Удивительным образом идеи одного человека могут повлиять на последующее развитие человеческого общества в целом. Таким человеком был Майкл Фарадей, не слишком разбирающийся в хитросплетениях современной ему математики, но прекрасно понимающий физический смысл известных к тому времени сведений о природе электричества и магнетизма благодаря выдвинутой им концепции полевых взаимодействий.
Нам нужны не только идеи, по мнению Уилла Стюарта, инженерно-технического института в Великобритании. «Как инженер важно понять, что практично». Тесла был блестящим, но он провел большую часть своего времени, преследуя идею, такую как передача энергии по беспроводной сети, хотя это казалось невозможным. С другой стороны, Эдисону было очень легко убедить людей и превратить их идеи в продукты.
С другой стороны, добавляет Гретер, есть что-то, связанное с неосязаемостью, связанной с Теслой. У Теслы есть единица измерения магнитного поля, которое носит его название. Это признано в Хорватии и Сербии, где есть электростанция, названная так. Любителям технологий это нравится, и на Луне даже есть рок-группа и кратер, называемый Тесла.
Существованию современного общества, основанного на использовании электричества, магнетизма и электродинамики, мы обязаны целой плеяде замечательных учёных. Среди них надо отметить Ампера, Эрстеда, Генри, Гаусса, Вебера, Лоренца и, безусловно, Максвелла. В конечном итоге они свели науку об электричестве и магнетизме в единую картину, которая послужила основой целой когорте изобретателей, создавших своими творениями предпосылки для появления современного информационного общества.
Хотя его репутация не соответствует таковой Эдисона, правда состоит в том, что Тесла стал фигурой культа. Мы окружены магнитами в нашей повседневной жизни больше, чем когда-либо. Магнит в динамике смартфона можно найти в кармане каждого человека. Однако до середины 20-го века в наших домах было всего несколько магнитов - магнит в громкоговорителе радио, телефон и, вероятно, несколько магнитных защелок шкафа. Многие футляры для смартфонов используют магнит в их крышке для управления смартфоном: телефон может ощущать открытую крышку и отображать экран блокировки или экран часов.
Мы живём в окружении электродвигателей и генераторов: они наши первые помощники на производстве, на транспорте и в быту. Любой уважающий себя человек не мыслит существования без холодильника, пылесоса и стиральной машины. В приоритете также микроволновая печь, фен, кофемолка, миксер, блендер и - предел мечтаний - электромясорубка и хлебопечка. Безусловно, кондиционер тоже страшно полезная штука, но если нет средств для его приобретения, то сойдёт и простой вентилятор.
Не забывайте о большом количестве материала, который работает с использованием магнитных и электромагнитных полей. Это включает в себя трансформаторы, электродвигатели и генераторы, различные приводы, электромагнитные муфты и тормоза, антенны и волноводы. Мы окружены магнитными и электромагнитными полями. Земля создает свое собственное геомагнитное поле, которое простирается от внутреннего пространства Земли до космоса и используется для навигации и защищает нас от смертельного солнечного ветра.
Магнитное поле представляет собой область вокруг постоянного магнита или движущегося электрического заряда, в пределах которой имеется магнитная сила, действующая на движущиеся электрические заряды и ферромагнитные материалы. Магнитное поле представляет собой векторное поле, потому что оно может быть задано как по направлению, так и по величине. Магнитные поля обычно визуализируются линиями магнитного потока. Сила поля визуализируется пространствами между линиями магнитного потока. Магнитные поля могут быть дополнительно визуализированы с использованием железных опилок или пленки для просмотра магнитного поля.
У некоторых мужчин запросы несколько скромнее: пределом мечтаний самого неумелого мужчины является электродрель. Некоторые из нас, безуспешно пытаясь завести автомобиль в сорокаградусный мороз и безнадежно терзая стартер (тоже электродвигатель), втайне мечтают о приобретении машины производства Tesla Motors на электродвигателях и аккумуляторах, чтобы забыть навсегда о проблемах бензиновых и дизельных моторов.
Прежде чем мы начнем говорить о магнитном потоке, мы должны поговорить о двух векторных полях, описывающих магнитное поле. В платном пространстве эти два векторных поля связаны следующим уравнением. Магнитное поле может быть определено и описано несколькими способами в зависимости от его влияния на окружающую среду. Это часто определяется силой, которую она оказывает на перемещение заряженных частиц, что называется силой Лоренца. Это сочетание электрической и магнитной силы на точечном заряде, помещенном в магнитное поле.
Электродвигатели повсюду: они поднимают нас в лифте, они перевозят нас в метро, электричках, трамваях, троллейбусах и скоростных поездах. Они доставляют нам воду на этажи небоскрёбов, приводят в действие фонтаны, откачивают воду из шахт и колодцев, прокатывают сталь, поднимают тяжести, работая в различных кранах. И делают очень много других полезных дел, приводя в движение станки, инструменты и механизмы.
Здесь х обозначает векторное произведение. Это Н-поле генерируется изменением электрических полей. На английском языке Н-поле также называют напряженностью магнитного поля, напряженностью магнитного поля, магнитным полем и магнитным полем, что довольно запутанно. Поскольку число линий магнитного поля, проходящих через любую небольшую область, обычно различно, магнитный поток является продуктом среднего магнитного поля и области, нормальной к линиям магнитного поля, которые проникают в нее. Для более сложного случая, когда площадь является плоской поверхностью и она не является нормалью к магнитному полю, мы можем использовать выражение.
Даже экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями и для военных выполнены с использованием электродвигателей, не говоря уже о целой армии промышленных и исследовательских роботов.
Сегодня электродвигатели трудятся в космосе - достаточно вспомнить марсоход Curiosity. Они трудятся на земле, под землёй, на воде, под водой и даже в воздухе - не сегодня, так завтра (статья написана в ноябре 2015 г.) самолёт Solar Impulse 2 наконец-то закончит своё кругосветное путешествие, а беспилотным летательным аппаратам на электродвигателях уж просто несть числа. Недаром вполне серьёзные корпорации сейчас трудятся над сервисами доставки почтовых отправлений с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Из этого выражения видно, что если тестовая поверхность расположена параллельно линиям магнитного поля, то полученный магнитный поток будет равен нулю. В то же время наибольший поток может быть получен, если поверхность перпендикулярна линиям магнитного поля.
