Электрические поля, магниты, электромагниты

Силовые поля представляют собой особый вид материи, одной из разновидностей является магнитное поле. О его действии знает практически каждый человек. Ведь кто не сталкивался с обычными постоянными магнитиками? Вряд ли найдётся такой человек в современном обществе. А знаете ли вы, что именно наделяет магниты их специфическим действием? Думаю, не многим это известно. Предлагаю сделать небольшой теоретическое путешествие в устройство и принцип действия постоянного магнита, и разобраться, что же там такое происходит, почему это работает именно таким образом.

Действие магнитного поля лежит в основе электрофизики. Как мы знаем, любые вещества состоят из атомов. Они находятся на очень близком расстоянии друг к другу. В зависимости от жёсткости соединения между собой различают три базовых состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. Именно в твёрдом состоянии вещества атомы максимально плотно и жёстко прикреплены друг к другу, что составляет в целом кристаллическую решётку того или иного вещества. Также известно, что атомы состоят из более мелких частиц, которые своим строением похожи на солнечную систему (в центре располагается солнце-атом, а вокруг него вращаются электроны-планеты). Между частицами атома также существуют поля.

Ну со строением вещества разобрались, а где тут действие магнитного поля? А оно имеет хитрый принцип действия. Основы физики утверждают, что магнитное поле возникает вокруг движущихся заряженных частиц (электронов, ионов). Каждый атом содержит определённое количество электронов на своих орбитах, они быстро вращаются вокруг ядра атома. Следовательно вокруг каждого атома существует магнитное поле. Но если все вещества состоят из атомов, то почему далеко не все вещества обладают магнитными свойствами? Потому, что именно некоторые вещества в твёрдом состоянии обладают особенностью перенаправлять и запоминать вектор направленности магнитного поля.

Итак, в изначальном состоянии тела (обладающее магнитными свойствами) внутренние векторы направления магнитных полей атомов располагаются хаотичным образом, что ведёт к взаимной нейтрализации общего действия магнитного поля. А вот если внешним мощным постоянным магнитным полем одновременно развернуть все внутренние составляющие магнитных полей, то в результате мы получим действие магнитного поля, которое будет уже однонаправленным.

Проще говоря, вещества, обладающие магнитными свойствами, могут запоминать направление магнитных полей, которые исходят от внутренних элементарных частиц. Если в изначальном состоянии внутренние магнитные поля направлены хаотично, компенсируя друг друга, то при мощном воздействии внешнего магнитного поля все внутренние поля перестраиваются в одном направлении (оставаясь в нём постоянно).

Если до воздействия внешнего магнитного поля вещество не магнитило к себе металлические предметы, то после этого оно уже само стало постоянным магнитом. Действие магнитного поля стало проявляться в силу обычной внутренней перестройки элементарных частиц.

Данное явление имеет и обратный процесс. А именно, получившийся постоянный магнит можно вернуть обратно в исходное состояние (оно обратно утратит способность магнитить). Для этого лишь надо перестроить в хаотичный порядок внутреннюю структуру магнетика. Вещество можно сильно нагреть, подвергнуть воздействию механических ударов, поместить в переменное электромагнитное поле и т.д.

Несмотря на то, что про существование электрических и магнитных полей известно многим людям, их истинная суть остается большой загадкой для современной науки. Они скрывают в себе множество тайн и новых возможностей, применимых к новых технологиям будущего.

Философия и физика видят в основе всего существующего — материю, что проявляет себя в многообразии форм и состояний. Материя может быть локализована (сконцентрирована в пределах определённого ограниченного пространства), а может и, делокализована. В первом случае этому будет соответствовать «вещество», а во втором – это будет уже «поле». Но и там и там есть множество сходных общих характеристик.

Материя в своих свойствах и проявлениях неисчерпаема, ну а процесс её познания и открытий не имеет границ. Посему, абсолютно все понятия, когда-либо созданные человеком, прибывают в состоянии постоянного изменения, развитии и совершенствования. К примеру: нынешняя физика не ставит строгую границу между веществом и полем, в отличие от классической. В ней вещество и поле неразрывно связаны и постоянно превращаются одно в другое.

А что собой представляют поля, и какими они бывают? Как Вы должны знать из курса физики, физическим полем (как явление, а не территория) называется особый вид материи. Это места в пространстве, где наблюдаются физические, реально зафиксированные и точно измеренные силы. Современная наука выделяет 4 основных вида физического поля: поля сильных взаимодействий (ядерные), слабых взаимодействий, гравитационные и электромагнитные поля.

Если сильно не вдаваться в глубины квантовых и прочих теорий, упрощённо любые поля можно представить в виде такой наглядной и понятной модели: есть материальный объект, шар (наиболее идеальная форма в пространстве), вокруг его центра на некотором расстоянии в пространстве существует невидимая сила (энергия), которая может взаимодействовать с подобного рода силой иного объекта. Причём характер этого взаимодействия обусловлен многими факторами (вид поля, его природа, размеры систем, геометрическая форма и прочие факторы).

Можно сказать, что любой материально существующий объект (будь то элементарная частица или же целая планета и т.д.) обладает всеми разновидностями полей одновременно. Только их проявление зависит от конкретных условий и обстоятельств. К примеру, гравитационное поле земли зависит от внутренних процессов, происходящих в глубинах земной коры. Или интенсивность магнитного поля в проводниках, будет зависеть от скорости и количества заряженных частиц, что перемещаются вдоль этого проводника.

