L'induction magnétique du système si a une dimension. Induction magnétique et flux magnétique

informations générales

De manière surprenante, les idées d'une personne peuvent influencer son développement ultérieur. Société humaine généralement. Une telle personne était Michael Faraday, pas trop versé dans les subtilités des mathématiques contemporaines, mais comprenant parfaitement la signification physique des informations connues à cette époque sur la nature de l'électricité et du magnétisme grâce au concept d'interactions de champ proposé par lui.

Existence la société moderne basée sur l'utilisation de l'électricité, du magnétisme et de l'électrodynamique, on doit toute une galaxie de scientifiques remarquables. Parmi eux, Ampere, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz et, bien sûr, Maxwell. En fin de compte, ils ont réuni la science de l'électricité et du magnétisme en une seule image, qui a servi de base à toute une cohorte d'inventeurs qui ont créé les conditions préalables à l'émergence d'une société de l'information moderne avec leurs créations.

Nous vivons entourés de moteurs électriques et de générateurs : ce sont nos premiers assistants dans la production, le transport et à la maison. Toute personne qui se respecte ne peut imaginer l'existence sans réfrigérateur, aspirateur et Machine à laver... La priorité est également un four à micro-ondes, un sèche-cheveux, un moulin à café, un mixeur, un mixeur et - le rêve ultime - un hachoir à viande électrique et une machine à pain. Bien sûr, un climatiseur est aussi une chose terriblement utile, mais s'il n'y a pas de fonds pour l'acheter, un simple ventilateur fera l'affaire.

Pour certains hommes, les demandes sont un peu plus modestes : une perceuse électrique est le rêve ultime de l'homme le plus inepte. Certains d'entre nous, essayant sans succès de démarrer la voiture dans un gel de quarante degrés et tourmentant désespérément le démarreur (également un moteur électrique), rêvent secrètement d'acheter une voiture Tesla Motors avec des moteurs électriques et des batteries afin d'oublier à jamais les problèmes d'essence et moteurs diesel.

Les moteurs électriques sont partout : ils nous soulèvent dans l'ascenseur, ils nous transportent dans le métro, les trains électriques, les tramways, les trolleybus et les trains à grande vitesse. Ils nous livrent de l'eau aux étages des gratte-ciel, activent des fontaines, pompent l'eau des mines et des puits, roulent de l'acier, soulèvent des poids, travaillent dans divers robinets. Et ils font beaucoup d'autres choses utiles, mettant en mouvement des machines, des outils et des mécanismes.

Même les exosquelettes pour les personnes atteintes handicapées et pour les militaires sont fabriqués à l'aide de moteurs électriques, sans oublier toute une armée de robots industriels et de recherche.

Aujourd'hui, les moteurs électriques fonctionnent dans l'espace - rappelez-vous simplement le rover Curiosity. Ils travaillent sur terre, sous terre, sur l'eau, sous l'eau et même dans les airs - pas aujourd'hui, donc demain (l'article a été écrit en novembre 2015) l'avion Solar Impulse 2 finira enfin son voyage autour du monde, et les véhicules aériens sans pilote propulsés par des moteurs électriques sont tout simplement innombrables. Ce n'est pas sans raison que des entreprises assez sérieuses travaillent maintenant sur des services de livraison du courrier à l'aide de véhicules aériens sans pilote.

Référence historique

La batterie chimique construite en 1800 par le physicien italien Alessandro Volta, plus tard nommé d'après l'inventeur du "pilier voltaïque", s'est avérée être une véritable "corne d'abondance" pour les scientifiques. Elle a permis de mettre en mouvement des charges électriques dans les conducteurs, c'est-à-dire de créer électricité... De nouvelles découvertes avec l'utilisation d'un pilier voltaïque se succèdent continuellement dans divers domaines de la physique et de la chimie.

Par exemple, le scientifique anglais Sir Humphrey Davy en 1807, étudiant l'électrolyse des masses fondues d'hydroxydes de sodium et de potassium, a obtenu du sodium et du potassium métalliques. Plus tôt, en 1801, il a également découvert l'arc électrique, bien que les Russes le considèrent comme le découvreur de Vasily Vladimirovich Petrov. Petrov en 1802 a décrit non seulement l'arc lui-même, mais aussi les possibilités de son application pratiqueà des fins de fonte, de soudage des métaux et de leur récupération à partir de minerais, ainsi que d'éclairage.

Mais la découverte la plus importante a été faite par le physicien danois Hans Christian Oersted : le 21 avril 1820, lors d'une démonstration d'expériences lors d'une conférence, il a remarqué une déviation de l'aiguille d'un compas magnétique lorsque le courant électrique circulant dans un conducteur dans la forme d'un fil a été allumée et éteinte. C'était la première fois que la relation entre l'électricité et le magnétisme était confirmée.

L'étape suivante a été franchie par le physicien français André Marie Ampère quelques mois après avoir pris connaissance de l'expérience d'Oersted. Curieux est le cours du raisonnement de ce scientifique, exposé dans les messages qu'il envoie les uns après les autres à l'Académie des sciences. Au début, en observant la rotation de l'aiguille de la boussole sur un conducteur avec du courant, Ampère a suggéré que le magnétisme de la terre était également causé par des courants circulant autour de la terre dans la direction d'ouest en est. De là, il conclut que les propriétés magnétiques du corps peuvent s'expliquer par la circulation du courant à l'intérieur de celui-ci. De plus, Ampere a conclu assez hardiment que les propriétés magnétiques de tout corps sont déterminées par des courants électriques fermés à l'intérieur, et que l'interaction magnétique n'est pas due à des charges magnétiques spéciales, mais simplement au mouvement des charges électriques, c'est-à-dire du courant.

Ampère a immédiatement pris étude expérimentale cette interaction et a constaté que les conducteurs avec un courant circulant dans une direction sont attirés, et dans la direction opposée, ils sont repoussés. Les conducteurs mutuellement perpendiculaires n'interagissent pas les uns avec les autres.

Il est difficile de résister à ne pas apporter la loi découverte par Ampère sous sa propre forme :

"La force d'interaction des charges en mouvement est proportionnelle au produit de ces charges, inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, comme dans la loi de Coulomb, mais, de plus, elle dépend aussi des vitesses de ces charges et de la direction de leur mouvement."

C'est ainsi qu'ont été découvertes en physique des forces fondamentales qui dépendent des vitesses.

Mais la véritable percée dans la science de l'électricité et du magnétisme a été la découverte par Michael Faraday du phénomène induction électromagnétique- l'apparition d'un courant électrique dans une boucle fermée lorsque le flux magnétique qui la traverse change. Indépendamment de Faraday, le phénomène d'induction électromagnétique a également été découvert par Joseph Henry en 1832, qui en chemin a découvert le phénomène d'auto-induction.

Une démonstration publique par Faraday le 29 août 1831 a été réalisée sur une installation inventée par lui, consistant en un pôle voltaïque, un interrupteur, un anneau de fer, sur lequel deux bobines identiques ont été enroulées sur les côtés opposés de fil de cuivre... L'une des bobines était connectée à une batterie via un interrupteur et un galvanomètre était connecté aux extrémités de l'autre. Lors de l'activation et de la désactivation du courant, le galvanomètre a enregistré l'apparition d'un courant de différentes directions dans la deuxième bobine.

Dans les expériences de Faraday, un courant électrique, appelé courant d'induction, apparaissait également lorsqu'un aimant était introduit dans la bobine ou retiré d'une bobine chargée sur un circuit de mesure. De même, le courant est apparu lorsque la plus petite bobine avec du courant a été insérée / tirée dans / hors de la plus grande bobine de l'expérience précédente. De plus, le sens du courant d'induction était inversé lorsqu'un aimant ou une petite bobine avec un courant était introduit / retiré conformément à la règle formulée par le scientifique russe Emil Khristianovich Lenz. en 1833.

