Урок радіоелектроніки
Маркування
ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ І МАГНЕТИЗМ: ЯКИЙ МІЖ НИМИ ЗВ'ЯЗОК?
Як ви самі вже здогадуєтеся, мета даного уроку: освоїти теоретичні відомості щодо електрики, магнетизму і простежити зв'язок між цими двома поняттями. Тому що саме завдяки магнітним (електромагнітним) явищам ми можемо отримати електрику, без якої зараз не мислима життєдіяльність людини. Наприкінці уроку на вас чекає не складна, але досить цікава практична робота.
Безпосередній зв'язок між електрикою та магнетизмом відкрив у 1819 р. датський професор фізики Ганс Ерстед. Проводячи досліди, вчений виявив, що кожного разу, коли він включав струм, магнітна стрілка, що знаходиться поблизу провідника зі струмом, прагнула повернутися перпендикулярно провіднику, а коли вимикав, магнітна стрілка поверталася у вихідне положення. Вчений зробив висновок: навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, що впливає на магнітну стрілку. Ви можете переконатися в цьому, якщо самі проведете аналогічний досвід. Для цього знадобляться: батарея гальванічних елементів, наприклад 3336Л, мініатюрна лампа розжарювання, призначена для кишенькового електричного ліхтаря, мідний провід завтовшки 0,2 - 0,3 мм в емалевій, бавовняній або шовковій ізоляції та компас. За допомогою відрізків дроту, вилучивши з них ізоляцію, підключіть до батареї лампу розжарювання. Лампа горить, бо утворився електричний ланцюг. Батарея у разі є джерелом живлення цього ланцюга. Піднесіть один із сполучних провідників ближче до компасу, дивіться рис. і ви побачите, як його магнітна стрілка відразу ж стане поперек провідника. Вона вкаже напрямок кругових магнітних силових ліній, народжених струмом.
Найбільше магнітне поле струму буде біля самого провідника. У міру віддалення від провідника магнітне поле, розсіюючись, слабшає. А якщо змінити напрям струму в провіднику, помінявши місцями підключення його до полюсів батареї? Зміниться і напрямок магнітних силових ліній - магнітна стрілка повернеться в інший бік. Отже, напрямок силових ліній магнітного поля, збуджуваного струмом, залежить від напрямку струму у провіднику. Яка у цих дослідах роль лампи розжарювання? Вона служить як би індикатором наявності струму в ланцюзі. Вона, крім того, обмежує струм у ланцюзі. Якщо до батареї підключити лише провідник, магнітне поле струму стане сильнішим, але батарея швидко розрядиться. Якщо в провіднику тече постійний струм постійного значення, його магнітне поле також не змінюватиметься. Але якщо струм зменшиться, то слабкішим стане і його магнітне поле. Збільшиться струм, посилиться його магнітне поле, зникне струм – магнітне поле пропаде. Словом, струм та його магнітне поле нерозривно пов'язані та взаємно – залежні. Магнітне поле струму легко посилити, якщо провідник зі струмом згорнути в котушку. Силові лінії магнітного поля такої котушки можна згустити, якщо її всередину помістити цвях або залізний стрижень. Така котушка із сердечником стане електромагнітом, здатним притягувати порівняно важкі залізні предмети. Ця властивість струму використовується у багатьох електричних приладів.
Провідник із струмом, згорнутий у котушку, стає електромагнітом.
Енергія магнітного поля створює рух електронів - електричний струм.
При такому ж швидкому русі магніту всередині котушки, але вже у зворотному напрямку, стрілка приладу також швидко відхилиться у протилежний бік і повернеться у вихіднестановище. Висновок міг бути один: магнітне поле перетинає провід і збуджує (індукує) у ньому рух вільних електронів – електричний струм. Втім, можна зробити інакше: переміщати не магніт, а котушку вздовж нерухомого магніту. Результат буде такий самий. Магніт можна замінити котушкою, у якій тече постійний струм. Магнітне поле цієї котушки, викликане струмом, при перетині витків другої котушки також збуджуватиме в ній електрорушійну силу, створюючи в її ланцюгу електричний струм. Явлення електромагнітної індукції лежить в основі дії генератора змінного струму, що є котушкою з дроту, що обертається між полюсами сильного магніту або електромагніту (на рис. котушка показана у вигляді одного витка проводу).
Схема генератора змінного струму.
Обертаючи, котушка перетинає силові лінії магнітного поля, і в ній індукується (виробляється) електричний струм. У 1837 р. український академік Б. С. Якобі відкрив явище, протилежне дії генератора струму. Через котушку, вміщену в магнітному полі, вчений пропускав струм, і котушка починала обертатися. Це був перший у світіелектромагнітний двигун. Фарадей, який відкрив закон електромагнітної індукції, досвідченим шляхом виявив ще дуже важливе явище - можливість передавати змінний струм із котушки в котушку на відстань без будь-якого прямого електричного зв'язку між ними. Суть цього явища полягає в тому, що змінний або переривається (пульсуючий) струм, що тече в одній із котушок, перетворюється на змінне магнітне поле, яке перетинає витки другої котушки і тим самим збуджує в ній змінну ЕРС. На цій основі створений чудовий прилад, який називаєтьсятрансформатор, що грає дуже важливу роль в електротехніці тарадіотехніки.
