Доклад по технологии Свойства электромагнитного поля. Свойства и применение энергии магнитного поля
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Доклад по технологии На тему: «Свойства и применение энергии магнитного поля» Ученицы 7 в класса Зайцевой Варвары Введение Открытие магнитного поля – одно из самых важных научных открытий в истории человечества. Без него было бы трудно представить нашу современную жизнь: не было бы изобретено множество приборов, не были бы получены важнейшие технологии. Историческая справка История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". И ещё 2600 лет до н.э. китайский император Хванг Ти вёл своё войско в густом тумане с помощью магнитной фигурки, что, поворачиваясь вокруг своей оси, всегда смотрела на юг. Это, как можно догадаться, и был своего рода прототип первого компаса. Уже со второго века н.э. в Китае изготавливались постоянные магниты, надолго сохраняющие магнитные свойства. А в 13 веке о магнитах и компасе узнали в Европе.  Рисунок 1. Первый компас Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке французским ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: о том, что у магнита есть два полюса, которые ученый впоследствии назвал северным и южным, и о том, что невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании.  Рисунок 2. Взаимодействие двух магнитов А в 1600 году вышло сочинение английского придворного врача и физика Уильяма Гильберта «О магните». К уже известным фактам Гильберт прибавил такие важные наблюдения, как: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле. В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Его опыт имел большое значения для развития учения об электромагнитных явлениях. А узнав о работе Эрстеда, французский физик Андре Мари Ампер исследовал взаимодействие параллельных проводников с током. Он установил, что при наличии в проводниках разнонаправленных токов – проводники отталкиваются друг от друга. А если токи имеют одинаковое направление, то проводники будут притягиваться. Это были два самых известных опыта в истории изучения магнитного поля, которые подтолкнули других учёных делать всё новые и новые исследования в этой области. Понятие о магнитном поле Магнитное поле - это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.  Рисунок 3. Магнитное поле Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы. Свойства магнитного поля: магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами; магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током; магнитное поле является вихревым, т.е. его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые. Теперь скажу о двух силах, действующих в магнитном поле: 1. Сила Ампера Силой Ампера называется сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле. Существует и специальный закон об этой силе, называемый законом Ампера: на проводник c током силой I и длиной l, помещенный в магнитное поле с индукцией B⃗ , действует сила, модуль которой равен (произведению силы тока на вектор магнитной индукции и на синус альфа): F = IBlsin a где α – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции B⃗ . Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера. 2. Сила Лоренца Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Формула для нахождения силы Лоренца: F = q* B * V * siin a, где q – заряд частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.  Рисунок 4. Сила Лоренца Силы Ампера и Лоренца широко применяются в науке и технике. Сейчас мы это рассмотрим. Применение магнитного поля. Сила Ампера Амперметр Еще одно открытие Ампера – это закон действия магнитного поля на проводник с током. Он выражается прежде всего в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля. Угол поворота витка прямо пропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током, на некоторую постоянную при неизменных условиях величину. l = M * const l – сила тока, M – момент сил, разворачивающих виток с током. Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре.  Рисунок 5. Амперметр Электродвигатель После открытия действия магнитного поля на проводник с током Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так, магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 3), созданный в 1834 г. русским электротехником Б.С. Якоби.  Рисунок 6. Электродвигатель Рассмотрим упрощенную модель двигателя, которая состоит из неподвижной части с закрепленными на ней магнитами – статора. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов (рис. 4). Если подключить двигатель к источнику постоянного тока, то при замыкании цепи рамка с током начнет вращение.  Рисунок 7. Схема электродвигателя Электромагнит Необходимо упомянуть еще об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать электромагнит – устройство, которое при прохождении через него электрического тока, создает вокруг себя магнитное поле.  