Sur la base des expériences réalisées, Faraday a dérivé la loi de la force électromotrice, qui a plus tard été nommée d'après lui.

Les idées et les résultats des expériences de Faraday ont été repensés et généralisés par un autre grand compatriote - le brillant physicien et mathématicien anglais James Clerk Maxwell - dans ses quatre équations différentielles de l'électrodynamique, appelées plus tard les équations de Maxwell.

Il est à noter que dans trois des quatre équations de Maxwell, l'induction magnétique apparaît sous la forme d'un vecteur de champ magnétique.

Induction magnétique. Définition

L'induction magnétique est un vecteur quantité physique, qui est la force caractéristique du champ magnétique (son action sur les particules chargées) en un point donné de l'espace. Elle détermine avec quelle force F le champ magnétique agit sur la charge q se déplaçant à grande vitesse v... Dénoté lettre latine V(prononcé vecteur B) et la force est calculée par la formule :

F = q [v∙B]

où F est la force de Lorentz agissant du côté du champ magnétique sur la charge q; v- la vitesse de déplacement de la charge ; B- induction de champ magnétique ; [ v × B] - produit croisé vecteurs v et B.

Algébriquement, l'expression peut s'écrire sous la forme :

F = q∙v∙B péché α

où α - l'angle entre les vecteurs vitesse et induction magnétique. Direction du vecteur F perpendiculaire aux deux et dirigé selon la règle de la main gauche.

L'induction magnétique est la principale caractéristique fondamentale du champ magnétique, similaire au vecteur de l'intensité du champ électrique.

Dans le système international d'unités SI, l'induction magnétique du champ est mesurée en tesla (T), dans le système CGS - en gauss (G)

1 T = 10⁴ G

D'autres grandeurs de mesure de l'induction magnétique utilisées dans diverses applications, et leurs conversions d'une grandeur à une autre, peuvent être trouvées dans le convertisseur de grandeurs physiques.

Les instruments de mesure pour mesurer l'amplitude de l'induction magnétique sont appelés teslamètres ou gaussmètres.

Induction de champ magnétique. Physique des phénomènes

En fonction de la réaction à un champ magnétique externe, toutes les substances sont divisées en trois groupes :

• Diamagnétique
• Para-aimants
• Ferromagnétiques

Les termes diamagnétisme et paramagnétisme ont été inventés par Faraday en 1845. Pour une évaluation quantitative de ces réactions, le concept de perméabilité magnétique a été introduit. Le système SI introduit absolu perméabilité magnétique, mesurée en Gn/m, et relatif perméabilité magnétique sans dimension égale au rapport de la perméabilité du milieu donné à la perméabilité du vide. Dans les dia-aimants, la perméabilité magnétique relative est légèrement inférieure à l'unité, dans les para-aimants, légèrement supérieure à l'unité. Dans les ferroaimants, la perméabilité magnétique est bien supérieure à l'unité et est non linéaire.

Phénomène diamagnétisme réside dans la capacité d'une substance à résister à l'effet d'un champ magnétique externe dû à une magnétisation contre sa direction. C'est-à-dire que les diamants repoussent champ magnétique... Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du dia-aimant acquièrent un moment magnétique dirigé contre le champ extérieur.

Phénomène paramagnétisme réside dans la capacité d'une substance à se magnétiser lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique externe. Contrairement aux dia-aimants, les para-aimants sont attirés par un champ magnétique. Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du para-aimant acquièrent un moment magnétique dans la direction coïncidant avec la direction du champ magnétique externe. Lorsque le champ est supprimé, les para-aimants ne conservent pas leur aimantation.

Phénomène ferromagnétisme consiste en la capacité d'une substance à se magnétiser spontanément en l'absence d'un champ magnétique externe ou à se magnétiser sous l'influence d'un champ magnétique externe et à conserver sa magnétisation lorsque le champ est supprimé. De plus, la plupart des moments magnétiques des atomes, des molécules ou des ions sont parallèles les uns aux autres. Cet ordre persiste jusqu'à des températures inférieures à un certain point critique, appelé point de Curie. À des températures supérieures au point de Curie pour une substance donnée, les ferroaimants sont convertis en para-aimants.

La perméabilité magnétique des supraconducteurs est nulle.

La perméabilité magnétique absolue de l'air est approximativement égale à la perméabilité magnétique du vide et dans les calculs techniques, elle est prise égale à 4π 10 ⁻⁷ H / m

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les dia-aimants

Comme mentionné ci-dessus, les matériaux diamagnétiques créent un champ magnétique induit contre le champ magnétique externe. Le diamagnétisme est un effet de la mécanique quantique inhérent à toutes les substances. Dans les para-aimants et les ferro-aimants, il est nivelé au détriment d'autres effets plus puissants.

Les dia-aimants comprennent, par exemple, des substances telles que les gaz inertes, l'azote, l'hydrogène, le silicium, le phosphore et le carbone pyrolytique ; certains métaux - bismuth, zinc, cuivre, or, argent. Beaucoup d'autres inorganiques et composés organiques sont également des dia-aimants, y compris l'eau.

Dans un champ magnétique inhomogène, les dia-aimants sont déplacés vers la région d'un champ plus faible. Magnétique lignes de force comme poussé hors du corps par des matériaux diamagnétiques. Le phénomène de lévitation diamagnétique est basé sur cette propriété. Dans un champ magnétique suffisamment fort créé par les aimants modernes, la lévitation est possible non seulement de divers dia-aimants, mais aussi de petits êtres vivants, constitués principalement d'eau.

Des scientifiques de l'Université de Niemingen, aux Pays-Bas, ont réussi à suspendre une grenouille en l'air dans un champ avec une induction magnétique de l'ordre de 16 T, et des chercheurs du laboratoire de la NASA utilisant un aimant sur des supraconducteurs - lévitation d'une souris, qui , en tant qu'objet biologique, est beaucoup plus proche d'une personne qu'une grenouille...

Tous les conducteurs présentent un diamagnétisme lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique alternatif.

L'essence du phénomène est que, sous l'action d'un champ magnétique alternatif, des courants de Foucault sont induits dans des conducteurs - courants de Foucault - dirigés contre l'action d'un champ magnétique extérieur.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les para-aimants

L'interaction d'un champ magnétique avec des para-aimants est complètement différente. Puisque les atomes, molécules ou ions des para-aimants ont leur propre moment magnétique, ils s'alignent dans la direction du champ magnétique externe. Cela crée un champ magnétique résultant qui est plus grand que le champ d'origine.

Les para-aimants comprennent l'aluminium, le platine, les métaux alcalins et alcalino-terreux, le lithium, le césium, le sodium, le magnésium, le tungstène, ainsi que les alliages de ces métaux. L'oxygène, l'oxyde nitrique, l'oxyde de manganèse, le chlorure ferrique et de nombreux autres composés chimiques sont également des para-aimants.