ЗМІННИЙ СТРУМ НАРОДЖУЄ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
Досліди Майкла Фарадея і його співвітчизника і послідовника Кларка Максвелла привели вчених до висновку, що змінне магнітне поле, що народжується струмом, що безперервно змінюється, створює в навколишньому просторі електричне поле, яке в свою чергу збуджує магнітне поле, магнітне поле - електричне і т.д. Взаємопов'язані, створювані один одним магнітне та електричне поля утворюють єдине змінне електромагнітне поле, яке безперервно, як би відокремлюючись і віддаляючись від місця збудження його, поширюється у всьому навколишньому просторі зі швидкістю світла, що дорівнює 300 000 км/с. Явище порушення змінним струмом електромагнітних полів прийнято називативипромінюванням електромагнітних коливаньабовипромінюванням електромагнітних хвиль. Зустрічаючи на своєму шляху провідники, магнітні складові електромагнітних коливань збуджують у цих провідниках змінне електричне поле, що створює в них такий самий змінний струм, як струм, що збудив електромагнітні хвилі, незрівнянно слабше. На цьому чудовому явищі і заснована техніка радіопередачі та радіоприймання. Рівність швидкості поширення електромагнітних хвиль, створюваних змінним струмом, і швидкості світла не випадково, тому що світлові промені, як, між іншим, і теплові, за своєю природою теж електромагнітні коливання. Думку про спорідненість світлових та електричних явищ висловив український вчений Михайло Васильович Ломоносов ще у середині XVIII ст. Теорію електромагнітних хвиль розвинув Кларк Максвелл у першій половині минулого сторіччя. Проте лише 1888 р. німецькому вченому Генріху Герцу вдалося досвідченим шляхом довести сам факт існування електромагнітних хвиль та знайти можливість виявити їх. Уйого дослідною установкою випромінювачем електромагнітних хвиль був вібратор - два стрижні з металевими кулями на кінцях, джерелом напруги живлення вібратора - індукційна котушка Румкорфа (є в кожному шкільному фізичному кабінеті), а виявлячем електромагнітної енергії - резонатор, що є незамкненим витоком проводу, теж з кулями на кінцях.
Дослідна установка Г. Герца для збудження та виявлення електромагнітних хвиль та графічне зображення загасаючих електромагнітних хвиль.
Половини вібратора заряджалися до такої високої напруги, що між внутрішніми кулями через повітря проскакувала електрична іскра - штучна блискавка в мініатюрі. Відбувався – електричний розряд. У цей час, що тривав малі частки секунди, вібратор випромінював коротку серію швидкозмінних загасаючих, тобто. спадних по амплітуді, електромагнітних хвиль. Перетинаючи дріт резонатора, розташованого поблизу, електромагнітна енергія збуджувала в ньому електричні коливання, про що свідчила дуже слабка іскра, що з'являлася між кулями резонатора. Ще розряд і нова черга електромагнітних коливань, що загасають, збуджувала в резонаторі слабкий змінний струм. Так Генріх Герц знайшов спосіб збудження електромагнітних хвиль та виявлення їх. Але він не уявляв собі шляхів практичного використання свого відкриття.
Важливі поняття та моменти, які необхідно запам'ятати з цього уроку: що такемагнітне поле, як воно впливає на навколишні предмети, основні умови необхідні для виникнення магнітного поля. Поняттяелектромагнетизмутаелектромагнітної індукції, а також умови виникненняелектромагнітних коливаньпід дією змінного струму -електромагнітніхвилі.
У цій практичній роботі ви повинні простежити на досвіді, вплив електричного струму на котушку з металевим сердечником, яка як ми вже з'ясували, називається котушкою індуктивності. Так само, на цьому досвіді наочно можна простежити як магнітне поле, наведене в металевому осерді котушки, впливає на навколишні предмети (в даному випадку дрібні металеві предмети), якими можуть бути: скріпки, кнопки і т.п. Схема нашої дослідної установки не складна і була наведена вище, тут я її для зручності продублюю.
Кількість витків мідного дроту діаметром 0,2 - 0,25 мм., без застосування лампи розжарювання має бути в межах 150 - 200 витків, із застосуванням лампи розжарювання, від 10 до 50 витків, підбирається експериментально. Чому підбирається екперементально, ви повинні з'ясувати під час досвіду. Як підказка скажу тільки те, що від кількості витків залежатиме сила тяжіння предметів, нашим електромагнітом.
Приступайте до випробувань!
Переходимо до наступного уроку!