¿Cuál es la relación entre la electricidad y el magnetismo?
El descubrimiento de la electricidad y los campos magnéticos
1. El experimento de Oersted
La inducción electromagnética es uno de los descubrimientos más apasionantes y grandes de la humanidad. Su descubrimiento impulsó. La invención de los generadores y los motores eléctricos llevó a la humanidad a la era eléctrica y promovió en gran medida el proceso de civilización social humana.
Hace ya dos mil años, el hombre descubrió la electricidad y el magnetismo. La gente ha imaginado que existe alguna conexión interna entre varios fenómenos del universo, incluidos la electricidad y el magnetismo. Sin embargo, durante mucho tiempo la gente no se dio cuenta de la conexión intrínseca entre la electricidad y el magnetismo.
¿Están relacionados la electricidad y el magnetismo? Esta fue una vez una pregunta negada por grandes científicos como Ampere y Biot. Oersted quiso intentarlo porque creía que fenómenos como la electricidad, el magnetismo, la luz y el calor estaban intrínsecamente relacionados entre sí. En particular, Franklin descubrió que la descarga de una jarra de Leyden podía magnetizar una aguja de acero, lo que fortaleció su poder. creencia.
Hasta 1807, el físico danés Oersted realizó un famoso experimento: descubrió que si una pequeña aguja magnética se acercaba a un conductor que transportaba corriente, la pequeña aguja magnética se desviaría. Este experimento reveló científicamente por primera vez la relación entre la electricidad y el magnetismo. Cuando pasó corriente por un cable colocado en dirección norte-sur, la pequeña aguja magnética cerca del cable se desvió, con su polo N girando hacia el oeste y su polo S girando hacia el este. Esto muestra que se generará un campo magnético alrededor del cable con corriente que fluye a través de él. La pequeña aguja magnética será desviada por la fuerza del campo magnético.
El experimento descubrió además que cuanto mayor sea la corriente que pasa a través del cable, o cuanto más cerca esté la aguja magnética del cable energizado, más fuerte será el efecto de desviación. Si se cambia la dirección de la corriente en el cable, la dirección de desviación de la aguja magnética también cambiará y será opuesta a la dirección original.
Además, cuando la corriente pasa a través de un cable, puede generar un campo magnético alrededor del cable. Si una batería seca se cortocircuita con un cable de cobre, varios amperios de corriente fluirán a través del cable y luego el cable se coloca en polvo de hierro. En este momento, si la batería seca y el cable se levantan rápidamente, encontrará. que se adsorbe una gran cantidad de polvo de hierro en el alambre. Una vez que se rompe el circuito, el polvo de hierro caerá. Esto muestra que la fuerza magnética que atrae el polvo de hierro es causada por la corriente eléctrica.
2. Campo magnético que rodea un cable por el que circula corriente
En 1882, después de que Oersted descubriera la existencia de un campo magnético alrededor de un conductor por el que circula corriente, el físico francés Ampère determinó la forma. del campo magnético alrededor de un cable por el que circula corriente. Pasó un grueso alambre de cobre verticalmente por el centro de un trozo de cartón y roció uniformemente una capa de fino polvo de hierro sobre el cartón. Cuando los dos extremos del cable de cobre estén conectados a los terminales positivo y negativo de la batería, golpee suavemente el cartón con la mano y el polvo de hierro espolvoreado sobre el cartón se dispondrá en círculos concéntricos alrededor del cable. Además, cuanto más cerca del punto por donde pasa el alambre, más denso está el polvo de hierro. Esto muestra que cuanto más cerca del cable, más fuerte es el campo magnético. Otro ejemplo es colocar muchas agujas magnéticas pequeñas sobre el papel. Puedes ver que las agujas magnéticas siempre descansan en una posición tangente a la circunferencia. Cuando la corriente fluye a través del cable de arriba a abajo, el polo N de la pequeña aguja magnética siempre "gira" hacia la derecha vista desde el frente. Si se cambia la dirección de la corriente para que fluya a través del cable vertical de abajo hacia arriba, en este momento, aunque la aguja magnética todavía está estacionaria en una posición tangente a la circunferencia, su polo N apunta en la dirección opuesta a la dirección antes mencionada. De acuerdo con esta ley, Ampere propuso una regla para determinar la dirección de las líneas del campo magnético alrededor de un conductor rectilíneo, que es la famosa regla de Ampere.
La energía magnética genera electricidad
La corriente puede producir un campo magnético, y a su vez el campo magnético tiene un efecto sobre la corriente. La electricidad y el magnetismo no son dos fenómenos aislados. relación inseparable entre corriente y campo magnético. Sobre esta base. Los científicos han descubierto a través de experimentos que cuando un conductor está en un campo magnético cambiante, generará fuerza electromotriz, que es el fenómeno que la gente suele llamar "magnetismo generando electricidad", que se llama inducción electromagnética.
Para generar corriente eléctrica, primero se debe tener un "conductor". Si el campo magnético cambia rápidamente cerca de este conductor, se puede generar electricidad en el conductor. Es decir, cuando el campo magnético cambia, también se puede considerar que los electrones libres en el conductor se mueven.