Les para-aimants sont des substances faiblement magnétiques, leur perméabilité magnétique est légèrement supérieure à l'unité. Dans un champ magnétique inhomogène, les para-aimants sont attirés dans la région d'un champ plus fort. En l'absence de champ magnétique, les para-aimants ne conservent pas l'aimantation, car, en raison du mouvement thermique, les moments magnétiques intrinsèques de leurs atomes, molécules ou ions sont dirigés de manière chaotique.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les ferroaimants

En raison de leur propriété inhérente de magnétisation spontanée, les ferroaimants forment des aimants naturels connus de l'humanité depuis l'Antiquité. Des aimants ont été attribués propriétés magiques, ils ont été utilisés dans divers rituels religieux et même dans la construction de bâtiments. Le premier prototype de la boussole, inventé par les Chinois aux IIe-Ier siècles av. J.-C., était utilisé par des ancêtres curieux pour construire des maisons selon les règles du feng shui. L'utilisation de la boussole comme moyen de navigation a commencé dès le XIe siècle pour parcourir les déserts le long de la Grande Route de la Soie. Plus tard, l'utilisation de la boussole dans les affaires maritimes a joué un rôle important dans le développement de la navigation, la découverte de nouvelles terres et le développement de nouvelles routes commerciales maritimes.

Le ferromagnétisme est une manifestation des propriétés mécaniques quantiques des électrons avec spin, c'est-à-dire moment magnétique dipolaire propre. En termes simples, les électrons se comportent comme de minuscules aimants. Sur chaque terminé coque électronique atome ne peut contenir qu'une paire d'électrons avec des spins opposés, c'est-à-dire le champ magnétique de ces électrons est dirigé dans des directions opposées. Pour cette raison, les atomes avec un nombre apparié d'électrons ont un moment magnétique total égal à zéro ; par conséquent, seuls les atomes avec une enveloppe externe non remplie et un nombre non apparié d'électrons sont des ferroaimants.

Les ferroaimants comprennent les métaux de transition (fer, cuivre, nickel) et les métaux des terres rares (gadolinium, terbium, dysprosium, holmium et erbium), ainsi que les alliages de ces métaux. Les alliages des éléments ci-dessus avec des matériaux non ferromagnétiques sont également des ferromagnétiques ; alliages et composés de chrome et de manganèse avec des éléments non ferromagnétiques, ainsi que certains des métaux du groupe des actinides.

Les ferroaimants ont une valeur de perméabilité magnétique bien supérieure à l'unité ; la dépendance de leur magnétisation sous l'action d'un champ magnétique externe est non linéaire et ils se caractérisent par la manifestation d'une hystérésis - si l'action du champ magnétique est supprimée, les ferroaimants restent magnétisés. Pour supprimer cette magnétisation rémanente, un champ inverse doit être appliqué.

Le graphique de la dépendance de la perméabilité magnétique μ à l'intensité du champ magnétique H dans un ferromagnétique, appelé courbe de Stoletov, montre qu'à intensité de champ magnétique nulle H = 0, la perméabilité magnétique a une petite valeur μ₀ ; puis, au fur et à mesure que la tension monte, la perméabilité magnétique monte rapidement jusqu'à un maximum max, puis redescend lentement jusqu'à zéro.

Le pionnier dans l'étude des propriétés des ferromagnétiques était le physicien et chimiste russe Alexander Stoletov. Or la courbe de dépendance de la perméabilité magnétique à l'intensité du champ magnétique porte son nom.

Les matériaux ferromagnétiques modernes sont largement utilisés en science et en technologie : de nombreuses technologies et dispositifs sont basés sur leur utilisation et sur l'utilisation du phénomène d'induction magnétique. Par exemple, en informatique : les premières générations d'ordinateurs avaient de la mémoire sur des noyaux de ferrite, les informations étaient stockées sur des bandes magnétiques, des disquettes et des disques durs. Cependant, ces derniers sont encore utilisés dans les ordinateurs et sont produits en centaines de millions de pièces par an.

Application de l'induction magnétique en électrotechnique et électronique

V monde moderne il existe de nombreux exemples d'utilisation de l'induction de champ magnétique, principalement dans l'électrotechnique : dans les générateurs d'électricité, les transformateurs de tension, dans divers entraînements électromagnétiques divers appareils, outils et mécanismes, en technologie de mesure et en science, dans diverses installations physiques pour la conduite d'expériences, ainsi que dans les moyens de protection électrique et d'arrêt d'urgence.

Moteurs électriques, générateurs et transformateurs

En 1824, le physicien et mathématicien anglais Peter Barlow décrit le moteur unipolaire qu'il a inventé, qui devient le prototype des moteurs électriques modernes. courant continu... L'invention est également intéressante car elle a été réalisée bien avant la découverte du phénomène d'induction électromagnétique.

De nos jours, presque tous les moteurs électriques utilisent la force ampère, qui agit sur un circuit avec un courant dans un champ magnétique, le forçant à se déplacer.

Même Faraday, en 1831, pour démontrer le phénomène de l'induction magnétique, a créé un dispositif expérimental, dont une partie importante était un dispositif maintenant connu sous le nom de transformateur toroïdal. Le principe de fonctionnement du transformateur Faraday est toujours utilisé dans tous les transformateurs de tension et de courant modernes, indépendamment de la puissance, de la conception et de la portée.

De plus, Faraday a scientifiquement prouvé et prouvé expérimentalement la possibilité de convertir un mouvement mécanique en électricité à l'aide du générateur à courant continu unipolaire qu'il a inventé, qui est devenu le prototype de tous les générateurs à courant continu.

Premier générateur courant alternatif a été créé par l'inventeur français Hippolyte Pixie en 1832. Plus tard, à la suggestion d'Ampère, il a été complété par un dispositif de commutation qui a permis d'obtenir un courant continu pulsé.

Presque tous les générateurs d'électricité utilisant le principe de l'induction magnétique sont basés sur l'apparition d'une force électromotrice dans une boucle fermée, qui se situe dans un champ magnétique changeant. Dans ce cas, soit le rotor magnétique tourne par rapport aux bobines de stator stationnaires dans les générateurs à courant alternatif, soit les enroulements du rotor tournent par rapport aux aimants de stator (à culasse) stationnaires dans les générateurs à courant continu.

Le générateur le plus puissant au monde, construit en 2013 pour la centrale nucléaire de Taishan par la société chinoise DongFang Electric, peut générer une capacité de 1 750 MW.

Outre les générateurs et moteurs électriques de type traditionnel, associés à la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa, il existe des générateurs et moteurs dits magnétohydrodynamiques fonctionnant sur un principe différent.

Relais et électro-aimants

L'électro-aimant, inventé par le scientifique américain J. Henry, est devenu le premier actionneur électrique et le prédécesseur de la cloche électrique familière. Plus tard, sur sa base, Henry a créé un relais électromagnétique, qui est devenu le premier dispositif de commutation automatique à avoir un état binaire.

Microphone dynamique Shure utilisé dans un site de studio vidéo

Lors de la transmission d'un signal télégraphique sur de longues distances, des relais étaient utilisés comme amplificateurs CC, commutant la connexion de batteries externes vers des stations intermédiaires pour une transmission ultérieure du signal.

Têtes et microphones dynamiques

Dans la technologie audio moderne, les haut-parleurs électromagnétiques sont largement utilisés, le son dans lequel apparaît en raison de l'interaction d'une bobine mobile attachée à un diffuseur, à travers laquelle circule un courant de fréquence audio, avec un champ magnétique dans l'espace d'un aimant permanent... En conséquence, la bobine et le diffuseur se déplacent et créent des ondes sonores.

Les microphones dynamiques utilisent la même conception que la tête dynamique, cependant, dans le microphone, au contraire, une bobine mobile avec un mini-diffuseur dans l'entrefer d'un aimant permanent stationnaire oscillant sous l'influence d'un signal acoustique génère un signal électrique de une fréquence audio.

Instruments de mesure et capteurs

Malgré l'abondance du numérique moderne instruments de mesure, dans la technique de mesure, on utilise encore des instruments de type magnétoélectrique, électromagnétique, électrodynamique, ferrodynamique et à induction.

