Введение
Мы умеем не только преобразовывать энергию из одного вида в другой, но и запасать, накапливать ее. Например, затаскивая санки на горку, мы преодолеваем силу притяжения, увеличивая их потенциальную энергию, то есть тоже «запасаем» энергию. Нужно будет совсем немного подтолкнуть, и запасенная потенциальная энергия начнет переходить в кинетическую – санки поедут.
В автомобиле в роли накопителя энергии выступает топливо (бензин, газ, дизель) или аккумулятор (в электромобиле).
При нажатии на педаль газа происходит превращение накопленной энергии в механическую энергию движения. А как именно она преобразуется, какие процессы там происходят? Сейчас нас будет интересовать электромобиль, в котором электрическая энергия (энергия движения электронов) превращается в механическую энергию автомобиля.
Если бы мы рассматривали превращение электроэнергии в тепловую – с этим нам все было бы понятно. Электрический ток – это движение электронов, электрическое поле источника сообщает электронам кинетическую энергию, а они при столкновении с атомами проводника передают часть кинетической энергии им. А механическая энергия отдельных атомов вещества – это и есть его внутренняя энергия.
От лошади к электромобилю
Двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, паровые двигатели – это все разработки последних нескольких сотен лет, что в исторических масштабах не так много. До этого тысячи лет одним из основных двигателей была лошадь или другие животные.
Мы заметили во всех двигателях одну черту: в них происходит превращение энергии, а значит, есть источник этой энергии. Отличается ли лошадь от этих двигателей? Может быть, она не преобразует энергию, а производит ее? Давайте разберемся.
Все знают, что на голодной и тощей лошади далеко не уедешь, хороший конюх такого не допустит. Как раз корм и играет роль источника энергии: в нем запасена энергия химических связей питательных веществ. Что происходит дальше, хорошо изучили химики и биологи: в ходе целой цепочки химических реакций в мышечных тканях запасаются такие вещества, химическая энергия которых может быстро преобразоваться в механическую энергию движения мышц. Это и есть та энергия, которая была запасена в корме.
Конечно, этот процесс сложный: лошади нужно питаться не только для того, чтобы работать – много энергии уходит просто на поддержание жизнедеятельности. Плюс питание – это пополнение не только энергией, но и строительными материалами для организма. Двигатель, например внутреннего сгорания, очень ускоряет и упрощает эти процессы: химическая энергия при сгорании топлива очень быстро преобразуется в тепловую и затем в механическую. Автомобиль останавливается сразу, когда у него заканчивается топливо, в отличие от проголодавшейся лошади, и «оживает» сразу после заполнения бака. Но общий принцип превращения энергии тот же. И не зря энергетическую ценность продуктов, так называемую калорийность, измеряют так же, как и энергетическую ценность топлива. Их высушивают и сжигают, измеряя количество выделившейся теплоты.
Магниты. Магнитное поле
Как же происходит превращение электроэнергии в механическую энергию? Почему протекание тока по электродвигателю вызывает движение автомобиля? Мы уже говорили о том, что заряд создает вокруг себя электромагнитное поле, у которого можно отдельно рассматривать два проявления: электрическое и магнитное (см. рис. 1). Электрическое взаимодействие наблюдается в системах отсчета, в которых заряд неподвижен, а магнитное – в которых движется. Ток – это движение заряда, поэтому, рассматривая ток, мы столкнемся с магнитным проявлением электромагнитного поля.
Рис. 1. Магнитная и электрическая составляющие
Магнитное взаимодействие и вызывает движение в электродвигателе. Поэтому, чтобы разобраться в работе электродвигателя, нам нужно подробно рассмотреть магнитное проявление электромагнитного поля.
Люди наблюдали магнитные явления очень давно. Еще до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы притягивают кусочки железа. Это были первые известные постоянные магниты. В XIII веке люди научились использовать магнит в качестве компаса: они заметили, что магнит всегда ориентируется определенным образом в направлении север – юг. Эту закономерность смогли обнаружить и использовать после того, как более тысячи лет знали только одно свойство магнита – притягивать железо. Еще приблизительно 600 лет свойства магнита пытались научно описать, то есть построить модель магнитного взаимодействия, ввели понятие магнитного поля, пока в XIX веке не обнаружили связь между электрическим и магнитным полем.