Это выражение показывает, что любое устройство для измерения магнитного потока должно содержать механический или электронный интегратор. В этой статье мы обсудим устройства для измерения магнитного потока. Магнитный поток - полезный инструмент для описания эффектов магнитных сил на объекты, занимающие данную область, например, трансформаторы, электрические генераторы или соленоиды. Он используется инженерами-электриками для проведения расчетов для систем с электромагнитами и генераторами и физиками, разрабатывающими ускорители частиц.
Построенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта химическая батарея, названная впоследствии по имени изобретателя «вольтов столб», воистину оказалась «рогом изобилия» для учёных. Она позволяла приводить в движение электрические заряды в проводниках, то есть создавать электрический ток. Новые открытия с использованием вольтова столба непрерывно следовали одно за другим в различных областях физики и химии.
Заметим, что из-за закона Гаусса для магнетизма сумма магнитного потока для замкнутой поверхности всегда равна нулю. Заметим также, что мы можем использовать площадь любого размера и ориентировать ее каким-либо образом относительно магнитного поля. Если полевые линии проходят через заданную область под углом, только магнитное поле будет способствовать магнитному потоку. Только часть поля, которая является нормальной для нашей тестовой зоны, включена в расчет магнитного потока.
Понимание отношений между электричеством и магнетизмом началось с работ датского физика и химика Ганса Христиана Эрстеда, который обнаружил, что электрические токи создают магнитные поля. Он применил математику, чтобы лучше понять это явление. Результат этих исследований теперь называется силовым законом Ампера. Самый известный и простой пример этого закона гласит, что взаимное действие двух параллельных проводов с электрическим током пропорционально их длине и величинам тока в них.
Например, английский учёный сэр Гемфри Дэви в 1807 году, изучая электролиз расплавов гидроксидов натрия и калия, получил металлический натрий и калий. Ранее, в 1801году, он же открыл электрическую дугу, хотя русские считают её первооткрывателем Василия Владимировича Петрова. Петров в 1802 году описал не только саму дугу, но и возможности её практического применения для целей плавки, сварки металлов и восстановления их из руд, а также освещения.
Английский ученый Майкл Фарадей внес важный вклад в изучение электромагнетизма. Позже он обнаружил взаимную индукцию, используя две изолированные катушки, обернутые вокруг железного кольца. Устройство напоминало современный тороидальный трансформатор. Когда в одной катушке пролетал ток, в другой катушке индуцировался мгновенный ток. Впоследствии он обнаружил, что если магнит был перемещен через катушку или катушка была перемещена по магниту, в этой катушке был замечен электрический ток. То есть изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле.
Но самое важное открытие совершил датский физик Ханс Кристиан Эрстед: 21 апреля 1820 года во время демонстрации опытов на лекции он заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки. Так впервые была подтверждена взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.
Гомополярный генератор продемонстрировал возможность генерации электроэнергии с использованием магнетизма. Основной закон электромагнетизма, описывающий, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрическим током для создания электродвижущей силы, был сформулирован Майклом Фарадеем. Закон гласит, что индуцированная электродвижущая сила в любом замкнутом контуре равна отрицательному значению скорости изменения времени магнитного потока, заключенного в цепь.
Эти уравнения описывают поведение как электрического, так и магнитного полей и их взаимодействия с веществом. Позже Максвелл вычислил скорость распространения электромагнитного поля. Он понял, что свет и магнетизм имеют одинаковую природу и что свет - электромагнитное поле.
Следующий шаг сделал французский физик Андре Мари Ампер несколько месяцев спустя после знакомства с опытом Эрстеда. Любопытен ход рассуждений этого учёного, изложенных в сообщениях, направленных им одно за другим во Французскую академию наук. Сначала, наблюдая поворот стрелки компаса у проводника с током, Ампер предположил, что магнетизм Земли тоже вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Отсюда им был сделан вывод, что магнитные свойства тела могут быть объяснены циркуляцией внутри него тока. Далее Ампер довольно смело заключил, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него, а магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а просто движением электрических зарядов, т. е. током.
Электромагнетизм продолжает развиваться в 21 веке. За последние несколько десятилетий была разработана стандартная модель физики частиц. Он основан на калибровочных теориях, первой из которых была квантовая электродинамика, описывающая взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитным полем. Позже появилась электрослабая теория, описывающая электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Эта теория описывает электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия и классифицирует все известные субатомные частицы.
Ампер тут же занялся экспериментальным исследованием этого взаимодействия и установил, что проводники с током, текущим в одном направлении притягиваются, а в противоположном - отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не взаимодействуют друг с другом.
Трудно удержаться, чтобы не привести открытый Ампером закон в его собственной формулировке:
Как вы можете видеть, электромагнетизм включен во все эти теории. Устройство, используемое для измерения магнитного потока, называется флюкшером. Он основан на законе магнитной индукции в его интегральной форме. В прошлом механические устройства использовались для измерения магнитного потока. Одним из таких устройств был механический флюксметр. Это был особый тип баллистического гальванометра, в котором управляющий крутящий момент был очень мал, а электромагнитное демпфирование было очень тяжелым.
Его измерительная катушка подвешена без каких-либо восстановительных сил. Катушка поиска была помещена в изменяющееся магнитное поле, а флюксометр обнаружил напряжение в катушке, которое было пропорционально скорости изменения потока. Этот тип флюкметра использовался Вильгельмом Эдуардом Вебером для изучения направления магнитного поля Земли. Механические флюкшеры также использовались для определения суденного магнетизма на морских размагничивающих станциях.
«Сила взаимодействия движущихся зарядов пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и в законе Кулона, но, сверх того, ещё зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения».
Современный флюксметр состоит из катушек и электроники, который оценивает и интегрирует изменение напряжения в катушке для измерения магнитного потока. Измерение изменения магнитного потока требует интеграции напряжения измерительной катушки в течение временного интервала во время измерения. Такая интеграция напряжения катушки может быть выполнена с использованием либо аналоговой интеграции, либо аналого-цифрового или численного интегратора.
