 |
Тема 8. Основы электромагнетизма.
|
|
|
|
Учебные вопросы
1. Основы электромагнетизма.
2. Переменный электрический ток.
3. Электромагнитные волны.
Основы электромагнетизма.
Магнитное поле тока. Магнитное поле – силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля. Магнитное поле было открыто в 1820 г. датским ученым Эрстедом.
Основная силовая характеристика магнитного поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В (вектор индукции магнитного поля).
Демонстрация силовых линий магнитного поля.
Значение магнитного поля для жизни на Земле. Магнитное поле для Земли имеет жизненно-важное значение. Демонстрация защиты Земли магнитным полем от солнечной радиации. Намагниченная стрелка под проводником без тока ориентирована на маг-нитные полюса Земли. Демонстрация опыта Ханса Эрстеда.
Закон взаимодействия электрических токов - Закон Ампера. Андре - Мари Ампер, исследуя магнетизм, сформулировал закон взаимодействия электрических токов - Закон Ампера: Параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, в противоположных – отталкиваются.
Демонстрация опытов с магнитным полем Анри Ампера.
Электродвигатель. Опыты Ампера привели к идее использования электричества и магнетизма для нужд человека. Появилась идея электродвигателя. Демонстрация устройства и работы электродвигателя.
Переменный электрический ток.
Явление электромагнитной индукции. Явлением электромагнитной индукции называется явление возникновения электрического тока в проводнике под действием переменного магнитного поля.
|
|
|
Открытие Фарадеем электромагнитной индукции. Явлением электромагнитной индукции обнаружил Майкл Фарадей. В результате его опытов было зафиксировано наличие электрического тока в цепи в результате изменения магнитного потока, который проходит сквозь катушку. Демонстрация опыта Фарадея переменным магнитным полем.
Выводы Фарадея о существовании индукционного электрического тока. 1. Изменяющееся магнитное поле создает электрический ток; 2. Направление электрического тока зависит от того, какой полюс магнита проходит в данный момент через катушку, в каком направлении движется магнит; 3. На значение электрического тока влияет количество витков в катушке. Чем больше витков, тем и значение тока будет больше.
Индукционный электрический ток. Индукционный электрический ток появляется в замкнутой цепи только тогда, когда существует переменное магнитное поле. Причем это магнитное поле должно изменяться. Демонстрация опыта Фарадея с индукционным током.
Теоретические выводы М. Фарадея об электромагнитной индукции. Фарадей обосновал явление электромагнитной индукции и сделал следующие выводы: 1. Если изменения магнитного поля не происходит, то не будет никакого электрического тока; 2. Первый вывод справедлив, даже в том случае, когда магнитное поле существует; 3. Сила индукционного электрического тока прямо пропорциональна числу витков и скорости магнитного поля, с которой изменяется это магнитное поле относительно витков катушки.
Электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Генератор переменного электрического тока. Если закрепить магнит и относительно него двигать катушку с большим числом витков (или наоборот, двигать магнит относительно неподвижной катушки) будет создаваться индукционный электрический ток и получится простейший генератор переменного электрического тока. Демонстрация устройства и работы генератора Фарадея.
|
|
|
Электрогенератор. Определение и основные элементы. Большинство существующих генераторов переменного тока – это т.н. электромеханические генераторы. В них за счет механического движения подвижной части и создается переменный электрический ток.
Использование электрогенераторов в промышленных целях. Для промышленного производства электроэнергии необходимо объединить законы теплопроводности и электромагнитной индукции. Если паровую турбину соединить с генератором, получится электростанция.
Передача электроэнергии на дальние расстояния. Передача переменного электрического тока на большие расстояния связана с электромагнитной индукцией. Чтобы передать переменный электрический ток, используются приборы, которые называются трансформаторами.
Трансформатор. Определение и история создания. Трансформатор – прибор для преобразования электрического тока и напряжения. Первая индукционная катушка - прообраз трансформатора была изобретена в 1848 г. французским механиком Г. Румкорфом. В 1876 г. Павел Яблочков (создатель дуговой лампочки) разработал первый трансформатор с разомкнутым магнитным сердечником. Трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами.
Демонстрация устройства и работы трансформатора.
Демонстрация кипячения воды трансформатором.
Электромагнитные волны.
Электромагнитное поле. Электромагнитное поле - особая форма материи, через которую осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.
Электромагнитная волна. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в определенном направлении, в частотном диапазоне и конечной скоростью, зависящими от свойств среды.
Исследования электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем. Теорию электромагнитной волны и электромагнитного поля впервые обосновал (1864г.) Джеймс Максвелл. Он показал, что электрические и магнитные поля существуют вместе. Дж. Максвелл доказал, что переменный ток создает переменное магнитное поле, которое в свою очередь создает переменное электрическое поле и т.д. Поддерживая в проводнике переменный ток, который периодически изменяется по величине и направлению, Герц получил непрерывное излучение электромагнитных волн.
|
|
|
Электромагнитная волна как процесс взаимосвязанного изменения векторов Е и В. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (В) полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.