Мы в XXI веке находимся в выгодной ситуации: мы можем сразу изучать магнитное поле как проявление электромагнитного поля. Эта модель позволяет описать больше явлений с достаточной точностью. Она дает понять, откуда берется магнитное поле вокруг постоянного магнита и вокруг проводника с током. Магнитное поле проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. Электрический ток – это движение заряда, и вокруг этого движущегося заряда будет возникать магнитное поле.
Что же с постоянными магнитами? Как мы знаем, вещество содержит электрический заряд, любой атом содержит протоны в ядре и электроны вокруг ядра. Электроны движутся вокруг ядра – вот вам и движение заряда. И у некоторых веществ это движение упорядочено таким образом, что вокруг них существует магнитное поле.
Модель электромагнитного поля, тем не менее, не отменяет тех простых закономерностей, которые давно известны, например, для магнитной стрелки. Так же, как мы не отказались от закона Кулона: он сформулирован в рамках модели электрического поля без учета электромагнитного поля. Однако в своих границах применимости эта модель удобна, и мы ее используем. С простых закономерностей и начнем описание магнитного поля.
Все, что мы не можем наблюдать непосредственно, мы изучаем по проявлениям. Мы не видим ветер – о нем мы судим по покачиванию веток деревьев. Мы не видим гравитационное поле Земли – мы судим о нем по притяжению тел к Земле, измеряем силу этого притяжения. И так далее.
Магнитное поле мы тоже непосредственно не наблюдаем, будем изучать его по магнитному взаимодействию. У каждого магнита есть по две области, вблизи которых магнитное взаимодействие проявляется наиболее сильно. Именно к этим областям сильнее всего притягивается железо. Эти области назвали полюсами магнита.
Возьмем три постоянных магнита. Попробуем подвести их друг к другу разными полюсами и увидим, что в некоторых случаях магниты притягиваются, а в некоторых – отталкиваются.
Эти разные свойства проявляют не разные магниты, а разные стороны одного и того же магнита.
Возьмем один магнит и поднесем к одному из его полюсов второй магнит, сначала одним полюсом, потом другим. В одном случае магниты притянутся, в другом – оттолкнутся. У магнита два типа полюсов. Найдем у двух магнитов полюсы одного типа. Допустим, они оба притягиваются к одному и тому же полюсу третьего магнита. Теперь поднесем их друг к другу – они оттолкнутся. Если полюсы двух магнитов уже не притягиваются к третьему, а отталкиваются от него (то есть ведут себя по-другому, но снова одинаково), то друг от друга они все равно оттолкнутся (см. рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие магнитов
Из этого делаем вывод, что если полюсы магнитов одного типа (хоть оба первого, хоть оба второго), то они отталкиваются. С помощью таких же опытов увидим, что полюсы противоположных типов притягиваются.
Чтобы как-то различать эти типы полюсов, для них придумали обозначения. Оказывается, если подвесить магнит на нити, чтобы он мог свободно поворачиваться, он всегда укажет одним полюсов на север, а другим – на юг (см. рис. 3).
Рис. 3. Полюсы магнитов
Поэтому полюсы магнитов так и обозначили: северный и южный.
Земля как огромный магнит. Компас
Мы изучаем магнитное поле по взаимодействию. На примере нескольких постоянных магнитов мы увидели, как можно обнаружить и исследовать магнитное поле по взаимодействию этих магнитов. Магнитное поле Земли также обнаружили по взаимодействию с магнитной стрелкой. Оно достаточно слабое, железные предметы не стягиваются к магнитным полюсам, но его достаточно для поворота стрелки компаса.
Мы назвали северным полюсом магнитной стрелки тот, который указывает в направлении географического севера. Вроде логично. Но мы уже выяснили, что притягиваются противоположные полюсы, значит, там находится южный магнитный полюс Земли. А вблизи южного географического полюса находится северный магнитный. Для нас, понимающих, как взаимодействуют магниты, противоречия нет.