Измерительная катушка в флюксере может быть стационарной или движущейся. Для достижения хороших результатов важны механическая жесткость и низкое тепловое расширение опоры, на которой намотана катушка. Техника обмотки катушки также очень важна для получения стабильных и высоко повторяемых результатов. Катушки, используемые в электронных флюометрах, могут быть классифицированы как точечные катушки, катушки линий и площадей и гармонические катушки. Все катушки должны быть правильно откалиброваны, потому что основным источником ошибки в любом флюксере является неопределенная чувствительность измерительной катушки.
Так в физике были открыты фундаментальные силы, зависящие от скоростей.
Но настоящим прорывом в науке об электричестве и магнетизме стало открытие Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции - возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Независимо от Фарадея явление электромагнитной индукции было также открыто Джозефом Генри в 1832 году, попутно открывшим явление самоиндукции.
Катушки калибруются с использованием эталонных магнитов с хорошо известными свойствами. Точечные катушки используются для измерения магнитного поля в малой точке в пространстве. Обычно они наматываются на небольшое ядро. Такие катушки часто изготавливаются в виде шарика. Линейные катушки предназначены для измерения интегрального значения магнитного поля вдоль прямой линии. Их ширина намного меньше их длины. Линейные катушки обычно измеряют небольшую площадь пространства. Зональные катушки предназначены для прокладки большой площади.
Публичная демонстрация Фарадеем 29 августа 1831 года была выполнена на изобретённой им установке, состоящей из вольтова столба, выключателя, железного кольца, на котором были намотаны на противоположных сторонах две одинаковые катушки из медного провода. Одна из катушек через выключатель подключалась к батарее, к концам другой был подключён гальванометр. При включении и отключении тока гальванометр фиксировал появление тока разного направления во второй катушке.
В опытах Фарадея электрический ток, названный индукционным током, появлялся и при внесении магнита внутрь катушки или его выдвижения из катушки, нагруженной на измерительную цепь. Аналогично, ток появлялся и при внесении/выдвижении меньшей катушки с током внутрь/из большой катушки из предыдущего опыта. Причём направление индукционного тока менялось на противоположное при внесении/выдвижении магнита или малой катушки с током в соответствии с правилом, сформулированным русским учёным Эмилем Христиановичем Ленцем. в 1833 году.
На основании произведённых опытов Фарадей вывел закон для электродвижущей силы, впоследствии названный его именем.
Идеи и результаты экспериментов Фарадея были переосмыслены и обобщены другим великим соотечественником - гениальным английским физиком и математиком Джеймсом Клерком Максвеллом - в его четырёх дифференциальных уравнениях электродинамики, названных позднее уравнениями Максвелла.
Надо отметить, что в трёх из четырёх уравнений Максвелла фигурирует магнитная индукция в виде вектора магнитного поля.
Магнитная индукция - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Она определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q , движущийся со скоростью v . Обозначается латинской буквой В (произносится как вектор Б) и сила рассчитывается по формуле:
F = q [v ∙B ]
где F -сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на заряд q ; v - скорость движения заряда; B - индукция магнитного поля; [v × B ] - векторное произведение векторов v и B .
Алгебраически выражение может быть записано в виде:
F = q ∙v ∙B ∙sin α
где α - угол между векторами скорости и магнитной индукции. Направление вектора F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу левой руки.
Магнитная индукция является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
В Международной системе единиц СИ магнитная индукция поля измеряется в теслах (Тл), в системе СГС - в гауссах (Гс)
1 Тл = 10⁴ Гс
С другими величинами измерения магнитной индукции, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.
Измерительные приборы для измерения величины магнитной индукции называются тесламетрами или гауссметрами.
В зависимости от реакции на внешнее магнитное поле, все вещества делятся на три группы:
Термины диамагнетизм и парамагнетизм были введены Фарадеем в 1845 году. Для количественной оценки этих реакций введено понятие магнитной проницаемости. В системе СИ введена абсолютная магнитная проницаемость, измеряемая в Гн/м, и относительная безразмерная магнитная проницаемость, равная отношению проницаемости данной среды к проницаемости вакуума. У диамагнетиков относительная магнитная проницаемость несколько меньше единицы, у парамагнетиков - несколько больше единицы. У ферромагнетиков магнитная проницаемость значительно больше единицы и носит нелинейный характер.
Явление диамагнетизма заключается в способности вещества противодействовать воздействию внешнего магнитного поля за счёт намагничивания против его направления. То есть, диамагнетики отталкиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы диамагнетика приобретают магнитный момент, направленный против внешнего поля.
Явление парамагнетизма заключается в способности вещества намагничиваться при воздействии внешнего магнитного поля. В отличие от диамагнетиков, парамагнетики втягиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы парамагнетика приобретают магнитный момент в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. При снятии поля парамагнетики не сохраняют намагниченность.
Явление ферромагнетизма заключается в способности вещества спонтанно намагничиваться при отсутствии внешнего магнитного поля или намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля и сохранять намагниченность при снятии поля. При этом большинство магнитных моментов атомов, молекул или ионов параллельны друг другу. Такой порядок сохраняется до температур, ниже определённой критической, называемой точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри для данного вещества, ферромагнетики превращаются в парамагнетики.
Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.
Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π 10 ⁻⁷ Гн/м
Как указывалось выше, диамагнитные материалы создают индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего магнитного поля. Диамагнетизм является квантово-механическим эффектом, присущим всем веществам. В парамагнетиках и ферромагнетиках он нивелируется за счёт иных, более сильных, эффектов.
К диамагнетикам относятся, например, такие вещества, как инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор и пиролитический углерод; некоторые металлы - висмут, цинк, медь, золото, серебро. Многие другие неорганические и органические соединения также являются диамагнетиками, в том числе и вода.
В неоднородном магнитном поле диамагнетики смещаются в область более слабого поля. Магнитные силовые линии как бы выталкиваются диамагнитными материалами за пределы тела. На этом свойстве построено явление диамагнитной левитации. В достаточно сильном магнитном поле, создаваемом современными магнитами, возможна левитация не только различных диамагнетиков, но и мелких живых существ, состоящих в основном из воды.
Учёным из Университета Нимингена, Нидерланды, удался опыт по подвешиванию в воздухе лягушки в поле с магнитной индукцией порядка 16 Тл, а исследователям из лаборатории НАСА, использовавшим магнит на сверхпроводниках - левитация мыши, которая, как биологический объект, гораздо ближе к человеку, чем лягушка.
Все проводники проявляют диамагнетизм под действием переменного магнитного поля.
