Електромагнетизм, електромагнітну індукцію

Із курсу фізики відомо, що всі тіла складаються із найдрібніших частинок, які неподільні на більш прості і називаються елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому згідно з законом всесвітнього тяжіння притягуються одна до одної. Із збільшенням відстані між частинками сила тяжіння зменшується обернено пропорційно квадрату цієї відстані. Якщо частинки взаємодіють одна з одною, а також із силами, що існують між ними, але перевищують сили тяжіння в багато разів, то ці частинки мають електричний заряд.

Нерухомі електричні заряди рідко використовуються на практиці. Щоб змусити електричні заряди служити людині, їх необхідно привести в рух, тобто створити електричний струм. Під час руху заряджених частинок у провіднику відбувається перенесення електричного заряду з одного місця в інше. Електричним струмом називається напрямлений рух електронів по провіднику. Таке визначення електричного струму правдиве тільки для твердих металевих провідників. Причиною руху електронів по провіднику є електрорушійна сила, яка виникає: в джерелі електричного струму (наприклад, у генераторі). Рух електронів проходить від знака плюс «+» до знака мінус «–»

Електричний струм, який не змінюється за величиною та напрямком, називається постійним. Якщо всередині провідника є електричне коло, то між кінцями провідника існує різниця потенціалів. Якщо різниця потенціалів не змінюється за часом, то в провіднику встановлюється постійний електричний струм. При практичному використанні електричного струму нерідко доводиться змінювати його величину, напругу, а також опір провідників.

Силою електричного струму (І) називають кількість електричного струму, який проходить через поперечний переріз за одиницю часу. Одиницею вимірювання сили струму є ампер (А). Прилад, який вимірює величину струму, називається амперметром. Якщо сила струму дуже мала, її вимірюють міліамперметром. У замкнутому колі електричний струм виникає під дією електрорушійної сили — джерела енергії, яке створює постійну різницю потенціалів і надає вільним електронам провідника енергію, необхідну для їх переміщення. Електрорушійна сила, як і напруга, вимірюється у вольтах.

Напруга (U) — це частина електрорушійної сили. Розрізняють напругу на затискачах генератора та напругу у споживача. Напруга на генераторі завжди більша за напругу у споживачів, оскільки частина її втрачається в дротах, які з'єднують генератор із споживачами. Напругу вимірюють за допомогою вольтметра. Одиницею вимірювання напруги є вольт (В).

Напрямленому руху електричних зарядів заважають молекули й атоми провідників, які зустрічаються на їхньому шляху. Отже, проходженню струму перешкоджає опір (R). Величина опору залежить від довжини провідника і матеріалу, з якого він зроблений, а також поперечного перерізу та температури. За одиницю електричного опору провідників беруть 1 Ом.

Для безпосереднього вимірювання електричного опору використовують омметри та мегомметри. Для перевірки опору заземлювального пристрою можна використовувати амперметр і вольтметр.

Розглянуті електротехнічні величини — струм І, напруга U та опір R — пов'язані між собою формулою I=U/R.

Із формули випливає, що величина струму в провіднику прямо пропорційна підведеній напрузі та обернено пропорційна опору провідника. Ця залежність має назву закону Ома для однорідної ділянки електричного кола. Закон Ома визначає силу струму в електричному ланцюзі при заданій напрузі й визначеному опорі. Він дає можливість розраховувати теплові, хімічні та магнітні дії струму, бо вони залежать від сили струму. Із закону Ома випливає, що замикати звичайну освітлювальну мережу дротом малого опору небезпечно. Сила струму виявиться дуже великою, і це може призвести до тяжких наслідків.

Нерухомі електричні заряди створюють навколо себе електричне поле, а рухомі — магнітне поле. Магнітне поле подібно до електричного існує реально. Магнітне поле, створене електричним струмом, має енергію, яка прямо пропорційна квадрату сили струму. Електричні та магнітні поля — це прояв одного цілого — електромагнітного поля.

Співіснування магнітного поля без електричного або навпаки неможливе.

Магнітне поле являє собою особливу форму матерії, якою безпосередньо здійснюється взаємодія між електричними зарядженими частинками, що рухаються.

Якщо взяти провідник у вигляді спіралі (соленоїд) і пропустити через нього струм, то навкруг такого провідника виникнуть магнітні лінії, які, складаючись, утворюють магнітне поле. Чим сильніший струм у соленоїді і більша кількість витків, тим сильніше утворене соленоїдом магнітне поле. Соленоїд із сталевим осердям називається електромагнітом.

Магнітна дія електромагніту у багато раз сильніша, ніж соленоїди, оскільки намагнічене осердя із сталі значно підсилює загальне магнітне поле. Електромагніти широко використовують у техніці — в електромашинах, апаратах, приладах автоматики, реле тощо.

Під час проходження електричного струму по провіднику або дротовій котушці у них утворюється магнітне поле. За відсутності струму поле зникає. Якщо замикати або розмикати коло котушки, то навколо неї виникатиме або зникатиме магнітне поле. Змінне магнітне поле перетинає витки котушки і створює в ній електрорушійну силу самоіндукції. Величина виникаючої електрорушійної сили самоіндукції залежить від індуктивності котушки і від швидкості зміни в ній струму, тобто від швидкості магнітного потоку.