Магнитные полюсы немного сдвинуты относительно географических, поэтому вблизи полюсов компасом нужно пользоваться осторожно: мы от него ожидаем направления на географические полюса, а он указывает на магнитные. К тому же и магнитный полюс – это не точка, а целая область, и внутри этой области полюс будет «вокруг» исследователя или под его ногами, поэтому и там показания компаса будут неточными. В остальной части Земли, как раз наиболее заселенной, компас указывает правильные направления.
Кроме магнитной стрелки, магнитное поле Земли взаимодействует с зарядами, поскольку они обладают электромагнитным полем. Магнитное поле Земли сравнительно слабое, поэтому это взаимодействие становится существенным только при больших скоростях движения зарядов, например внутри металлических частей летящего самолета. Еще пример: взаимодействие с заряженными частицами, которые испускает Солнце – так называемой солнечной радиацией. Благодаря магнитному полю Земли эти вредные для всего живого частицы достигают Земли в гораздо меньшем количестве.
Для магнитного поля придумали удобный способ его описания – так называемые магнитные линии. Тип полюса определяет направление взаимодействия: притяжение или отталкивание. Поэтому сделаем эти линии направленными, за их направление примем направление, в котором указывает северный полюс магнитной стрелки в этом поле (см. рис. 4).
Рис. 4. Направление линий магнитного поля
А области с более сильным полем (то есть в которых наблюдается более сильное взаимодействие) обозначим большей густотой этих магнитных линий.
Тогда магнитное поле постоянного магнита с помощью магнитных линий обозначим так: наиболее сильно взаимодействие проявляется вблизи полюсов, там поверхность магнита будет пересекать наибольшее количество линий. Если поднести магнитную стрелку к северному полюсу магнита, она ориентируется вот так (см. рис. 5):
Рис. 5. Ориентирование магнитной стрелки вблизи магнита
Поскольку притягиваются противоположные полюса. Северным полюсом стрелка укажет в противоположную сторону, это и будет направление магнитных линий. Вблизи южного полюса магнитная стрелка своим северным полюсом укажет уже противоположное первому случаю направление магнитного поля. То есть, если обобщить, магнитные линии «выходят» из северного полюса магнита и «входят» в южный.
Попробуем поместить магнитную стрелку в других областях вокруг магнита, чтобы дополнить картинку магнитных линий (см. рис. 6).
Рис. 6. Направленность магнитных линий
Что же внутри магнита, обрываются ли магнитные линии? Разрежем магнит на две части. Оказывается, как бы мы ни разрезали магнит, мы не сможем отделить друг от друга два полюса, чтобы на одной части остался северный полюс, а на другой – южный (см. рис. 7). Всегда у новых кусочков снова будет два полюса и соответствующая картинка магнитного поля.
Рис. 7. Непрерывность магнитных линий
Из этого делаем вывод: непрерывную магнитную линию можно продолжить внутри магнита и замкнуть.
Как визуализировать магнитное поле с помощью железных опилок
Мы подробно поговорили о магнитном взаимодействии двух постоянных магнитов. Но все мы знаем, что магнит взаимодействует не только с другими магнитами, но и с обычным железом. Два гвоздя не взаимодействуют друг с другом, но притягиваются к постоянному магниту, значит, логично, что во внешнем магнитном поле у железа возникает собственное поле и они вступают во взаимодействие. Как это происходит – об этом чуть позже, а пока используем это явление. Чтобы получить картинку линий магнитного поля, возьмем не магнитную стрелку, а кусочек железа – оно повернется вдоль линии магнитного поля в данной точке. А если возьмем много таких кусочков, то есть просто насыплем железных опилок, то они выстроятся вдоль воображаемых магнитных линий. Это рисунок на плоскости. Можно даже получить объемную картинку, если «рассыпать» опилки не по плоскости, а по объему.
Теперь магнитное взаимодействие можно рассматривать с использованием магнитных линий. Силы магнитного взаимодействия направлены так, чтобы максимальное количество магнитных линий совпадало и перекрывалось. Мы исследовали большой постоянный магнит с помощью маленькой и легкой магнитной стрелки. Изобразим и ее магнитное поле с помощью магнитных линий.