Суть явления состоит в том, что под действием переменного магнитного поля в проводниках индуцируются вихревые токи - токи Фуко - направленные против действия внешнего магнитного поля.
Совершенно иным является взаимодействие магнитного поля с парамагнетиками. Поскольку атомы, молекулы или ионы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом, они выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля. Тем самым создаётся результирующее магнитное поле, превышающее исходное поле.
К парамагнетикам относятся алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы литий, цезий, натрий, магний, вольфрам, а также сплавы этих металлов. Парамагнетиками также являются кислород, оксид азота, оксид марганца, хлорное железо и многие другие химические соединения.
Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, их магнитная проницаемость чуть больше единицы. В неоднородном магнитном поле парамагнетики втягиваются в область более сильного поля. В отсутствие магнитного поля парамагнетики не сохраняют намагниченность, поскольку из-за теплового движения собственные магнитные моменты их атомов, молекул или ионов направлены хаотично.
Благодаря присущему им свойству самопроизвольно намагничиваться, ферромагнетики образуют природные магниты, которые известные человечеству с глубокой древности. Магнитам приписывались магические свойства, их использовали в различных религиозных ритуалах и даже при постройке зданий. Первый прообраз компаса, изобретённый китайцами во втором–первом веках до нашей эры, пытливые пращуры-первооткрыватели использовали для возведения домов согласно правилам фэн-шуй. Использование компаса как средства навигации началось уже в 11 веке для путешествий через пустыни по Великому Шёлковому пути. Позднее применение компаса в морском деле сыграло значительную роль в развитии мореплавания, открытия новых земель и освоения новых морских торговых путей.
Ферромагнетизм является проявлением квантово-механических свойств электронов, обладающих спином, т.е. собственным дипольным магнитным моментом. Проще говоря, электроны ведут себя подобно крошечным магнитикам. На каждой заполненной электронной оболочке атома может находиться только парное число электронов с противоположными спинами, т.е. магнитное поле таких электронов направлено в противоположные стороны. Из-за этого у атомов, имеющих парное число электронов, общий магнитный момент равен нулю, поэтому ферромагнетиками являются только атомы с незаполненной внешней оболочкой, имеющие непарное число электронов.
К ферромагнетикам относятся металлы переходных групп (железо, медь, никель) и редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и эрбий), а также сплавы этих металлов. Ферромагнетиками являются и сплавы вышеперечисленных элементов с неферромагнитными материалами; сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами, а также некоторые из металлов группы актиноидов.
Ферромагнетики имеют значение магнитной проницаемости намного больше единицы; зависимость их намагничивания под действием внешнего магнитного поля носит нелинейный характер и для них характерно проявление гистерезиса - если снять действие магнитного поля, ферромагнетики остаются намагниченными. Чтобы убрать эту остаточную намагниченность, необходимо приложить поле обратного направления.
График зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля H в ферромагнетике, называемый кривой Столетова, показывает, что при нулевой напряженности магнитного поля H = 0 магнитная проницаемость имеет небольшое значение μ₀; затем, по мере роста напряженности, магнитная проницаемость быстро растет до максимума μ max , затем медленно падает до нуля.
Пионером исследования свойств ферромагнетиков был русский физик и химик Александр Столетов. Ныне кривая зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля носит его имя.
Современные ферромагнитные материалы находят широкое применение в науке и технике: многие технологии и приборы основаны на их использовании и на использовании явления магнитной индукции. Например, в вычислительной технике: первые поколения ЭВМ имели память на ферритовых сердечниках, информация хранилась на магнитных лентах, гибких дискетах и жёстких дисках. Впрочем, последние используются в компьютерах до сих пор и выпускаются сотнями миллионов штук в год.
В современном мире существует множество примеров использования магнитной индукции поля, в первую очередь в силовой электротехнике: в генераторах электричества, трансформаторах напряжения, в разнообразных электромагнитных приводах различных устройств, инструментов и механизмов, в измерительной технике и в науке, в различных физических установках для проведения экспериментов, а также в средствах электрической защиты и аварийного отключения.
Английским физиком и математиком Питером Барлоу в 1824 году был описан изобретённый им униполярный двигатель, ставший прообразом современных электродвигателей постоянного тока. Изобретение ценно также тем, что было сделано задолго до открытия явления электромагнитной индукции.
Ныне практически во всех электродвигателях используется сила Ампера, которая действует на контур с током в магнитном поле, заставляя его двигаться.
Ещё Фарадеем для демонстрации явления магнитной индукции в 1831 году была создана экспериментальная установка, важной частью которой было устройство, ныне известное как тороидальный трансформатор. Принцип действия трансформатора Фарадея и сейчас используется во всех современных трансформаторах напряжения и тока вне зависимости от мощности, конструкции и сферы применения.
Помимо этого Фарадей научно обосновал и доказал экспериментально возможность преобразования механического движения в электричество с помощью изобретённого им униполярного генератора постоянного тока, ставшего прототипом всех генераторов постоянного тока.
Первый генератор переменного тока был создан французским изобретателем Ипполитом Пикси в 1832 году. Позднее, по предложению Ампера, он был дополнен коммутационным устройством, которое позволяло получать пульсирующий постоянный ток.
В основе практически всех генераторов электроэнергии, использующих принцип магнитной индукции, лежит возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре, который находится в изменяющемся магнитном поле. При этом либо магнитный ротор вращается относительно неподвижных катушек статора в генераторах переменного тока, либо обмотки ротора вращаются относительно неподвижных магнитов статора (ярма) в генераторах постоянного тока.
Самый мощный генератор в мире, построенный в 2013 году для АЭС «Тайшань» китайской компанией DongFang Electric, может вырабатывать мощность 1750 МВт.
Помимо генераторов и электродвигателей традиционного типа, связанных с преобразованием механической энергии в электрическую энергию и обратно, существуют так называемые магнитогидродинамические генераторы и двигатели, работающие на ином принципе.
Изобретённый американским учёным Дж. Генри электромагнит стал первым исполнительным механизмом на электричестве и предшественником всем знакомого электрического звонка. Позднее на его основе Генри создал электромагнитное реле, которое стало первым автоматическим коммутационным устройством, имеющим бинарное состояние.