Dans tous les systèmes des types ci-dessus, le principe d'interaction de champs magnétiques ou d'un aimant permanent avec le champ d'une bobine avec courant, ou un noyau ferromagnétique avec des champs de bobines avec courant, ou des champs magnétiques de bobines avec courant est utilisé.

En raison de l'inertie relative de tels systèmes de mesure, ils sont applicables pour mesurer les valeurs moyennes de quantités variables.

informations générales

De manière surprenante, les idées d'une personne peuvent influencer le développement ultérieur de la société humaine dans son ensemble. Une telle personne était Michael Faraday, pas trop versé dans les subtilités des mathématiques contemporaines, mais comprenant parfaitement la signification physique des informations connues à cette époque sur la nature de l'électricité et du magnétisme grâce au concept d'interactions de champ proposé par lui.

Nous devons l'existence d'une société moderne basée sur l'utilisation de l'électricité, du magnétisme et de l'électrodynamique à toute une galaxie de scientifiques remarquables. Parmi eux, Ampere, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz et, bien sûr, Maxwell. En fin de compte, ils ont réuni la science de l'électricité et du magnétisme en une seule image, qui a servi de base à toute une cohorte d'inventeurs qui ont créé les conditions préalables à l'émergence d'une société de l'information moderne avec leurs créations.

Nous vivons entourés de moteurs électriques et de générateurs : ce sont nos premiers assistants dans la production, le transport et à la maison. Toute personne qui se respecte ne peut imaginer l'existence sans réfrigérateur, aspirateur et machine à laver. La priorité est également un four à micro-ondes, un sèche-cheveux, un moulin à café, un mixeur, un mixeur et - le rêve ultime - un hachoir à viande électrique et une machine à pain. Bien sûr, un climatiseur est aussi une chose terriblement utile, mais s'il n'y a pas de fonds pour l'acheter, alors un simple ventilateur fera l'affaire.

Pour certains hommes, les demandes sont un peu plus modestes : une perceuse électrique est le rêve ultime de l'homme le plus inepte. Certains d'entre nous, essayant sans succès de démarrer la voiture dans un gel de quarante degrés et tourmentant désespérément le démarreur (également un moteur électrique), rêvent secrètement d'acheter une voiture Tesla Motors avec des moteurs électriques et des batteries afin d'oublier à jamais les problèmes d'essence et moteurs diesel.

Les moteurs électriques sont partout : ils nous soulèvent dans l'ascenseur, ils nous transportent dans le métro, les trains électriques, les tramways, les trolleybus et les trains à grande vitesse. Ils nous livrent de l'eau aux étages des gratte-ciel, activent des fontaines, pompent l'eau des mines et des puits, roulent de l'acier, soulèvent des poids, travaillent dans divers robinets. Et ils font beaucoup d'autres choses utiles, mettant en mouvement des machines, des outils et des mécanismes.

Même les exosquelettes pour les personnes handicapées et pour les militaires sont fabriqués à l'aide de moteurs électriques, sans parler de toute une armée de robots industriels et de recherche.

Aujourd'hui, les moteurs électriques fonctionnent dans l'espace - rappelez-vous simplement le rover Curiosity. Ils travaillent au sol, sous terre, sur l'eau, sous l'eau et même dans les airs - pas aujourd'hui, donc demain (l'article a été écrit en novembre 2015) l'avion Solar Impulse 2 achèvera enfin son tour du monde, et véhicules aériens sans pilote propulsés par des moteurs électriques, il en existe tout simplement un nombre infini. Ce n'est pas sans raison que des entreprises assez sérieuses travaillent maintenant sur des services de livraison du courrier à l'aide de véhicules aériens sans pilote.

Référence historique

La batterie chimique construite en 1800 par le physicien italien Alessandro Volta, plus tard nommé d'après l'inventeur du "pilier voltaïque", s'est avérée être une véritable "corne d'abondance" pour les scientifiques. Elle permettait de mettre en mouvement des charges électriques dans des conducteurs, c'est-à-dire de créer un courant électrique. De nouvelles découvertes avec l'utilisation d'un pilier voltaïque se succèdent continuellement dans divers domaines de la physique et de la chimie.

Par exemple, le scientifique anglais Sir Humphrey Davy en 1807, étudiant l'électrolyse des masses fondues d'hydroxydes de sodium et de potassium, a obtenu du sodium et du potassium métalliques. Plus tôt, en 1801, il a également découvert l'arc électrique, bien que les Russes le considèrent comme le découvreur de Vasily Vladimirovich Petrov. Petrov en 1802 a décrit non seulement l'arc lui-même, mais aussi les possibilités de son application pratique à des fins de fusion, de soudage de métaux et de leur récupération à partir de minerais, ainsi que d'éclairage.

Mais la découverte la plus importante a été faite par le physicien danois Hans Christian Oersted : le 21 avril 1820, lors d'une démonstration d'expériences lors d'une conférence, il a remarqué une déviation de l'aiguille d'un compas magnétique lorsque le courant électrique circulant dans un conducteur dans la forme d'un fil a été allumée et éteinte. C'était la première fois que la relation entre l'électricité et le magnétisme était confirmée.

L'étape suivante a été franchie par le physicien français André Marie Ampère quelques mois après avoir pris connaissance de l'expérience d'Oersted. Curieux est le cours du raisonnement de ce scientifique, exposé dans les messages qu'il envoie les uns après les autres à l'Académie des sciences. Au début, en observant la rotation de l'aiguille de la boussole sur un conducteur avec du courant, Ampère a suggéré que le magnétisme de la terre était également causé par des courants circulant autour de la terre dans la direction d'ouest en est. De là, il conclut que les propriétés magnétiques du corps peuvent s'expliquer par la circulation du courant à l'intérieur de celui-ci. De plus, Ampere a conclu assez hardiment que les propriétés magnétiques de tout corps sont déterminées par des courants électriques fermés à l'intérieur, et que l'interaction magnétique n'est pas due à des charges magnétiques spéciales, mais simplement au mouvement des charges électriques, c'est-à-dire du courant.

Ampère a immédiatement commencé à étudier expérimentalement cette interaction et a découvert que les conducteurs avec un courant circulant dans une direction s'attirent et se repoussent dans la direction opposée. Les conducteurs mutuellement perpendiculaires n'interagissent pas les uns avec les autres.

Il est difficile de résister à ne pas apporter la loi découverte par Ampère sous sa propre forme :

"La force d'interaction des charges en mouvement est proportionnelle au produit de ces charges, inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, comme dans la loi de Coulomb, mais, de plus, elle dépend aussi des vitesses de ces charges et de la direction de leur mouvement."

C'est ainsi qu'ont été découvertes en physique des forces fondamentales qui dépendent des vitesses.

Mais une véritable percée dans la science de l'électricité et du magnétisme a été la découverte par Michael Faraday du phénomène d'induction électromagnétique - l'émergence d'un courant électrique dans un circuit fermé lorsque le flux magnétique qui le traverse change. Indépendamment de Faraday, le phénomène d'induction électromagnétique a également été découvert par Joseph Henry en 1832, qui en chemin a découvert le phénomène d'auto-induction.

La démonstration publique de Faraday le 29 août 1831 a été réalisée sur une installation inventée par lui, composée d'un poteau voltaïque, d'un interrupteur, d'un anneau de fer, sur lequel deux bobines identiques de fil de cuivre étaient enroulées de part et d'autre. L'une des bobines était connectée à une batterie via un interrupteur et un galvanomètre était connecté aux extrémités de l'autre. Lors de l'activation et de la désactivation du courant, le galvanomètre a enregistré l'apparition d'un courant de différentes directions dans la deuxième bobine.

