовательно каждый со своей лампой накаливания (1,5 В/3 Вт), и на них подается напряжение 6 В. При этом переменный резистор регулируется так, чтобы обе лампы накаливания светили одинаково ярко.

Рис. 1. Включение катушки

Наблюдения. При замыкании электрической цепи лампа накаливания, последовательно соединенная с катушкой, загорается с задержкой.

Ток, протекающий в катушке, создает магнитное поле. Создаваемое магнитное поле вызывает изменение магнитного потока в катушке, которое в свою очередь индуцирует в катушке напряжение U_S, противонаправленное приложенному напряжению. Вследствие этого приложенное напряжение достигает своего полного действия лишь постепенно (рис. 3).

Самоиндукция, возникающая при включении катушки, вызывает задержку нарастания тока и магнитного поля.

Опыт № 2 (рис. 2). Катушка со стальным сердечником (N = 1200 витков) и лампа тлеющего разряда с напряжением зажигания около 150 В соединяются параллельно, и на них подается напряжение 6 В.

Рис. 2. Отключение катушки

Наблюдения. При размыкании электрической цепи лампа тлеющего разряда, параллельно соединенная с катушкой, мгновенно вспыхивает на короткое время.

После отключения источника напряжения в катушке больше нет тока. Установившееся до этого магнитное поле очень быстро уменьшается, т.е. оно меняет свое направление относительно направления, которое оно имело в фазе нарастания; в катушке индуцируется очень высокое напряжение (напряжение самоиндукции, рис. 3).

Самоиндукция, возникающая при отключении тока в одной катушке, вызывает задержку уменьшения тока и магнитного поля.

Это индуцированное напряжение (напряжение самоиндукции) имеет то же направление, что и поданное ранее напряжение. Напряжение самоиндукции еще какое-то короткое время поддерживает в катушке электрический ток, который препятствует резкому уменьшению магнитного поля (рис. 3).

Напряжение самоиндукции всегда направлено таким образом, что противодействует изменению тока.

Рис. 3. Графические характеристики напряжения и тока

Поскольку высокое напряжение самоиндукции, возникающее при отключении катушки, имеет то же направление, что и поданное ранее напряжение, даже при малейшем размыкании контакта возникает электрическая дуга.

Если на катушку подать переменное напряжение, то с увеличением частоты будет возрастать напряжение самоиндукции, в результате чего уменьшится среднее значение тока за единицу времени. Поэтому ток в катушке уменьшится, т.е. как будто бы возрастет сопротивление катушки (индуктивное сопротивление) (рис. 1).

Рис. 1. Индуктивное сопротивление катушки

Конденсатор

Конденсатор состоит из двух металлических проводников, между которыми находится изолятор (рис. 2).

Рис. 2. Устройство конденсатора

При подаче на конденсатор постоянного напряжения возникает кратковременный зарядный ток. После этого постоянный ток запирается конденсатором. При коротком замыкании конденсатора возникает разрядный ток, направленный в противоположную сторону (рис. 3). При зарядке конденсатора источник напряжения выкачивает электроны из одной пластины конденсатора и закачивает их в другую пластину, т.е. с одной стороны конденсатора возникает недостаток электронов, а с другой стороны – их избыток.

После отключения конденсатора от источника напряжения эта разница в количестве электронов на пластинах сохраняется, т.е. конденсатор заряжен. Аккумулирующая способность конденсатора называется емкостью C. Единицей её измерения является фарад (Ф).

Если подать на конденсатор переменное напряжение, то с увеличением частоты будет возрастать количество процессов зарядки и разрядки, в результате чего также будет возрастать среднее значение тока в единицу времени. Поэтому ток в конденсаторе увеличится, т.е. как будто бы уменьшится сопротивление (емкостное сопротивление).

Рис. 3. Характеристика зарядки и разрядки конденсатора

Электрохимия

Электропроводность в жидкостях

Химически чистая вода не проводит электрический ток. При добавлении кислоты, щелочи или соли химически чистая вода становится электропроводной.