Динамический микрофон Shure, используемый в видеостудии сайт
При передаче телеграфного сигнала на большие расстояния реле использовались в качестве усилителей постоянного тока, коммутируя подключение внешних батарей промежуточных станций для дальнейшей передачи сигнала.
В современной аудиотехнике широко применяются электромагнитные динамики, звук в которых появляется из-за взаимодействия подвижной катушки, прикрепленной к диффузору, через которую протекает ток звуковой частоты, с магнитным полем в зазоре неподвижного постоянного магнита. В результате катушка вместе с диффузором движутся и создают звуковые волны.
В динамических микрофонах используется та же конструкция, что и в динамической головке, однако в микрофоне, наоборот, колеблющаяся под воздействием акустического сигнала подвижная катушка с мини-диффузором в зазоре неподвижного постоянного магнита генерирует электрический сигнал звуковой частоты.
Несмотря на обилие современных цифровых измерительных приборов, в технике измерений до сих пор используются приборы магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, ферродинамического и индукционного типов.
Во всех системах вышеперечисленных типов используется принцип взаимодействия магнитных полей либо постоянного магнита с полем катушки с током, либо ферромагнитного сердечника с полями катушек с током, либо магнитных полей катушек с током.
За счёт относительной инерционности таких систем измерений, они применимы для измерений средних значений переменных величин.
Удивительным образом идеи одного человека могут повлиять на последующее развитие человеческого общества в целом. Таким человеком был Майкл Фарадей, не слишком разбирающийся в хитросплетениях современной ему математики, но прекрасно понимающий физический смысл известных к тому времени сведений о природе электричества и магнетизма благодаря выдвинутой им концепции полевых взаимодействий.
Нам нужны не только идеи, по мнению Уилла Стюарта, инженерно-технического института в Великобритании. «Как инженер важно понять, что практично». Тесла был блестящим, но он провел большую часть своего времени, преследуя идею, такую как передача энергии по беспроводной сети, хотя это казалось невозможным. С другой стороны, Эдисону было очень легко убедить людей и превратить их идеи в продукты.
С другой стороны, добавляет Гретер, есть что-то, связанное с неосязаемостью, связанной с Теслой. У Теслы есть единица измерения магнитного поля, которое носит его название. Это признано в Хорватии и Сербии, где есть электростанция, названная так. Любителям технологий это нравится, и на Луне даже есть рок-группа и кратер, называемый Тесла.
Существованию современного общества, основанного на использовании электричества, магнетизма и электродинамики, мы обязаны целой плеяде замечательных учёных. Среди них надо отметить Ампера, Эрстеда, Генри, Гаусса, Вебера, Лоренца и, безусловно, Максвелла. В конечном итоге они свели науку об электричестве и магнетизме в единую картину, которая послужила основой целой когорте изобретателей, создавших своими творениями предпосылки для появления современного информационного общества.
Хотя его репутация не соответствует таковой Эдисона, правда состоит в том, что Тесла стал фигурой культа. Мы окружены магнитами в нашей повседневной жизни больше, чем когда-либо. Магнит в динамике смартфона можно найти в кармане каждого человека. Однако до середины 20-го века в наших домах было всего несколько магнитов - магнит в громкоговорителе радио, телефон и, вероятно, несколько магнитных защелок шкафа. Многие футляры для смартфонов используют магнит в их крышке для управления смартфоном: телефон может ощущать открытую крышку и отображать экран блокировки или экран часов.
Мы живём в окружении электродвигателей и генераторов: они наши первые помощники на производстве, на транспорте и в быту. Любой уважающий себя человек не мыслит существования без холодильника, пылесоса и стиральной машины. В приоритете также микроволновая печь, фен, кофемолка, миксер, блендер и - предел мечтаний - электромясорубка и хлебопечка. Безусловно, кондиционер тоже страшно полезная штука, но если нет средств для его приобретения, то сойдёт и простой вентилятор.
У некоторых мужчин запросы несколько скромнее: пределом мечтаний самого неумелого мужчины является электродрель. Некоторые из нас, безуспешно пытаясь завести автомобиль в сорокаградусный мороз и безнадежно терзая стартер (тоже электродвигатель), втайне мечтают о приобретении машины производства Tesla Motors на электродвигателях и аккумуляторах, чтобы забыть навсегда о проблемах бензиновых и дизельных моторов.
Прежде чем мы начнем говорить о магнитном потоке, мы должны поговорить о двух векторных полях, описывающих магнитное поле. В платном пространстве эти два векторных поля связаны следующим уравнением. Магнитное поле может быть определено и описано несколькими способами в зависимости от его влияния на окружающую среду. Это часто определяется силой, которую она оказывает на перемещение заряженных частиц, что называется силой Лоренца. Это сочетание электрической и магнитной силы на точечном заряде, помещенном в магнитное поле.
Электродвигатели повсюду: они поднимают нас в лифте, они перевозят нас в метро, электричках, трамваях, троллейбусах и скоростных поездах. Они доставляют нам воду на этажи небоскрёбов, приводят в действие фонтаны, откачивают воду из шахт и колодцев, прокатывают сталь, поднимают тяжести, работая в различных кранах. И делают очень много других полезных дел, приводя в движение станки, инструменты и механизмы.
Здесь х обозначает векторное произведение. Это Н-поле генерируется изменением электрических полей. На английском языке Н-поле также называют напряженностью магнитного поля, напряженностью магнитного поля, магнитным полем и магнитным полем, что довольно запутанно. Поскольку число линий магнитного поля, проходящих через любую небольшую область, обычно различно, магнитный поток является продуктом среднего магнитного поля и области, нормальной к линиям магнитного поля, которые проникают в нее. Для более сложного случая, когда площадь является плоской поверхностью и она не является нормалью к магнитному полю, мы можем использовать выражение.
Даже экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями и для военных выполнены с использованием электродвигателей, не говоря уже о целой армии промышленных и исследовательских роботов.
Сегодня электродвигатели трудятся в космосе - достаточно вспомнить марсоход Curiosity. Они трудятся на земле, под землёй, на воде, под водой и даже в воздухе - не сегодня, так завтра (статья написана в ноябре 2015 г.) самолёт Solar Impulse 2 наконец-то закончит своё кругосветное путешествие, а беспилотным летательным аппаратам на электродвигателях уж просто несть числа. Недаром вполне серьёзные корпорации сейчас трудятся над сервисами доставки почтовых отправлений с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Из этого выражения видно, что если тестовая поверхность расположена параллельно линиям магнитного поля, то полученный магнитный поток будет равен нулю. В то же время наибольший поток может быть получен, если поверхность перпендикулярна линиям магнитного поля.