Поднесем стрелку к магниту противоположными полюсами. Как видим, в таком случае магнитные линии совпадают по направлению, и, чтобы максимальное их количество совпадало и перекрывалось, стрелка будет притягиваться к области, где этих линий еще больше, то есть к полюсу. Видите, модель работает.
Поднесем стрелку и магнит друг к другу разноименными полюсами. В таком случае линии их магнитных полей будут направлены противоположно, стрелку будет разворачивать так, чтобы направления совпали, мы это и наблюдаем. А если стрелку зафиксировать так, чтобы она не вращалась, то она будет просто отталкиваться от магнита: наложение не совпадающих по направлению магнитных линий будет минимальным. Снова все наблюдаемые процессы укладываются в рамки модели.
Взаимодействие магнита и железа. Возникновение собственного магнитного поля железа во внешнем магнитном поле
Железо, помещенное в магнитное поле, вступает в магнитное взаимодействие, причем два обычных железных гвоздя в магнитное взаимодействие не вступают. Значит, магнитное поле у железа возникает при наличии внешнего магнитного поля. Оказывается, у некоторых веществ, в частности железа, магнитное поле возникает при наличии внешнего магнитного поля.
Как это происходит? У железа есть особенность строения вещества: внутри него могут спонтанно возникать небольшие области, обладающие ненулевым магнитным полем. Такие области назвали доменами. В обычных условиях домены ориентированы хаотично, и в сумме их магнитное поле равно нулю. Однако во внешнем магнитном поле они, как и магнитная стрелка, поворачиваются все в одну сторону: вдоль внешнего магнитного поля. При такой ориентации доменов их суммарное магнитное поле уже не равно нулю и кусочек железа уже взаимодействует с магнитом, причем всегда притягивается, потому что домены именно так ориентируются во внешнем магнитном поле. Такое состояние называется намагниченностью. И так как собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним магнитным полем, то оно с ним складывается и получается более сильное поле.
Если железо долго находится в таком состоянии, домены могут, говоря просто, «застрять» в таком положении. То есть это станет их новым состоянием равновесия. Тогда при исчезновении внешнего поля намагниченность останется. Ее так и назвали: остаточная намагниченность. То есть кусок железа сам становится постоянным магнитом.
Такими свойствами обладает не только железо. Это целый класс веществ, к которому принадлежит никель, оксиды железа и никеля, некоторые другие вещества, причем их тоже можно разделить на несколько групп со своими особенностями (ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики), но эти подробности мы рассматривать пока не будем.
На примере постоянных магнитов мы создали инструмент для описания магнитного поля, обозначили полюса магнитов, разобрались, как выявлять и описывать магнитное поле с помощью магнитной стрелки.
Магнитная составляющая электромагнитного поля заряда проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. Рассмотрим самый простой пример движения заряда: ток, протекающий по прямому проводнику. Нам сейчас понятно, что вокруг него должно наблюдаться магнитное поле, ведь есть движение заряда. Но впервые его обнаружил датский физик Ганс Кристиан Эрстед, по иронии судьбы как раз пытаясь продемонстрировать, что между электричеством и магнетизмом нет связи.
Опишем его опыт. Он поместил вблизи проводника магнитную стрелку, способную свободно вращаться. При включении тока в этом проводнике стрелка поворачивалась и располагалась перпендикулярно проводнику. При отключении тока стрелка возвращалась в свое начальное положение в направлении север – юг (см. рис. 8).
Рис. 8. Опыт Эрстеда
Это значит, что именно при протекании тока стрелка с проводником вступает в магнитное взаимодействие, а значит, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
Рассмотрим это поле более подробно. Находясь вблизи проводника, магнитная стрелка повернулась перпендикулярно этому проводнику, это значит, что в этой небольшой области линия магнитного поля направлена к северному полюсу. А если таким образом «прощупать» магнитное поле в других областях вокруг проводника или взять много магнитных стрелок, то окажется, что линии магнитного поля стремятся к окружностям, в центре которых находится точка проводника (см. рис. 9).
Рис. 9. Магнитное поле проводника
И так как по мере отдаления от проводника сила взаимодействия уменьшается, линии магнитного поля нужно нарисовать гуще возле проводника и реже по мере отдаления. Такую же картинку, с круговыми линиями, получим с помощью железных опилок.