Mientras el cable y el campo magnético se muevan entre sí, se puede generar corriente, ya sea por el movimiento del cable o del imán. Sin embargo, si el movimiento es demasiado lento, la corriente será tan pequeña que será casi imperceptible, y deberá moverse rápidamente (haciendo que las líneas del campo magnético cambien rápidamente) para generar electricidad.
El movimiento de cables en un campo magnético se llama "cortar líneas magnéticas para generar electricidad", es decir, "generar electricidad a partir del magnetismo".
La dirección del voltaje que genera (la dirección de la fuerza electromotriz) se puede juzgar con los tres dedos de la mano derecha: estire la mano derecha de modo que el pulgar, el índice y el dedo medio formen ángulos rectos entre sí. Si el pulgar representa la dirección del movimiento del cable y el dedo índice representa la dirección de las líneas del campo magnético desde el polo N al polo S, entonces el dedo medio representa la dirección de la fuerza electromotriz.
Esta ley se conoce comúnmente como la regla de la mano derecha, de manera similar, también está unificada con la regla de la espiral de la mano derecha que mencionamos anteriormente. Este principio en sí es fácil de probar, pero porque implica algo más. Conceptos matemáticos complejos, no los explicaremos en profundidad aquí. De hecho, muchos problemas de física están unificados, por lo que cuanto más conocimiento sepamos, más simple y refinada será la física.
A través de experimentos, también podemos saber que incluso si el conductor y el campo magnético no se mueven, siempre que cambie el número de líneas magnéticas que pasan por el circuito cerrado, habrá corriente en el circuito. Este fenómeno de generar electricidad en un cable debido a cambios en las líneas del campo magnético se llama inducción electromagnética. La fuerza electromotriz (voltaje) se llama fuerza electromotriz inducida (voltaje inducido) y la corriente generada se llama corriente inducida.
El fenómeno de la inducción electromagnética fue descubierto por el científico británico Faraday en 1831 y se ha convertido en la base de la ingeniería eléctrica moderna. Todos los generadores modernos se fabrican por inducción electromagnética.
Cuando un conductor se mueve en un campo magnético, puede producir corriente eléctrica. Cuando un cable portador de corriente se coloca en un campo magnético, también provocará movimiento. A partir de las tres leyes cinemáticas de Newton, podemos saber que un objeto estacionario nunca se moverá sin ningún motivo. Para cambiar de un estado estacionario a un estado en movimiento, una fuerza debe actuar sobre él. Evidentemente, esta fuerza es generada por el campo magnético. Para un cable que transporta corriente, esta fuerza se llama fuerza en amperios. La fuerza en amperios es proporcional a la intensidad de la corriente en el cable, la intensidad del campo magnético y la longitud del cable en el campo magnético.
La fuerza electromotriz inducida se puede generar mediante los siguientes métodos:
(1) Hacer que el conductor se mueva en el campo magnético para cortar las líneas de fuerza magnéticas, de modo que las líneas magnéticas de corte por fuerza el conductor, como un generador de CC.
(2) Un campo magnético alrededor de un cable en movimiento, como un alternador.
(3) El campo magnético alterno pasa a través de la bobina para generar una fuerza electromotriz inducida, como un transformador y otros equipos estacionarios.
El fenómeno de la inducción electromagnética tiene un amplísimo abanico de aplicaciones tanto en tecnología eléctrica como en tecnología electrónica. En la vida real, existen fenómenos electromagnéticos coloridos y en constante cambio. Por ejemplo, ¿por qué un generador genera electricidad? ¿Por qué un transformador puede cambiar de voltaje? ¿Por qué pueden girar los motores de inducción? ¿Por qué las antenas de radio pueden recibir ondas electromagnéticas? ¿Por qué las lámparas fluorescentes necesitan estar equipadas con un balastro? Para responder a esta serie de preguntas, es necesario comprender los conocimientos relevantes de la inducción electromagnética.
Ya sea el mundo físico o el mundo magnético, sus connotaciones son muy ricas, sus aplicaciones son muy amplias y su desarrollo futuro también está lleno de perspectivas brillantes. Vivimos en el mundo físico y en el mundo magnético. No sólo debemos esforzarnos por comprenderlos, sino también esforzarnos por utilizarlos y transformarlos para promover el progreso científico, el desarrollo social y la prosperidad de la civilización humana.
Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas, también conocidas como radiación electromagnética, son campos eléctricos y magnéticos que oscilan en fase y son perpendiculares entre sí y se mueven en forma de ondas en el espacio. , y su dirección de propagación es perpendicular a los campos eléctrico y magnético. El plano formado transfiere efectivamente energía y momento. La radiación electromagnética se puede clasificar según su frecuencia, desde baja frecuencia hasta alta frecuencia, incluyendo ondas de radio, microondas, rayos infrarrojos, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma, etc. La radiación electromagnética que puede recibir el ojo humano tiene una longitud de onda de entre 380 y 780 nanómetros aproximadamente y se denomina luz visible. Siempre que el objeto en sí tenga una temperatura superior al cero absoluto, puede emitir radiación electromagnética y no hay ningún objeto en el mundo con una temperatura igual o inferior al cero absoluto.