Это выражение показывает, что любое устройство для измерения магнитного потока должно содержать механический или электронный интегратор. В этой статье мы обсудим устройства для измерения магнитного потока. Магнитный поток - полезный инструмент для описания эффектов магнитных сил на объекты, занимающие данную область, например, трансформаторы, электрические генераторы или соленоиды. Он используется инженерами-электриками для проведения расчетов для систем с электромагнитами и генераторами и физиками, разрабатывающими ускорители частиц.
Построенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта химическая батарея, названная впоследствии по имени изобретателя «вольтов столб», воистину оказалась «рогом изобилия» для учёных. Она позволяла приводить в движение электрические заряды в проводниках, то есть создавать электрический ток. Новые открытия с использованием вольтова столба непрерывно следовали одно за другим в различных областях физики и химии.
Заметим, что из-за закона Гаусса для магнетизма сумма магнитного потока для замкнутой поверхности всегда равна нулю. Заметим также, что мы можем использовать площадь любого размера и ориентировать ее каким-либо образом относительно магнитного поля. Если полевые линии проходят через заданную область под углом, только магнитное поле будет способствовать магнитному потоку. Только часть поля, которая является нормальной для нашей тестовой зоны, включена в расчет магнитного потока.
Понимание отношений между электричеством и магнетизмом началось с работ датского физика и химика Ганса Христиана Эрстеда, который обнаружил, что электрические токи создают магнитные поля. Он применил математику, чтобы лучше понять это явление. Результат этих исследований теперь называется силовым законом Ампера. Самый известный и простой пример этого закона гласит, что взаимное действие двух параллельных проводов с электрическим током пропорционально их длине и величинам тока в них.
Например, английский учёный сэр Гемфри Дэви в 1807 году, изучая электролиз расплавов гидроксидов натрия и калия, получил металлический натрий и калий. Ранее, в 1801году, он же открыл электрическую дугу, хотя русские считают её первооткрывателем Василия Владимировича Петрова. Петров в 1802 году описал не только саму дугу, но и возможности её практического применения для целей плавки, сварки металлов и восстановления их из руд, а также освещения.
Английский ученый Майкл Фарадей внес важный вклад в изучение электромагнетизма. Позже он обнаружил взаимную индукцию, используя две изолированные катушки, обернутые вокруг железного кольца. Устройство напоминало современный тороидальный трансформатор. Когда в одной катушке пролетал ток, в другой катушке индуцировался мгновенный ток. Впоследствии он обнаружил, что если магнит был перемещен через катушку или катушка была перемещена по магниту, в этой катушке был замечен электрический ток. То есть изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле.
Но самое важное открытие совершил датский физик Ханс Кристиан Эрстед: 21 апреля 1820 года во время демонстрации опытов на лекции он заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки. Так впервые была подтверждена взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.
Следующий шаг сделал французский физик Андре Мари Ампер несколько месяцев спустя после знакомства с опытом Эрстеда. Любопытен ход рассуждений этого учёного, изложенных в сообщениях, направленных им одно за другим во Французскую академию наук. Сначала, наблюдая поворот стрелки компаса у проводника с током, Ампер предположил, что магнетизм Земли тоже вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Отсюда им был сделан вывод, что магнитные свойства тела могут быть объяснены циркуляцией внутри него тока. Далее Ампер довольно смело заключил, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него, а магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а просто движением электрических зарядов, т. е. током.
Электромагнетизм продолжает развиваться в 21 веке. За последние несколько десятилетий была разработана стандартная модель физики частиц. Он основан на калибровочных теориях, первой из которых была квантовая электродинамика, описывающая взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитным полем. Позже появилась электрослабая теория, описывающая электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Эта теория описывает электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия и классифицирует все известные субатомные частицы.
Ампер тут же занялся экспериментальным исследованием этого взаимодействия и установил, что проводники с током, текущим в одном направлении притягиваются, а в противоположном - отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не взаимодействуют друг с другом.
Трудно удержаться, чтобы не привести открытый Ампером закон в его собственной формулировке:
Как вы можете видеть, электромагнетизм включен во все эти теории. Устройство, используемое для измерения магнитного потока, называется флюкшером. Он основан на законе магнитной индукции в его интегральной форме. В прошлом механические устройства использовались для измерения магнитного потока. Одним из таких устройств был механический флюксметр. Это был особый тип баллистического гальванометра, в котором управляющий крутящий момент был очень мал, а электромагнитное демпфирование было очень тяжелым.
Его измерительная катушка подвешена без каких-либо восстановительных сил. Катушка поиска была помещена в изменяющееся магнитное поле, а флюксометр обнаружил напряжение в катушке, которое было пропорционально скорости изменения потока. Этот тип флюкметра использовался Вильгельмом Эдуардом Вебером для изучения направления магнитного поля Земли. Механические флюкшеры также использовались для определения суденного магнетизма на морских размагничивающих станциях.
«Сила взаимодействия движущихся зарядов пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и в законе Кулона, но, сверх того, ещё зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения».
Так в физике были открыты фундаментальные силы, зависящие от скоростей.
Но настоящим прорывом в науке об электричестве и магнетизме стало открытие Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции - возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Независимо от Фарадея явление электромагнитной индукции было также открыто Джозефом Генри в 1832 году, попутно открывшим явление самоиндукции.
Катушки калибруются с использованием эталонных магнитов с хорошо известными свойствами. Точечные катушки используются для измерения магнитного поля в малой точке в пространстве. Обычно они наматываются на небольшое ядро. Такие катушки часто изготавливаются в виде шарика. Линейные катушки предназначены для измерения интегрального значения магнитного поля вдоль прямой линии. Их ширина намного меньше их длины. Линейные катушки обычно измеряют небольшую площадь пространства. Зональные катушки предназначены для прокладки большой площади.