Если поменять направление тока, магнитные стрелки вокруг него развернутся в противоположном направлении, магнитные линии нарисуем направленными в другую сторону. То есть направление магнитного поля проводника с током связано с направлением тока. Как конкретно? Эту связь сформулировали в виде правила правого винта, или правила буравчика (см. рис. 10).
Рис. 10. Правило буравчика
Если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадет с направлением линий магнитной индукции поля.
Вариация правила буравчика – правило правой руки
Правило буравчика – это не закон, с помощью которого мы объясняем, например, связь между явлениями или устройство мира. Что мы по сути сделали: мы заметили, что магнитное поле направлено вот таким образом, и, чтобы было проще объяснить и запомнить, нашли некий образец такой ориентации – правый винт. Его во всем мире делают одинаковым, поэтому он может быть таким эталоном. Другим таким эталоном может служить правая рука. Если мысленно обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля. Это тоже можно запомнить и использовать вместо правила буравчика.
Определим направление линий магнитного поля проводника, в котором ток направлен от наблюдателя. На рисунках это направление изображают в виде крестика, а направление к наблюдателю – в виде точки (см. рис. 11).
Рис. 11. Изображение линий магнитного поля в зависимости от направления протекания тока
В каком направлении нужно вращать болт, крышку на бутылке, ручку крана – что угодно с правой резьбой – чтобы они двигались от нас? По часовой стрелке.
Определим, как будет выглядеть магнитное поле проводника, свернутого в круглый виток с определенным направлением тока. Выберем небольшой участок проводника, такой, чтобы его можно было считать прямым, с ним мы умеем работать. Мысленно расположим буравчик вдоль проводника и будем вращать его так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с направлением тока. Вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля (см. рис. 12).
Рис. 12. Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током
Определим, таким образом, магнитное поле для любого такого участка проводника – во всех случаях оно будет направлено вверх внутри витка и вниз – снаружи витка (см. рис. 13).
Рис. 13. Картина магнитного поля витка с током
Откуда в постоянном магните магнитное поле
Мы рассмотрели, как возникает собственное магнитное поле железа. Есть домены, обладающие магнитным полем, эти домены могут ориентироваться так, что их магнитные поля складываются или вычитаются… Но как вообще возникает магнитное поле этих доменов?
Магнитное поле как составляющая электромагнитного поля возникает вокруг заряда, который в данной системе отсчета движется. Частные случаи движения заряда мы рассмотрели: прямой электрический ток и ток в витке. На примере витка мы увидели, как выглядит магнитное поле, созданное зарядом, который движется по кругу. А в веществе как раз и происходит движение зарядов по кругу, и вокруг них возникает такое магнитное поле, похожее на магнитное поле маленького постоянного магнитика. Конечно, движение электронов в атоме подчиняется более сложным закономерностям, там вообще не всегда применимы понятия классической механики, но приближенно общие черты с движением по кругу есть. И вот таких маленьких «витков» в веществе огромное количество. Тогда на макроуровне магнитное поле зависит от того, как они друг относительно друга ориентированы.
Если расположить большое количество витков один за другим, получится катушка (см. рис. 14).
Рис. 14. Катушка
Магнитные поля витков определенным образом сложатся, и получится сильное суммарное магнитное поле катушки с током.
Принцип суперпозиции и магнитное поле
Мы уже неоднократно говорили о сложении магнитных полей разных магнитов. Поля магнитных доменов складываются, и мы рассматриваем поле магнита как сумму полей этих доменов. Можно складывать магнитные поля постоянных магнитов, проводников с током и т. д.
Что значит такое сложение?
Мы изучаем, да и вообще обнаруживаем, магнитное поле по взаимодействию. Если в данной точке действуют поля нескольких источников, то силы этого воздействия можно сложить, складывать силы мы давно умеем. Помним, что складываем векторы, то есть важны направления сил. А суммарную силу можно считать действием некоторого суммарного поля.