Dans les expériences de Faraday, un courant électrique, appelé courant d'induction, apparaissait également lorsqu'un aimant était introduit dans la bobine ou retiré d'une bobine chargée sur un circuit de mesure. De même, le courant est apparu lorsque la plus petite bobine avec du courant a été insérée / tirée dans / hors de la plus grande bobine de l'expérience précédente. De plus, le sens du courant d'induction était inversé lorsqu'un aimant ou une petite bobine avec un courant était introduit / retiré conformément à la règle formulée par le scientifique russe Emil Khristianovich Lenz. en 1833.

Sur la base des expériences réalisées, Faraday a dérivé la loi de la force électromotrice, qui a plus tard été nommée d'après lui.

Les idées et les résultats des expériences de Faraday ont été repensés et généralisés par un autre grand compatriote - le brillant physicien et mathématicien anglais James Clerk Maxwell - dans ses quatre équations différentielles de l'électrodynamique, appelées plus tard les équations de Maxwell.

Il est à noter que dans trois des quatre équations de Maxwell, l'induction magnétique apparaît sous la forme d'un vecteur de champ magnétique.

Induction magnétique. Définition

L'induction magnétique est une grandeur physique vectorielle qui est une force caractéristique d'un champ magnétique (son action sur les particules chargées) en un point donné de l'espace. Elle détermine avec quelle force F le champ magnétique agit sur la charge q se déplaçant à grande vitesse v... Il est désigné par une lettre latine V(prononcé vecteur B) et la force est calculée par la formule :

F = q [v∙B]

où F est la force de Lorentz agissant du côté du champ magnétique sur la charge q; v- la vitesse de déplacement de la charge ; B- induction de champ magnétique ; [ v × B] - produit vectoriel de vecteurs v et B.

Algébriquement, l'expression peut s'écrire sous la forme :

F = q∙v∙B péché α

où α - l'angle entre les vecteurs vitesse et induction magnétique. Direction du vecteur F perpendiculaire aux deux et dirigé selon la règle de la main gauche.

L'induction magnétique est la principale caractéristique fondamentale du champ magnétique, similaire au vecteur de l'intensité du champ électrique.

Dans le système international d'unités SI, l'induction magnétique du champ est mesurée en tesla (T), dans le système CGS - en gauss (G)

1 T = 10⁴ G

D'autres grandeurs de mesure de l'induction magnétique utilisées dans diverses applications, et leurs conversions d'une grandeur à une autre, peuvent être trouvées dans le convertisseur de grandeurs physiques.

Les instruments de mesure pour mesurer l'amplitude de l'induction magnétique sont appelés teslamètres ou gaussmètres.

Induction de champ magnétique. Physique des phénomènes

En fonction de la réaction à un champ magnétique externe, toutes les substances sont divisées en trois groupes :

• Diamagnétique
• Para-aimants
• Ferromagnétiques

Les termes diamagnétisme et paramagnétisme ont été inventés par Faraday en 1845. Pour une évaluation quantitative de ces réactions, le concept de perméabilité magnétique a été introduit. Le système SI introduit absolu perméabilité magnétique, mesurée en Gn/m, et relatif perméabilité magnétique sans dimension égale au rapport de la perméabilité du milieu donné à la perméabilité du vide. Dans les dia-aimants, la perméabilité magnétique relative est légèrement inférieure à l'unité, dans les para-aimants, légèrement supérieure à l'unité. Dans les ferroaimants, la perméabilité magnétique est bien supérieure à l'unité et est non linéaire.

Phénomène diamagnétisme réside dans la capacité d'une substance à résister à l'effet d'un champ magnétique externe dû à une magnétisation contre sa direction. C'est-à-dire que les dia-aimants sont repoussés par le champ magnétique. Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du dia-aimant acquièrent un moment magnétique dirigé contre le champ extérieur.

Phénomène paramagnétisme réside dans la capacité d'une substance à se magnétiser lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique externe. Contrairement aux dia-aimants, les para-aimants sont attirés par un champ magnétique. Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du para-aimant acquièrent un moment magnétique dans la direction coïncidant avec la direction du champ magnétique externe. Lorsque le champ est supprimé, les para-aimants ne conservent pas leur aimantation.

Phénomène ferromagnétisme consiste en la capacité d'une substance à se magnétiser spontanément en l'absence d'un champ magnétique externe ou à se magnétiser sous l'influence d'un champ magnétique externe et à conserver sa magnétisation lorsque le champ est supprimé. De plus, la plupart des moments magnétiques des atomes, des molécules ou des ions sont parallèles les uns aux autres. Cet ordre persiste jusqu'à des températures inférieures à un certain point critique, appelé point de Curie. À des températures supérieures au point de Curie pour une substance donnée, les ferroaimants sont convertis en para-aimants.

La perméabilité magnétique des supraconducteurs est nulle.

La perméabilité magnétique absolue de l'air est approximativement égale à la perméabilité magnétique du vide et dans les calculs techniques, elle est prise égale à 4π 10 ⁻⁷ H / m

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les dia-aimants

Comme mentionné ci-dessus, les matériaux diamagnétiques créent un champ magnétique induit contre le champ magnétique externe. Le diamagnétisme est un effet de la mécanique quantique inhérent à toutes les substances. Dans les para-aimants et les ferro-aimants, il est nivelé au détriment d'autres effets plus puissants.

Les dia-aimants comprennent, par exemple, des substances telles que les gaz inertes, l'azote, l'hydrogène, le silicium, le phosphore et le carbone pyrolytique ; certains métaux - bismuth, zinc, cuivre, or, argent. De nombreux autres composés inorganiques et organiques sont également diamagnétiques, y compris l'eau.

Dans un champ magnétique inhomogène, les dia-aimants sont déplacés vers la région d'un champ plus faible. Les lignes de force magnétiques sont, pour ainsi dire, repoussées par des matériaux diamagnétiques à l'extérieur du corps. Le phénomène de lévitation diamagnétique est basé sur cette propriété. Dans un champ magnétique suffisamment fort créé par les aimants modernes, la lévitation est possible non seulement de divers dia-aimants, mais aussi de petits êtres vivants, constitués principalement d'eau.

Des scientifiques de l'Université de Niemingen, aux Pays-Bas, ont réussi à suspendre une grenouille en l'air dans un champ avec une induction magnétique de l'ordre de 16 T, et des chercheurs du laboratoire de la NASA utilisant un aimant sur des supraconducteurs - lévitation d'une souris, qui , en tant qu'objet biologique, est beaucoup plus proche d'une personne qu'une grenouille...

Tous les conducteurs présentent un diamagnétisme lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique alternatif.

L'essence du phénomène est que, sous l'action d'un champ magnétique alternatif, des courants de Foucault sont induits dans des conducteurs - courants de Foucault - dirigés contre l'action d'un champ magnétique extérieur.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les para-aimants

L'interaction d'un champ magnétique avec des para-aimants est complètement différente. Puisque les atomes, molécules ou ions des para-aimants ont leur propre moment magnétique, ils s'alignent dans la direction du champ magnétique externe. Cela crée un champ magnétique résultant qui est plus grand que le champ d'origine.

Les para-aimants comprennent l'aluminium, le platine, les métaux alcalins et alcalino-terreux, le lithium, le césium, le sodium, le magnésium, le tungstène, ainsi que les alliages de ces métaux. L'oxygène, l'oxyde nitrique, l'oxyde de manganèse, le chlorure ferrique et de nombreux autres composés chimiques sont également des para-aimants.