Публичная демонстрация Фарадеем 29 августа 1831 года была выполнена на изобретённой им установке, состоящей из вольтова столба, выключателя, железного кольца, на котором были намотаны на противоположных сторонах две одинаковые катушки из медного провода. Одна из катушек через выключатель подключалась к батарее, к концам другой был подключён гальванометр. При включении и отключении тока гальванометр фиксировал появление тока разного направления во второй катушке.
В опытах Фарадея электрический ток, названный индукционным током, появлялся и при внесении магнита внутрь катушки или его выдвижения из катушки, нагруженной на измерительную цепь. Аналогично, ток появлялся и при внесении/выдвижении меньшей катушки с током внутрь/из большой катушки из предыдущего опыта. Причём направление индукционного тока менялось на противоположное при внесении/выдвижении магнита или малой катушки с током в соответствии с правилом, сформулированным русским учёным Эмилем Христиановичем Ленцем. в 1833 году.
На основании произведённых опытов Фарадей вывел закон для электродвижущей силы, впоследствии названный его именем.
Идеи и результаты экспериментов Фарадея были переосмыслены и обобщены другим великим соотечественником - гениальным английским физиком и математиком Джеймсом Клерком Максвеллом - в его четырёх дифференциальных уравнениях электродинамики, названных позднее уравнениями Максвелла.
Надо отметить, что в трёх из четырёх уравнений Максвелла фигурирует магнитная индукция в виде вектора магнитного поля.
Магнитная индукция - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Она определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q , движущийся со скоростью v . Обозначается латинской буквой В (произносится как вектор Б) и сила рассчитывается по формуле:
F = q [v ∙B ]
где F -сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на заряд q ; v - скорость движения заряда; B - индукция магнитного поля; [v × B ] - векторное произведение векторов v и B .
Алгебраически выражение может быть записано в виде:
F = q ∙v ∙B ∙sin α
где α - угол между векторами скорости и магнитной индукции. Направление вектора F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу левой руки.
Магнитная индукция является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
В Международной системе единиц СИ магнитная индукция поля измеряется в теслах (Тл), в системе СГС - в гауссах (Гс)
1 Тл = 10⁴ Гс
С другими величинами измерения магнитной индукции, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.
Измерительные приборы для измерения величины магнитной индукции называются тесламетрами или гауссметрами.
В зависимости от реакции на внешнее магнитное поле, все вещества делятся на три группы:
Термины диамагнетизм и парамагнетизм были введены Фарадеем в 1845 году. Для количественной оценки этих реакций введено понятие магнитной проницаемости. В системе СИ введена абсолютная магнитная проницаемость, измеряемая в Гн/м, и относительная безразмерная магнитная проницаемость, равная отношению проницаемости данной среды к проницаемости вакуума. У диамагнетиков относительная магнитная проницаемость несколько меньше единицы, у парамагнетиков - несколько больше единицы. У ферромагнетиков магнитная проницаемость значительно больше единицы и носит нелинейный характер.
Явление диамагнетизма заключается в способности вещества противодействовать воздействию внешнего магнитного поля за счёт намагничивания против его направления. То есть, диамагнетики отталкиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы диамагнетика приобретают магнитный момент, направленный против внешнего поля.
Явление парамагнетизма заключается в способности вещества намагничиваться при воздействии внешнего магнитного поля. В отличие от диамагнетиков, парамагнетики втягиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы парамагнетика приобретают магнитный момент в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. При снятии поля парамагнетики не сохраняют намагниченность.
Явление ферромагнетизма заключается в способности вещества спонтанно намагничиваться при отсутствии внешнего магнитного поля или намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля и сохранять намагниченность при снятии поля. При этом большинство магнитных моментов атомов, молекул или ионов параллельны друг другу. Такой порядок сохраняется до температур, ниже определённой критической, называемой точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри для данного вещества, ферромагнетики превращаются в парамагнетики.
Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.
Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π 10 ⁻⁷ Гн/м
Как указывалось выше, диамагнитные материалы создают индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего магнитного поля. Диамагнетизм является квантово-механическим эффектом, присущим всем веществам. В парамагнетиках и ферромагнетиках он нивелируется за счёт иных, более сильных, эффектов.
К диамагнетикам относятся, например, такие вещества, как инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор и пиролитический углерод; некоторые металлы - висмут, цинк, медь, золото, серебро. Многие другие неорганические и органические соединения также являются диамагнетиками, в том числе и вода.
В неоднородном магнитном поле диамагнетики смещаются в область более слабого поля. Магнитные силовые линии как бы выталкиваются диамагнитными материалами за пределы тела. На этом свойстве построено явление диамагнитной левитации. В достаточно сильном магнитном поле, создаваемом современными магнитами, возможна левитация не только различных диамагнетиков, но и мелких живых существ, состоящих в основном из воды.
Учёным из Университета Нимингена, Нидерланды, удался опыт по подвешиванию в воздухе лягушки в поле с магнитной индукцией порядка 16 Тл, а исследователям из лаборатории НАСА, использовавшим магнит на сверхпроводниках - левитация мыши, которая, как биологический объект, гораздо ближе к человеку, чем лягушка.
Все проводники проявляют диамагнетизм под действием переменного магнитного поля.
Суть явления состоит в том, что под действием переменного магнитного поля в проводниках индуцируются вихревые токи - токи Фуко - направленные против действия внешнего магнитного поля.
Совершенно иным является взаимодействие магнитного поля с парамагнетиками. Поскольку атомы, молекулы или ионы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом, они выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля. Тем самым создаётся результирующее магнитное поле, превышающее исходное поле.
К парамагнетикам относятся алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы литий, цезий, натрий, магний, вольфрам, а также сплавы этих металлов. Парамагнетиками также являются кислород, оксид азота, оксид марганца, хлорное железо и многие другие химические соединения.
Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, их магнитная проницаемость чуть больше единицы. В неоднородном магнитном поле парамагнетики втягиваются в область более сильного поля. В отсутствие магнитного поля парамагнетики не сохраняют намагниченность, поскольку из-за теплового движения собственные магнитные моменты их атомов, молекул или ионов направлены хаотично.