Вариация правил буравчика и правой руки для катушки
Мы рассмотрели магнитное поле катушки, его направление четко определяется направлением тока в катушке. Найти это направление можно, рассмотрев разные участки проводника и их магнитное поле, как мы и сделали. Но это долго, удобнее было бы сформулировать правило, которое позволило бы сразу связать направление тока в катушке и ее магнитного поля. Оказывается, правило буравчика и правило правой руки можно применить и здесь. Только теперь направление вращательного движения буравчика (и направление согнутых четырех пальцев руки) совпадает с направлением тока в катушке, а поступательное движение буравчика (и большой палец руки) указывает направление магнитного поля внутри катушки.
Электромагнит
Магнитные поля катушки похожи с током и постоянного магнита. Катушку с током, которую используют в качестве магнита, назвали электромагнитом (см. рис. 15).
Рис. 15. Магнитное поле катушки с током и постоянного магнита
А для усиления магнитного поля в нее еще вставляют железный сердечник. Как это помогает усилить поле, мы выяснили в одном из ответвлений. Магнитное поле электромагнита и постоянного магнита имеет одну и ту же природу: в обоих случаях это такая же магнитная составляющая электромагнитного поля такого же по природе электрического заряда. Поэтому если спрятать постоянный магнит и катушку с током в коробку, то мы не отличим их магнитные поля друг от друга.
Но движение заряда в постоянном магните мы не можем изменять, его поэтому и назвали постоянным. А электрический ток в катушке мы можем включить, выключить, увеличить или уменьшить, что очень удобно в применении. Где в технике применяют электромагниты, вы можете узнать в ответвлении.
Применение электромагнитов
Электромагниты удобно применять везде, где нужна фиксация тел, состоящих из железа. Например, электромагнитом можно заменить крючки подъемного крана. Теперь, чтобы подобрать груз, достаточно включить электромагнит, а чтобы высвободить – отключить. Этот способ не работает для веществ, которые не взаимодействуют с магнитным полем, но их можно поместить в железные контейнеры и поднимать эти контейнеры.
Электромагниты используют в качестве замка двери в подъезде. Схема домофона включает ток через электромагнит, и при этом фиксируется железная дверь.
Бывает нужно не зафиксировать какой-то объект, а привести его в движение. Таких примеров в технике множество: электромагнит приводит в движение клеммы ключей в электрической цепи (такой управляемый ключ называется реле), электромагнит приводит в движение мембрану динамика для воспроизведения звука.
Многие слышали о большом адронном коллайдере. О нем можно рассказывать много интересного, но нас сейчас интересует вот что. Там в исследовательских целях разгоняют разные элементарные частицы и возникает необходимость ими управлять. А на движущуюся заряженную частицу можно воздействовать магнитным полем, мы это уже выяснили. Это поле также формируют с помощью электромагнитов.
Поскольку вокруг проводника с током возникает магнитное поле, он должен вступать в магнитное взаимодействие с той же магнитной стрелкой, которую мы возле него помещали. Именно взаимодействие, как мы это описываем с помощью третьего закона Ньютона.
Заряды внутри магнитной стрелки обладают электромагнитным полем, заряды внутри проводника с током обладают электромагнитным полем, и они посредством этих полей вступают в электромагнитное взаимодействие, где надо учесть, что они движутся друг относительно друга.
Это достаточно сложная модель, рассмотрим более простую: на проводник, помещенный во внешнее магнитное поле, оно действует с некоторой силой. Это происходит, поскольку сам проводник с током обладает магнитным полем.
Проведем опыт, в котором рассмотрим действие магнитного поля на проводник. Поместим проводник в магнитное поле постоянного U-образного магнита, как показано на рисунке 16.
Рис. 16. Опыт с магнитом
Включаем ток – проводник отклоняется.
Если мы изменим направление тока, проводник отклонится в противоположную сторону. Если перевернуть магнит, то есть изменить направление магнитного поля, то направление отклонения тоже изменится (см. рис. 17).
Рис. 17. Отклонение проводника с током вблизи магнита
То есть направление силы определяется взаимной ориентацией тока относительно магнитного поля. Как именно – нам сейчас не важно.