Les para-aimants sont des substances faiblement magnétiques, leur perméabilité magnétique est légèrement supérieure à l'unité. Dans un champ magnétique inhomogène, les para-aimants sont attirés dans la région d'un champ plus fort. En l'absence de champ magnétique, les para-aimants ne conservent pas l'aimantation, car, en raison du mouvement thermique, les moments magnétiques intrinsèques de leurs atomes, molécules ou ions sont dirigés de manière chaotique.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les ferroaimants

En raison de leur propriété inhérente de magnétisation spontanée, les ferroaimants forment des aimants naturels connus de l'humanité depuis l'Antiquité. Des propriétés magiques étaient attribuées aux aimants, ils étaient utilisés dans divers rituels religieux et même dans la construction de bâtiments. Le premier prototype de la boussole, inventé par les Chinois aux IIe-Ier siècles av. J.-C., était utilisé par des ancêtres curieux pour construire des maisons selon les règles du feng shui. L'utilisation de la boussole comme moyen de navigation a commencé dès le XIe siècle pour parcourir les déserts le long de la Grande Route de la Soie. Plus tard, l'utilisation de la boussole dans les affaires maritimes a joué un rôle important dans le développement de la navigation, la découverte de nouvelles terres et le développement de nouvelles routes commerciales maritimes.

Le ferromagnétisme est une manifestation des propriétés mécaniques quantiques des électrons avec spin, c'est-à-dire moment magnétique dipolaire propre. En termes simples, les électrons se comportent comme de minuscules aimants. Chaque couche électronique remplie d'un atome ne peut contenir qu'une paire d'électrons avec des spins opposés, c'est-à-dire le champ magnétique de ces électrons est dirigé dans des directions opposées. Pour cette raison, les atomes avec un nombre apparié d'électrons ont un moment magnétique total égal à zéro ; par conséquent, seuls les atomes avec une enveloppe externe non remplie et un nombre non apparié d'électrons sont des ferroaimants.

Les ferroaimants comprennent les métaux de transition (fer, cuivre, nickel) et les métaux des terres rares (gadolinium, terbium, dysprosium, holmium et erbium), ainsi que les alliages de ces métaux. Les alliages des éléments ci-dessus avec des matériaux non ferromagnétiques sont également des ferromagnétiques ; alliages et composés de chrome et de manganèse avec des éléments non ferromagnétiques, ainsi que certains des métaux du groupe des actinides.

Les ferroaimants ont une valeur de perméabilité magnétique bien supérieure à l'unité ; la dépendance de leur magnétisation sous l'action d'un champ magnétique externe est non linéaire et ils se caractérisent par la manifestation d'une hystérésis - si l'action du champ magnétique est supprimée, les ferroaimants restent magnétisés. Pour supprimer cette magnétisation rémanente, un champ inverse doit être appliqué.

Le graphique de la dépendance de la perméabilité magnétique μ à l'intensité du champ magnétique H dans un ferromagnétique, appelé courbe de Stoletov, montre qu'à intensité de champ magnétique nulle H = 0, la perméabilité magnétique a une petite valeur μ₀ ; puis, au fur et à mesure que la tension monte, la perméabilité magnétique monte rapidement jusqu'à un maximum max, puis redescend lentement jusqu'à zéro.

Le pionnier dans l'étude des propriétés des ferromagnétiques était le physicien et chimiste russe Alexander Stoletov. Or la courbe de dépendance de la perméabilité magnétique à l'intensité du champ magnétique porte son nom.

Les matériaux ferromagnétiques modernes sont largement utilisés en science et en technologie : de nombreuses technologies et dispositifs sont basés sur leur utilisation et sur l'utilisation du phénomène d'induction magnétique. Par exemple, en informatique : les premières générations d'ordinateurs avaient de la mémoire sur des noyaux de ferrite, les informations étaient stockées sur des bandes magnétiques, des disquettes et des disques durs. Cependant, ces derniers sont encore utilisés dans les ordinateurs et sont produits en centaines de millions de pièces par an.

Application de l'induction magnétique en électrotechnique et électronique

Dans le monde moderne, il existe de nombreux exemples d'utilisation de l'induction de champ magnétique, principalement dans l'électrotechnique : dans les générateurs d'électricité, les transformateurs de tension, dans divers entraînements électromagnétiques de divers appareils, outils et mécanismes, dans la technologie de mesure et dans la science, dans diverses installations physiques pour la conduite d'expériences, ainsi que dans les moyens de protection électrique et d'arrêt d'urgence.

Moteurs électriques, générateurs et transformateurs

En 1824, le physicien et mathématicien anglais Peter Barlow a décrit le moteur unipolaire inventé par lui, qui est devenu le prototype des moteurs électriques à courant continu modernes. L'invention est également intéressante car elle a été réalisée bien avant la découverte du phénomène d'induction électromagnétique.

De nos jours, presque tous les moteurs électriques utilisent la force ampère, qui agit sur un circuit avec un courant dans un champ magnétique, le forçant à se déplacer.

Même Faraday, en 1831, pour démontrer le phénomène de l'induction magnétique, a créé un dispositif expérimental, dont une partie importante était un dispositif maintenant connu sous le nom de transformateur toroïdal. Le principe de fonctionnement du transformateur Faraday est toujours utilisé dans tous les transformateurs de tension et de courant modernes, indépendamment de la puissance, de la conception et de la portée.

De plus, Faraday a scientifiquement prouvé et prouvé expérimentalement la possibilité de convertir un mouvement mécanique en électricité à l'aide du générateur à courant continu unipolaire qu'il a inventé, qui est devenu le prototype de tous les générateurs à courant continu.

Le premier alternateur a été créé par l'inventeur français Hippolyte Pixie en 1832. Plus tard, à la suggestion d'Ampère, il a été complété par un dispositif de commutation qui a permis d'obtenir un courant continu pulsé.

Presque tous les générateurs d'électricité utilisant le principe de l'induction magnétique sont basés sur l'apparition d'une force électromotrice dans une boucle fermée, qui se situe dans un champ magnétique changeant. Dans ce cas, soit le rotor magnétique tourne par rapport aux bobines de stator stationnaires dans les générateurs à courant alternatif, soit les enroulements du rotor tournent par rapport aux aimants de stator (à culasse) stationnaires dans les générateurs à courant continu.

Le générateur le plus puissant au monde, construit en 2013 pour la centrale nucléaire de Taishan par la société chinoise DongFang Electric, peut générer une capacité de 1 750 MW.

Outre les générateurs et moteurs électriques de type traditionnel, associés à la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique et inversement, il existe des générateurs et moteurs dits magnétohydrodynamiques fonctionnant sur un principe différent.

Relais et électro-aimants

L'électro-aimant, inventé par le scientifique américain J. Henry, est devenu le premier actionneur électrique et le prédécesseur de la cloche électrique familière. Plus tard, sur sa base, Henry a créé un relais électromagnétique, qui est devenu le premier dispositif de commutation automatique à avoir un état binaire.

Microphone dynamique Shure utilisé dans un site de studio vidéo

Lors de la transmission d'un signal télégraphique sur de longues distances, des relais étaient utilisés comme amplificateurs CC, commutant la connexion de batteries externes vers des stations intermédiaires pour une transmission ultérieure du signal.

Têtes et microphones dynamiques

Dans la technologie audio moderne, les haut-parleurs électromagnétiques sont largement utilisés, le son dans lequel apparaît en raison de l'interaction d'une bobine mobile attachée à un diffuseur, à travers laquelle circule un courant de fréquence audio, avec un champ magnétique dans l'espace d'un aimant permanent fixe. En conséquence, la bobine et le diffuseur se déplacent et créent des ondes sonores.