Два условия электромагнитного волнового процесса. Для электромагнитного волнового процесса необходимы два условия: излучение волн и их прием.
Изобретение радио. А.С. Попов. Изобретение первого радиоприемного устройства принадлежит А.С. Попову. В своих опытах А. Попов использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретённую в 1893 году Теслой. А.С. Попов (1859 – 1906) - русский физик и электроротехник, профессор, изобретатель, Почётный инженер-электрик (1899). Один из изобретателей радио.
Свойства электромагнитной волны. Электромагнитные волны являются поперечными – колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне. Е – напряженность электрического поля; В - напряженность магнитного поля. Скорость волны С направлена вдоль оси X. Векторы E и B в каждой точке оси X совершают синусоидальные колебания вдоль осей Y и Z соответственно, меняясь при этом синфазно.
Длина электромагнитной волны. Длина волны λ - это расстояние между двумя ближайшими точками оси X, в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (например, между двумя ближайшими максимумами поля).
|
|
|
Частота электромагнитной волны. Частотой электромагнитной волны называется частота, с которой меняются значения E и B в данной точке пространства. Частота волны совпадает с частотой колебаний излучающего заряда.
Основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле. Экспериментально было выяснено, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов: 1. Отражение; 2. Поглощение; 3. Преломление; 4. Интерференция; 5. Дифракция.
Отражение электромагнитной волны. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа – это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения.
Поглощение электромагнитной волны. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.
Преломление электромагнитной волны. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков).
Интерференция электромагнитной волны. Герц определил, что из двух волн первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая - после отражения от металлического листа.
Дифракция электромагнитной волны. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны.
Демонстрации:
Силовые линии магнитного поля.
Защита Земли магнитным полем от солнечной радиации.
Опыт Ханса Эрстеда.
Опыты с магнитным полем Анри Ампера.
Устройство и работа электродвигателя.
Опыт Фарадея переменным магнитным полем.
Опыт Фарадея с индукционным током.
Генератор переменного электрического тока Фарадея.
Устройство и работа трансформатора.
Кипячение воды трансформатором.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте физические характеристики магнитного поля тока.
2. Объясните, в чем основная силовая характеристика магнитного поля.
3. Определите доказательно на примерах, в чем значение магнитного поля для жизни на Земле.
4. Сформулируйте закон взаимодействия электрических токов - закон Ампера.
5. Дайте определение электродвигателю.
6. Дайте определение переменному электрическому току.
7. Раскройте физические характеристики явления электромагнитной индукции.
8. Раскройте значение открытия Фарадеем электромагнитной индукции.
9. Назовите выводы Фарадея о существовании индукционного электрического тока.
10. Сформулируйте понятие и дайте определение индукционному электрическому току.
11. Назовите теоретические выводы М. Фарадея об электромагнитной индукции.
12. Дайте определение электромагнитной индукции.
|
|
|
13. Дайте определение генератору переменного электрического тока.
14. Дайте определение и назовите основные элементы электрогенератора.
15. Покажите на примерах использование электрогенераторов в промышленных целях.
16. Каким образом электроэнергия передается на дальние расстояния?
17. Дайте определение трансформатору.
18. Назовите основные исторические этапы создания трансформаторов.
19. Дайте определение электромагнитной волны.
20. Дайте определение электромагнитному полю.
21. Покажите доказательно значение исследований электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем.
22. Объясните векторные особенности электромагнитной волны как процесса взаимосвязанного изменения векторов Е и В.
23. Назовите два условия электромагнитного волнового процесса.
24. Значение исследований А.С. Попова в изобретении радио.
25. Определите физические свойства электромагнитной волны.
26. Что такое синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне?
27. Объясните смысл понятия: «Длина электромагнитной волны».
28. Объясните смысл понятия: «Частота электромагнитной волны».
29. Сформулируйте основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле.
30. Охарактеризуйте физическими терминами суть отражения электромагнитной волны.
31. Охарактеризуйте физическими терминами суть поглощения электромагнитной волны.
32. Охарактеризуйте физическими терминами суть преломления электромагнитной волны.
33. Охарактеризуйте физическими терминами суть интерференции электромагнитной волны.
34. Охарактеризуйте физическими терминами суть дифракции электромагнитной волны.
Литература:
1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 51-84.
Тема 9. Основы оптики
Учебные вопросы
1. Развитие представлений о природе света.
2. Законы прямолинейного распространения света.
3. Дисперсия света. Цвет и свет.
4. Волновые свойства света.
5. Свет как поток частиц.
|
|
|