Электропроводные жидкости – это электролиты.

В электролите, например, в серной кислоте H₂S0₄, определенное число молекул расщеплено на их основные составные части 2 H⁺ и S0₄^–. Такой процесс расщепления называется диссоциация. Эти основные составные части, атомы и молекулы, обладают различными электрическими зарядами; они называются ионами¹⁾.

При подаче напряжения на электролит ионы приходят в движение под воздействием электрического тока (рис. 4).

Рис. 4. Электролиз хлорида меди

При этом положительно заряженные ионы движутся к катоду (отрицательному полюсу). Там они забирают недостающие электроны, становятся электрически нейтральными и осаждаются.

Отрицательно заряженные ионы движутся к аноду (положительному полюсу). Там они отдают лишние электроны, становятся электрически нейтральными и осаждаются.

¹⁾ Ион (греч.) = движущийся

Электролиз

Электролиты при прохождении через них постоянного тока распадаются на свои основные составные части. Этот процесс называется электролизом.

Основные составные части отделяются в местах подвода тока (на электродах) и могут вступать в соединение с материалом электродов.

Гальванизация. Методом электролиза можно наносить на заготовки тонкие металлические покрытия, например, для их защиты от коррозии или для создания электропроводных поверхностей на пластмассах (печатные платы).

При подаче постоянного напряжения к цепи опытной установки (рис. 1) положительно заряженные ионы меди (Cu⁺⁺) движутся к отрицательному электроду и отдают ему свой заряд; медь осаждается на отрицательном электроде (катоде) и образует металлическое покрытие.

Рис. 1. Гальванизация

Отрицательно заряженные ионы кислотного остатка (SO₄^{– –}) движутся к положительному медному электроду (аноду) и отдают ему свой заряд (электроны). При этом возникает молекула сульфата меди (CuSO₄). Она может снова диссоциировать. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не израсходуется медный анод. При этом на катоде (полюс «–») осаждается чистая медь. Этот метод применяется для получения цветных металлов с очень высокой степенью чистоты, составляющей, например, у электролитической меди 99,98 %.

Используя метод электролиза, можно наносить на листовую сталь для автомобильных кузовов слой цинка точно заданной толщины.

Гальванические элементы

Состоят из двух электродов, изготовленных из разных металлов, или же одного металлического и одного угольного электрода, а также электролита.

Электрическое напряжение возникает вследствие электрохимических процессов, происходящих между электродами.

Возникающее напряжение зависит от положения, которое материалы электродов занимают в электрохимическом ряду напряжений (рис. 2), а также от вида и концентрации электролита.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные элементы.

Первичные элементы. Электрохимические процессы, возникающие при преобразовании энергии, являются необратимыми. Отрицательный полюс, который всегда состоит из менее благородного металла, разрушается; электролит может высохнуть или вытечь.

Вторичные элементы. В них возможно обращение электрохимических процессов посредством зарядки постоянным током, как это происходит, например, в стартерных батареях. В процессе зарядки электрическая энергия накапливается в форме химической энергии, в процессе разрядки химическая энергия снова превращается в электрическую.

Все электролитические элементы содержат экологически вредные вещества, такие как, например, кислоты, щелочи, свинец и другие тяжелые металлы. Они требуют целенаправленной утилизации, при этом не разрешается выбрасывать их вместе с бытовыми отходами.

ВОПРОСЫ НА ПОВТОРЕНИЕ

1. Как действуют друг на друга полюса двух магнитов?

2. Какое влияние оказывает стальной сердечник в обтекаемой током катушке?

3. Как ведут себя два обтекаемых током проводника, когда ток по ним течет в одном и том же направлении и в противоположных направлениях?

4. Что понимается под самоиндукцией?

5. Как ведет себя конденсатор, на который подано переменное напряжение возрастающей частоты?

6. Как происходит процесс гальванизации?