Les microphones dynamiques utilisent la même conception que la tête dynamique, cependant, dans le microphone, au contraire, une bobine mobile avec un mini-diffuseur dans l'entrefer d'un aimant permanent stationnaire oscillant sous l'influence d'un signal acoustique génère un signal électrique de une fréquence audio.

Instruments de mesure et capteurs

Malgré l'abondance d'instruments de mesure numériques modernes, les instruments de types magnétoélectriques, électromagnétiques, électrodynamiques, ferrodynamiques et à induction sont toujours utilisés dans la technologie de mesure.

Dans tous les systèmes des types ci-dessus, le principe d'interaction de champs magnétiques ou d'un aimant permanent avec le champ d'une bobine avec courant, ou un noyau ferromagnétique avec des champs de bobines avec courant, ou des champs magnétiques de bobines avec courant est utilisé.

En raison de l'inertie relative de tels systèmes de mesure, ils sont applicables pour mesurer les valeurs moyennes de quantités variables.

informations générales

De manière surprenante, les idées d'une personne peuvent influencer le développement ultérieur de la société humaine dans son ensemble. Une telle personne était Michael Faraday, pas trop versé dans les subtilités des mathématiques contemporaines, mais comprenant parfaitement la signification physique des informations connues à cette époque sur la nature de l'électricité et du magnétisme grâce au concept d'interactions de champ proposé par lui.

Nous devons l'existence d'une société moderne basée sur l'utilisation de l'électricité, du magnétisme et de l'électrodynamique à toute une galaxie de scientifiques remarquables. Parmi eux, Ampere, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz et, bien sûr, Maxwell. En fin de compte, ils ont réuni la science de l'électricité et du magnétisme en une seule image, qui a servi de base à toute une cohorte d'inventeurs qui ont créé les conditions préalables à l'émergence d'une société de l'information moderne avec leurs créations.

Nous vivons entourés de moteurs électriques et de générateurs : ce sont nos premiers assistants dans la production, le transport et à la maison. Toute personne qui se respecte ne peut imaginer l'existence sans réfrigérateur, aspirateur et machine à laver. La priorité est également un four à micro-ondes, un sèche-cheveux, un moulin à café, un mixeur, un mixeur et - le rêve ultime - un hachoir à viande électrique et une machine à pain. Bien sûr, un climatiseur est aussi une chose terriblement utile, mais s'il n'y a pas de fonds pour l'acheter, alors un simple ventilateur fera l'affaire.

Pour certains hommes, les demandes sont un peu plus modestes : une perceuse électrique est le rêve ultime de l'homme le plus inepte. Certains d'entre nous, essayant sans succès de démarrer la voiture dans un gel de quarante degrés et tourmentant désespérément le démarreur (également un moteur électrique), rêvent secrètement d'acheter une voiture Tesla Motors avec des moteurs électriques et des batteries afin d'oublier à jamais les problèmes d'essence et moteurs diesel.

Les moteurs électriques sont partout : ils nous soulèvent dans l'ascenseur, ils nous transportent dans le métro, les trains électriques, les tramways, les trolleybus et les trains à grande vitesse. Ils nous livrent de l'eau aux étages des gratte-ciel, activent des fontaines, pompent l'eau des mines et des puits, roulent de l'acier, soulèvent des poids, travaillent dans divers robinets. Et ils font beaucoup d'autres choses utiles, mettant en mouvement des machines, des outils et des mécanismes.

Même les exosquelettes pour les personnes handicapées et pour les militaires sont fabriqués à l'aide de moteurs électriques, sans parler de toute une armée de robots industriels et de recherche.

Aujourd'hui, les moteurs électriques fonctionnent dans l'espace - rappelez-vous simplement le rover Curiosity. Ils travaillent au sol, sous terre, sur l'eau, sous l'eau et même dans les airs - pas aujourd'hui, donc demain (l'article a été écrit en novembre 2015) l'avion Solar Impulse 2 achèvera enfin son tour du monde, et véhicules aériens sans pilote propulsés par des moteurs électriques, il en existe tout simplement un nombre infini. Ce n'est pas sans raison que des entreprises assez sérieuses travaillent maintenant sur des services de livraison du courrier à l'aide de véhicules aériens sans pilote.

Référence historique

La batterie chimique construite en 1800 par le physicien italien Alessandro Volta, plus tard nommé d'après l'inventeur du "pilier voltaïque", s'est avérée être une véritable "corne d'abondance" pour les scientifiques. Elle permettait de mettre en mouvement des charges électriques dans des conducteurs, c'est-à-dire de créer un courant électrique. De nouvelles découvertes avec l'utilisation d'un pilier voltaïque se succèdent continuellement dans divers domaines de la physique et de la chimie.

Par exemple, le scientifique anglais Sir Humphrey Davy en 1807, étudiant l'électrolyse des masses fondues d'hydroxydes de sodium et de potassium, a obtenu du sodium et du potassium métalliques. Plus tôt, en 1801, il a également découvert l'arc électrique, bien que les Russes le considèrent comme le découvreur de Vasily Vladimirovich Petrov. Petrov en 1802 a décrit non seulement l'arc lui-même, mais aussi les possibilités de son application pratique à des fins de fusion, de soudage de métaux et de leur récupération à partir de minerais, ainsi que d'éclairage.

Mais la découverte la plus importante a été faite par le physicien danois Hans Christian Oersted : le 21 avril 1820, lors d'une démonstration d'expériences lors d'une conférence, il a remarqué une déviation de l'aiguille d'un compas magnétique lorsque le courant électrique circulant dans un conducteur dans la forme d'un fil a été allumée et éteinte. C'était la première fois que la relation entre l'électricité et le magnétisme était confirmée.

L'étape suivante a été franchie par le physicien français André Marie Ampère quelques mois après avoir pris connaissance de l'expérience d'Oersted. Curieux est le cours du raisonnement de ce scientifique, exposé dans les messages qu'il envoie les uns après les autres à l'Académie des sciences. Au début, en observant la rotation de l'aiguille de la boussole sur un conducteur avec du courant, Ampère a suggéré que le magnétisme de la terre était également causé par des courants circulant autour de la terre dans la direction d'ouest en est. De là, il conclut que les propriétés magnétiques du corps peuvent s'expliquer par la circulation du courant à l'intérieur de celui-ci. De plus, Ampere a conclu assez hardiment que les propriétés magnétiques de tout corps sont déterminées par des courants électriques fermés à l'intérieur, et que l'interaction magnétique n'est pas due à des charges magnétiques spéciales, mais simplement au mouvement des charges électriques, c'est-à-dire du courant.

Ampère a immédiatement commencé à étudier expérimentalement cette interaction et a découvert que les conducteurs avec un courant circulant dans une direction s'attirent et se repoussent dans la direction opposée. Les conducteurs mutuellement perpendiculaires n'interagissent pas les uns avec les autres.

Il est difficile de résister à ne pas apporter la loi découverte par Ampère sous sa propre forme :

"La force d'interaction des charges en mouvement est proportionnelle au produit de ces charges, inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, comme dans la loi de Coulomb, mais, de plus, elle dépend aussi des vitesses de ces charges et de la direction de leur mouvement."

C'est ainsi qu'ont été découvertes en physique des forces fondamentales qui dépendent des vitesses.

Mais une véritable percée dans la science de l'électricité et du magnétisme a été la découverte par Michael Faraday du phénomène d'induction électromagnétique - l'émergence d'un courant électrique dans un circuit fermé lorsque le flux magnétique qui le traverse change. Indépendamment de Faraday, le phénomène d'induction électromagnétique a également été découvert par Joseph Henry en 1832, qui en chemin a découvert le phénomène d'auto-induction.