Рисунок 8. Электромагнит  Рисунок 9 Пример применения электромагнитов. Электромагнит на производстве Маглев Маглев, или поезд на магнитной подушке, — это состав, который удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются.  Рисунок 10. Маглев Движение поезда осуществляется линейным двигателем – поочерёдно включаются обмотки статора, создавая бегущее магнитное поле. Статор поезда втягивается в это поле и движет весь состав. При этом с частотой 4000 раз в секунду происходит смена полюсов на магнитах путем попеременной подачи тока. Изменение силы и частоты тока позволяет регулировать скорость состава.  Рисунок 11. Схема маглева Маглев — самый быстрый наземный общественный транспорт. Рекорд скорости был установлен японским поездом Синкансэн L0 в апреле 2015 года — он разогнался до 603 км/ч.  Рисунок 12. Синкансэн L0 Телеграф Именно Амперу пришла идея о том, что, скомбинировав проводники и магнитные стрелки, можно создать устройство, которое предает информацию на расстояние.  Рисунок 13. Электрический телеграф Идея телеграфа возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма. Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрел после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется: азбука Морзе. С передающего телеграфного аппарата с помощью «ключа Морзе», который замыкает электрическую цепь, в линии связи формируются короткие или длинные электрические сигналы, соответствующие точкам или тире азбуки Морзе. На приемном телеграфном аппарате (пишущий прибор) на время прохождения сигнала (электрического тока) электромагнит притягивает якорь, с которым жестко связано пишущее металлическое колесико или писец, которые оставляют чернильный след на бумажной ленте (рис. 7).  Рисунок 14. Схема работы телеграфа Пушка Гаусса Математик Гаусс, познакомившись с исследованиями Ампера, предложил создать оригинальную пушку, работающую на принципе действия магнитного поля на железный шарик или стержень – снаряд: в цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки ток в последней отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки.  Рисунок 15. Пушка Гаусса Динамик Так же сила Ампера применяется и в динамиках, чей принцип действия основан на действии магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке: катушка, по которой течет измененный ток звуковой частоты, колеблется в магнитном поле магнита. Вместе с катушкой колеблется диффузор, излучающий звук.  Рисунок 16. Устройство динамика  Рисунок 17. Динамик (внешний вид) Сила Лоренца Кинескоп - телевизионная трубка, электронно-лучевая трубка Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (= кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками. Иначе телевизионную трубку можно называть электронно-лучевой трубкой.  Рисунок 18. Кинескоп Масс-спектрограф Другое применение действие магнитного поля нашло в приборах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т.е. по отношению заряда частицы к её массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-спектрографов. На рисунке изображена принципиальная схема простейшего масс-спектрографа. Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле (вектор индукции В перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории r. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко вычислить его массу. Изучить химический состав грунта, взятого на Луне, например, поможет тот же масс-спектр.  Циклотрон - ускоритель заряженных частиц На рисунке 25 показано движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.   Рисунок 19. Циклотрон (внешний вид) Синхрофазотрон В 1957 году Советский Союз осуществил революционный научный прорыв сразу в двух направлениях: в октябре был запущен первый искусственный спутник Земли, а за несколько месяцев до этого, в марте, в Дубне начал работать легендарный синхрофазотрон — гигантская установка для исследования микромира. Эти два события потрясли весь мир, и слова «спутник» и «синхрофазотрон» прочно вошли в нашу жизнь. Синхрофазотрон - это циклический резонансный ускоритель заряженных частиц. Циклический – значит, что частицы циркулируют по замкнутой траектории, которая формируется магнитными полями. Резонансный - что на кольце расположен высокочастотый электромагнитный резонатор, в котором внешним генератором раскачана волна электрического поля; сгусток частиц пролетает этот резонатор на каждом обороте синхронно с колебанием поля, и это электрическое поле его резонансным образом легонько ускоряет (как мама легонько толкает качели, добиваясь большой скорости). Таким образом удаётся электрическим полем с амплитудой в десятки киловольт ускорить частицы до десятков гига(электрон)вольт.  Рисунок 20. Синхрофазотрон (схема)  Рисунок 21. Синхрофазотрон (внешний вид) Магнетрон Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %), то есть, способны преобразовывать до 80% подводимой к ним электроэнергии в СВЧ-поле. Магнетроны бывают как не перестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — ротационные и вибрационные механизмы. Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.  