Благодаря присущему им свойству самопроизвольно намагничиваться, ферромагнетики образуют природные магниты, которые известные человечеству с глубокой древности. Магнитам приписывались магические свойства, их использовали в различных религиозных ритуалах и даже при постройке зданий. Первый прообраз компаса, изобретённый китайцами во втором–первом веках до нашей эры, пытливые пращуры-первооткрыватели использовали для возведения домов согласно правилам фэн-шуй. Использование компаса как средства навигации началось уже в 11 веке для путешествий через пустыни по Великому Шёлковому пути. Позднее применение компаса в морском деле сыграло значительную роль в развитии мореплавания, открытия новых земель и освоения новых морских торговых путей.
Ферромагнетизм является проявлением квантово-механических свойств электронов, обладающих спином, т.е. собственным дипольным магнитным моментом. Проще говоря, электроны ведут себя подобно крошечным магнитикам. На каждой заполненной электронной оболочке атома может находиться только парное число электронов с противоположными спинами, т.е. магнитное поле таких электронов направлено в противоположные стороны. Из-за этого у атомов, имеющих парное число электронов, общий магнитный момент равен нулю, поэтому ферромагнетиками являются только атомы с незаполненной внешней оболочкой, имеющие непарное число электронов.
К ферромагнетикам относятся металлы переходных групп (железо, медь, никель) и редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и эрбий), а также сплавы этих металлов. Ферромагнетиками являются и сплавы вышеперечисленных элементов с неферромагнитными материалами; сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами, а также некоторые из металлов группы актиноидов.
Ферромагнетики имеют значение магнитной проницаемости намного больше единицы; зависимость их намагничивания под действием внешнего магнитного поля носит нелинейный характер и для них характерно проявление гистерезиса - если снять действие магнитного поля, ферромагнетики остаются намагниченными. Чтобы убрать эту остаточную намагниченность, необходимо приложить поле обратного направления.
График зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля H в ферромагнетике, называемый кривой Столетова, показывает, что при нулевой напряженности магнитного поля H = 0 магнитная проницаемость имеет небольшое значение μ₀; затем, по мере роста напряженности, магнитная проницаемость быстро растет до максимума μ max , затем медленно падает до нуля.
Пионером исследования свойств ферромагнетиков был русский физик и химик Александр Столетов. Ныне кривая зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля носит его имя.
Современные ферромагнитные материалы находят широкое применение в науке и технике: многие технологии и приборы основаны на их использовании и на использовании явления магнитной индукции. Например, в вычислительной технике: первые поколения ЭВМ имели память на ферритовых сердечниках, информация хранилась на магнитных лентах, гибких дискетах и жёстких дисках. Впрочем, последние используются в компьютерах до сих пор и выпускаются сотнями миллионов штук в год.
В современном мире существует множество примеров использования магнитной индукции поля, в первую очередь в силовой электротехнике: в генераторах электричества, трансформаторах напряжения, в разнообразных электромагнитных приводах различных устройств, инструментов и механизмов, в измерительной технике и в науке, в различных физических установках для проведения экспериментов, а также в средствах электрической защиты и аварийного отключения.
Английским физиком и математиком Питером Барлоу в 1824 году был описан изобретённый им униполярный двигатель, ставший прообразом современных электродвигателей постоянного тока. Изобретение ценно также тем, что было сделано задолго до открытия явления электромагнитной индукции.
Ныне практически во всех электродвигателях используется сила Ампера, которая действует на контур с током в магнитном поле, заставляя его двигаться.
Ещё Фарадеем для демонстрации явления магнитной индукции в 1831 году была создана экспериментальная установка, важной частью которой было устройство, ныне известное как тороидальный трансформатор. Принцип действия трансформатора Фарадея и сейчас используется во всех современных трансформаторах напряжения и тока вне зависимости от мощности, конструкции и сферы применения.
Помимо этого Фарадей научно обосновал и доказал экспериментально возможность преобразования механического движения в электричество с помощью изобретённого им униполярного генератора постоянного тока, ставшего прототипом всех генераторов постоянного тока.
Первый генератор переменного тока был создан французским изобретателем Ипполитом Пикси в 1832 году. Позднее, по предложению Ампера, он был дополнен коммутационным устройством, которое позволяло получать пульсирующий постоянный ток.
В основе практически всех генераторов электроэнергии, использующих принцип магнитной индукции, лежит возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре, который находится в изменяющемся магнитном поле. При этом либо магнитный ротор вращается относительно неподвижных катушек статора в генераторах переменного тока, либо обмотки ротора вращаются относительно неподвижных магнитов статора (ярма) в генераторах постоянного тока.
Самый мощный генератор в мире, построенный в 2013 году для АЭС «Тайшань» китайской компанией DongFang Electric, может вырабатывать мощность 1750 МВт.
Помимо генераторов и электродвигателей традиционного типа, связанных с преобразованием механической энергии в электрическую энергию и обратно, существуют так называемые магнитогидродинамические генераторы и двигатели, работающие на ином принципе.
Изобретённый американским учёным Дж. Генри электромагнит стал первым исполнительным механизмом на электричестве и предшественником всем знакомого электрического звонка. Позднее на его основе Генри создал электромагнитное реле, которое стало первым автоматическим коммутационным устройством, имеющим бинарное состояние.
Динамический микрофон Shure, используемый в видеостудии сайт
При передаче телеграфного сигнала на большие расстояния реле использовались в качестве усилителей постоянного тока, коммутируя подключение внешних батарей промежуточных станций для дальнейшей передачи сигнала.
В современной аудиотехнике широко применяются электромагнитные динамики, звук в которых появляется из-за взаимодействия подвижной катушки, прикрепленной к диффузору, через которую протекает ток звуковой частоты, с магнитным полем в зазоре неподвижного постоянного магнита. В результате катушка вместе с диффузором движутся и создают звуковые волны.
В динамических микрофонах используется та же конструкция, что и в динамической головке, однако в микрофоне, наоборот, колеблющаяся под воздействием акустического сигнала подвижная катушка с мини-диффузором в зазоре неподвижного постоянного магнита генерирует электрический сигнал звуковой частоты.
Несмотря на обилие современных цифровых измерительных приборов, в технике измерений до сих пор используются приборы магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, ферродинамического и индукционного типов.
Во всех системах вышеперечисленных типов используется принцип взаимодействия магнитных полей либо постоянного магнита с полем катушки с током, либо ферромагнитного сердечника с полями катушек с током, либо магнитных полей катушек с током.
За счёт относительной инерционности таких систем измерений, они применимы для измерений средних значений переменных величин.