Правило левой руки
Силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, назвали силой Ампера. Так вот, направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Нужно расположить левую руку так, чтобы:
1) четыре пальца показывали направление тока,
2) вектор магнитной индукции «входил» в ладонь с внутренней стороны,
тогда
3) отставленный на 90̊ большой палец укажет направление силы Ампера.
Модель простейшего электродвигателя
И вот, наконец, то, что нам нужно для создания электродвигателя: проводник при пропускании через него тока приходит в движение! И это можно использовать, осталось решить, как именно.
При пропускании тока сначала в одном, а затем в другом направлении проводник будет отклоняться в одну и другую сторону. В принципе, можно так и делать: с некоторой периодичностью переключать ток и получить движение из стороны в сторону. Но это не практично.
Придумали другой способ: прямой проводник можно заменить рамкой. По ее противоположным сторонам будет протекать ток в противоположных направлениях. Поэтому на эти стороны рамки магнитное поле будет действовать в противоположных направлениях и поворачивать рамку. В таком положении рамка пришла бы в состояние равновесия, и здесь нужно поменять направление тока в рамке на противоположное (см. рис. 18).
Рис. 18. Модель простейшего электродвигателя
Когда мы имеем дело с вращением, сделать это легко с помощью скользящего контакта. Каждый контакт рамки заканчивается полукольцом, и к полукольцу прижата металлическая пластинка. Это обеспечивает подключение рамки к источнику тока: одним контактом к плюсу, вторым – к минусу, и от плюса к минусу течет ток, ничего нового. А в положении, где кольца размыкаются, подключение изменится, пластинки подключатся к противоположным полукольцам, направление тока в рамке изменится, как и направление сил, а под их действием рамка продолжит вращаться. И когда она достигнет положения, в котором должна бы остановиться, контакты снова переключатся и вращение продолжится. Фактически у нас готов простейший электродвигатель, остается его усовершенствовать: сделать больше витков (то есть использовать небольшую катушку), поставить несколько таких катушек под углом друг к другу, чтобы сила действовала более постоянно во времени, ведь в разных положениях действие на рамку отличается, у сил разные вращающие моменты. Есть разные устройства для переключения контактов: самое простое, которое мы рассмотрели, может при переключении создавать искры. Но сам принцип, как с помощью магнита преобразовать электрическую энергию в механическую, нам стал понятен.
Почему тратится энергия?
Есть проводник, по которому течет ток. Внутри него электрическое поле совершает работу по перемещению электронов. Эта работа идет на увеличение кинетической энергии электронов, они сталкиваются с атомами вещества, энергия преобразуется в тепловую – это все мы знаем. При этом магнитное поле вне проводника возникает без затрат энергии и не влияет на скорость движения электронов внутри него.
Может возникнуть вопрос: откуда в электродвигателе возникает механическая энергия, если работа электрического поля на поддержание магнитного поля не расходуется?
На самом деле, есть еще внешний магнит, который через свое магнитное поле взаимодействует с электронами в проводнике. Подробности этого взаимодействия мы пока не будем рассматривать, но возникают силы, которые замедляют движение электронов в проводнике – вот и потеря энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию магнита.
То есть энергия электронов расходуется не на поддержание собственного магнитного поля, а на взаимодействие с внешним.
Кстати, в таком случае нужно быть осторожным с применением закона Ома: кроме столкновений с атомами вещества, электрон замедляется еще и этой силой взаимодействия с магнитом. Поэтому к привычному нам сопротивлению R как характеристике материала проводника добавляется еще одна составляющая. Именно из-за нее мы поставили ограничение на применение закона Джоуля – Ленца для расчета работы по нагреванию проводника: 
.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э., Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Домашнее задание
- Возьмите иголку и поднесите ее к скрепкам. Прилипают ли скрепки к иголке? Потрите иголку о магнит в одном направлении, а затем поднесите к скрепкам. Прилипают ли скрепки? Сделайте вывод.
- В Исландии и Франции морской компас начали использовать в XII–XIII веках. Магнитный брусок закрепляли в центре деревянного креста, затем эту конструкцию помещали в воду, и крест, повернувшись, устанавливался в направлении север – юг. Каким полюсом магнитный брусок повернется к северному магнитному полюсу Земли?
- В каком измерительном приборе используется рамка с током?