Ну, а теперь перейдём к теме: электрические и магнитные поля. Благодаря имеющимся свойствам электрических и магнитных полей, электричество проявляет себя так, как мы его привыкли понимать. Абсолютно все устройства, механизмы, системы, приборы функционируют на тех внутренних основополагающих принципах и законах, которые работают благодаря существованию электромагнитных полей (их сил взаимодействия).

Взять любой электродвигатель, у которого имеется внутренняя обмотка. По ней бежит ток и вокруг её существует в этот момент магнитное поле. Именно оно отталкивает ротор от статора, тем самым приводя электромотор в движение. Или при процессе генерации электричества, магнитное поле, проходя сквозь обмотку электрогенератора, приводит в движение электроны, тем самым создавая разность потенциалов на выводах электрогенерирующих систем.

В нашем мире мы все привыкли к тому, что материальные объекты взаимодействуют друг с другом посредством прямого контакта (прикосновения). Мы видим это своими глазами, и значит это так. Но на самом деле это далеко не так. Любые материальные тела состоят из мельчайших элементарных частиц. Неотъемлемой составляющей всех частиц являются различные виды полей, которые окружают их вокруг и отталкиваются друг от друга. Таких полей существует множество, и одним из них является электрическое поле.

Электрическое поле — это особый вид материи, которая существует вокруг электрически заряженных элементарных частиц (электроны и протоны). Через электрические поля передаётся воздействие одного электрического заряда (неподвижного) на иной неподвижный электрический заряд. Данное взаимодействие происходит в соответствии с известными законами Кулона.

Следует понимать, что электрическое и магнитное поле, это два совсем разных проявления природы. Первоначальными носителями полей являются элементарные частицы — электроны и ионы. Частицы обладают обоими типами полей одновременно (и магнитным и электрическим). Но, проявление интенсивности каждого из них зависит от определённых условий.

Как Вы, возможно, знаете, интенсивность электрического поля зависит, в первую очередь, от имеющегося количества разноимённых зарядов элементарных частиц. То есть, чем больше электрических зарядов одного вида на одной части, и противоположного, на другой, следовательно, тем больше будет электрическое поле между этими двумя частями (к примеру, пластины конденсатора). Расстояние между этими пластинами мы пока не берём в учёт.

Магнитное поле ведёт себя немного иначе. Оно существует при движении электрических зарядов. То есть, чем интенсивнее движение зарядов, тем больше вокруг их магнитного поля. Ну, а второстепенным фактором, конечно, будет количество движущихся заряженных частиц. При их движении в одном и том же направлении, магнитное поле увеличится за счёт суммирования. Учтите, что полной статики у заряженных частиц нет, и не может быть. Следовательно, микротоки (и магнитные поля) есть везде и повсюду.

Что собой представляет этот вид поля (электрическое) и чем он специфичен? Чтобы это понять, давайте разберёмся в его свойствах и проявлениях. Как Вы должны знать, электрическое поле проявляет себя тогда, когда возникает перераспределение электрических зарядов между телами. Точнее, когда в силу некоторых обстоятельств одного вида заряда становится больше или меньше, по отношению к противоположному. Тогда одни тела начинают притягиваться либо отталкивать другие на расстоянии.

Поскольку в промежутке этого расстояния нет плотных тел, то, следовательно, можно утверждать о существовании невидимого поля. Ну, а поскольку данное поле связанно с электрическими явлениями, то и поле стали называть электрическим. В целом же, электрическое поле (как и другие виды полей) существуют везде и вокруг всего, только из-за их скомпенсированности взаимодействия друг на друга и невидимости невооруженным глазом) создаётся впечатление, будто они появляются.

К свойствам электрического поля можно отнести:

· невидимость (их определение происходит через поведение пробного электрического заряда)

· электрические поля взаимодействуют только лишь с электрическими полями

· оно имеет векторное направление

· может притягивать либо отталкивать

· существует всегда вокруг заряженных частиц (в отличие от магнитного поля)

· обладает свойством концентрации и неоднородности (имеется в виду НАПРЯЖЕННОСТЬ)

Как было упомянуто выше, электрическое поле определяется при помощи пробного точечного заряда. Если электрический заряд (пробный заряд), который обладает электрическим полем внести в интересующую нас точку пространства, можно выяснить — есть-ли в данном месте электрическое поле. Если начнёт действовать электрическая сила, то значит, в этой точке поле есть. Интенсивность данного электрического поля будет характеризовать напряженность поля.

Силы, которые действуют на один и тот же точечный электрический заряд будут отличаться по направлению и величине в различных точках электрического поля. Поэтому и было целесообразно ввести силовую характеристику любой точки данного поля, созданного зарядом. К сожалению, сила «F» (Кулона) подобной характеристикой послужить не может, поскольку для одной точки поля эта сила будет прямо пропорциональна величине точечного заряда.

Было принято считать силовой характеристикой точки электрического поля «E». Она стала называться напряжённостью электрического поля. Напряжённость измеряется силой, с которой электрическое поле действует на единичный положительный заряд, что был внесён в некую точку определяемого поля в пространстве. Напряженность является векторной величиной. Напряжённость электрического поля измеряется в Ньютонах на Кулон или в Вольтах на метр.

И ещё, что можно сказать о напряжённости — если электрическое поле создаётся одновременно множеством электрических зарядов, то результативная (общая) напряжённость «E» в определённой точке электрического поля находится как геометрическая сумма всех имеющихся напряженностей, созданных в данной точке каждым конкретным электрическим зарядом в отдельности.