Рисунок 22... Магнетрон (схема) Магнитное поле в медицине Магнитное поле широко применяется в медицине. Существует и специальный термин – магнитотерапия. Магнитотерапия – это метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм магнитными полями различных параметров. С лечебно-профилактическими целями используются: постоянное магнитное поле (постоянная магнитотерапия); импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия); переменное магнитное поле (низкочастотная магнитотерапия). Постоянная магнитотерапия При постоянной магнитотерапии на организм с лечебно-профилактическими целями воздействуют постоянным магнитным полем. Для получения постоянного магнитного поля (ПМП) используют постоянные магниты из различных материалов и различных конструкций, а также электромагниты с ферромагнитными сердечниками или без них, в обмотках которых течет постоянный электрический ток. Индукция постоянных магнитных полей чаще составляет 30-60 мТл. Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике. Магнитное поле в медицине Магнитное поле широко применяется в медицине. Существует и специальный термин – магнитотерапия. Магнитотерапия – это метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм магнитными полями различных параметров. С лечебно-профилактическими целями используются: постоянное магнитное поле (постоянная магнитотерапия); импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия); переменное магнитное поле (низкочастотная магнитотерапия). Постоянная магнитотерапия При постоянной магнитотерапии на организм с лечебно-профилактическими целями воздействуют постоянным магнитным полем. Для получения постоянного магнитного поля (ПМП) используют постоянные магниты из различных материалов и различных конструкций, а также электромагниты с ферромагнитными сердечниками или без них, в обмотках которых течет постоянный электрический ток. Индукция постоянных магнитных полей чаще составляет 30-60 мТл.  Рисунок 23. Постоянная магнитотерапия Импульсная магнитотерапия Этот вид терапии основан на применении с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями импульсных магнитных полей низкой частоты. Действующим фактором в данном методе являются вихревые электрические поля (токи), индуцируемые в тканях мощным импульсным магнитным полем. Индукционные электрические токи способны вызывать возбуждение волокон периферических нервов. Вследствие чего блокируется афферентная импульсация из болевого очага. За счет возбуждения толстых миелинизированных волокон наблюдается и сокращение иннервируемых ими мышц. Кроме того, это поле за счет наведения импульсных токов вызывает ритмическое сокращение миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов.  Рисунок 24. Импульсная магнитотерапия Низкочастотная магнитотерапия Наиболее распространенный вид магнитотерапии - низкочастотная, при которой с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями используют магнитные поля низкой частоты. В основе действия лежат те же механизмы и физико-химические эффекты, что и при использовании постоянных магнитных полей. Однако главным действующим фактором является формирование в тканях индуцированных электрических токов, плотность которых определяется скоростью изменения магнитной индукции. Минимальные эффекты наблюдаются при плотности тока 1-10 мА/м. Такие токи наводятся в тканях при воздействии переменным МП с индукцией 0,5-5 мТл при частоте 50 Гц или 10-100 мТл при частоте 2,5 Гц. Более существенные сдвиги наблюдаются при плотности наведенного тока 10-100 мА/м, который наводится при действии на ткани переменного МП с индукцией 5-50 мТл при частоте 50 Гц или 100-1000 мТл при частоте 2,5 Гц. ю  Рисунок 25. Низкочастотная магнитотерапия Магнитно-резонансная томография Стоит упомянуть и о таком применении магнитного поля в медицине, как магнитно-резонансная томография. Она используется для исследования внутренних органов и тканей человека с целью диагностировать различные заболевания. Принцип её действия основан на использовании феномена кратковременного резонирования протонов в электромагнитном поле для визуализации тканей в зависимости от наличия в них воды.  Рисунок 26.. Магнитно-резонансная томография Заключение Итак, мы можем прийти к выводу, что развитие современной цивилизации трудно представить без широкого использования магнитных материалов и магнитного поля. Значительный эффект использования магнитных полей и материалов достигнут в науке: это использование методов ядерного магнитного резонанса, использование магнитного поля для ускорения элементарных частиц и проч. Эффективно применяется магнитное поле в медицине — для терапии, диагностики, оздоровления и т.д. А применение в различных технических устройствах и бытовых приборах можно перечислять бесконечно. И это лишь неполный перечень применений магнитного поля. А впереди еще более потрясающие открытия магнитных свойств, новых магнитных материалов и уникальных применений магнитного поля в науке, в промышленности, на транспорте, в медицине и т.д. |