La démonstration publique de Faraday le 29 août 1831 a été réalisée sur une installation inventée par lui, composée d'un poteau voltaïque, d'un interrupteur, d'un anneau de fer, sur lequel deux bobines identiques de fil de cuivre étaient enroulées de part et d'autre. L'une des bobines était connectée à une batterie via un interrupteur et un galvanomètre était connecté aux extrémités de l'autre. Lors de l'activation et de la désactivation du courant, le galvanomètre a enregistré l'apparition d'un courant de différentes directions dans la deuxième bobine.

Dans les expériences de Faraday, un courant électrique, appelé courant d'induction, apparaissait également lorsqu'un aimant était introduit dans la bobine ou retiré d'une bobine chargée sur un circuit de mesure. De même, le courant est apparu lorsque la plus petite bobine avec du courant a été insérée / tirée dans / hors de la plus grande bobine de l'expérience précédente. De plus, le sens du courant d'induction était inversé lorsqu'un aimant ou une petite bobine avec un courant était introduit / retiré conformément à la règle formulée par le scientifique russe Emil Khristianovich Lenz. en 1833.

Sur la base des expériences réalisées, Faraday a dérivé la loi de la force électromotrice, qui a plus tard été nommée d'après lui.

Les idées et les résultats des expériences de Faraday ont été repensés et généralisés par un autre grand compatriote - le brillant physicien et mathématicien anglais James Clerk Maxwell - dans ses quatre équations différentielles de l'électrodynamique, appelées plus tard les équations de Maxwell.

Il est à noter que dans trois des quatre équations de Maxwell, l'induction magnétique apparaît sous la forme d'un vecteur de champ magnétique.

Induction magnétique. Définition

L'induction magnétique est une grandeur physique vectorielle qui est une force caractéristique d'un champ magnétique (son action sur les particules chargées) en un point donné de l'espace. Elle détermine avec quelle force F le champ magnétique agit sur la charge q se déplaçant à grande vitesse v... Il est désigné par une lettre latine V(prononcé vecteur B) et la force est calculée par la formule :

F = q [v∙B]

où F est la force de Lorentz agissant du côté du champ magnétique sur la charge q; v- la vitesse de déplacement de la charge ; B- induction de champ magnétique ; [ v × B] - produit vectoriel de vecteurs v et B.

Algébriquement, l'expression peut s'écrire sous la forme :

F = q∙v∙B péché α

où α - l'angle entre les vecteurs vitesse et induction magnétique. Direction du vecteur F perpendiculaire aux deux et dirigé selon la règle de la main gauche.

L'induction magnétique est la principale caractéristique fondamentale du champ magnétique, similaire au vecteur de l'intensité du champ électrique.

Dans le système international d'unités SI, l'induction magnétique du champ est mesurée en tesla (T), dans le système CGS - en gauss (G)

1 T = 10⁴ G

D'autres grandeurs de mesure de l'induction magnétique utilisées dans diverses applications, et leurs conversions d'une grandeur à une autre, peuvent être trouvées dans le convertisseur de grandeurs physiques.

Les instruments de mesure pour mesurer l'amplitude de l'induction magnétique sont appelés teslamètres ou gaussmètres.

Induction de champ magnétique. Physique des phénomènes

En fonction de la réaction à un champ magnétique externe, toutes les substances sont divisées en trois groupes :

• Diamagnétique
• Para-aimants
• Ferromagnétiques

Les termes diamagnétisme et paramagnétisme ont été inventés par Faraday en 1845. Pour une évaluation quantitative de ces réactions, le concept de perméabilité magnétique a été introduit. Le système SI introduit absolu perméabilité magnétique, mesurée en Gn/m, et relatif perméabilité magnétique sans dimension égale au rapport de la perméabilité du milieu donné à la perméabilité du vide. Dans les dia-aimants, la perméabilité magnétique relative est légèrement inférieure à l'unité, dans les para-aimants, légèrement supérieure à l'unité. Dans les ferroaimants, la perméabilité magnétique est bien supérieure à l'unité et est non linéaire.

Phénomène diamagnétisme réside dans la capacité d'une substance à résister à l'effet d'un champ magnétique externe dû à une magnétisation contre sa direction. C'est-à-dire que les dia-aimants sont repoussés par le champ magnétique. Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du dia-aimant acquièrent un moment magnétique dirigé contre le champ extérieur.

Phénomène paramagnétisme réside dans la capacité d'une substance à se magnétiser lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique externe. Contrairement aux dia-aimants, les para-aimants sont attirés par un champ magnétique. Dans ce cas, les atomes, molécules ou ions du para-aimant acquièrent un moment magnétique dans la direction coïncidant avec la direction du champ magnétique externe. Lorsque le champ est supprimé, les para-aimants ne conservent pas leur aimantation.

Phénomène ferromagnétisme consiste en la capacité d'une substance à se magnétiser spontanément en l'absence d'un champ magnétique externe ou à se magnétiser sous l'influence d'un champ magnétique externe et à conserver sa magnétisation lorsque le champ est supprimé. De plus, la plupart des moments magnétiques des atomes, des molécules ou des ions sont parallèles les uns aux autres. Cet ordre persiste jusqu'à des températures inférieures à un certain point critique, appelé point de Curie. À des températures supérieures au point de Curie pour une substance donnée, les ferroaimants sont convertis en para-aimants.

La perméabilité magnétique des supraconducteurs est nulle.

La perméabilité magnétique absolue de l'air est approximativement égale à la perméabilité magnétique du vide et dans les calculs techniques, elle est prise égale à 4π 10 ⁻⁷ H / m

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les dia-aimants

Comme mentionné ci-dessus, les matériaux diamagnétiques créent un champ magnétique induit contre le champ magnétique externe. Le diamagnétisme est un effet de la mécanique quantique inhérent à toutes les substances. Dans les para-aimants et les ferro-aimants, il est nivelé au détriment d'autres effets plus puissants.

Les dia-aimants comprennent, par exemple, des substances telles que les gaz inertes, l'azote, l'hydrogène, le silicium, le phosphore et le carbone pyrolytique ; certains métaux - bismuth, zinc, cuivre, or, argent. De nombreux autres composés inorganiques et organiques sont également diamagnétiques, y compris l'eau.

Dans un champ magnétique inhomogène, les dia-aimants sont déplacés vers la région d'un champ plus faible. Les lignes de force magnétiques sont, pour ainsi dire, repoussées par des matériaux diamagnétiques à l'extérieur du corps. Le phénomène de lévitation diamagnétique est basé sur cette propriété. Dans un champ magnétique suffisamment fort créé par les aimants modernes, la lévitation est possible non seulement de divers dia-aimants, mais aussi de petits êtres vivants, constitués principalement d'eau.

Des scientifiques de l'Université de Niemingen, aux Pays-Bas, ont réussi à suspendre une grenouille en l'air dans un champ avec une induction magnétique de l'ordre de 16 T, et des chercheurs du laboratoire de la NASA utilisant un aimant sur des supraconducteurs - lévitation d'une souris, qui , en tant qu'objet biologique, est beaucoup plus proche d'une personne qu'une grenouille...

Tous les conducteurs présentent un diamagnétisme lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique alternatif.

L'essence du phénomène est que, sous l'action d'un champ magnétique alternatif, des courants de Foucault sont induits dans des conducteurs - courants de Foucault - dirigés contre l'action d'un champ magnétique extérieur.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les para-aimants

L'interaction d'un champ magnétique avec des para-aimants est complètement différente. Puisque les atomes, molécules ou ions des para-aimants ont leur propre moment magnétique, ils s'alignent dans la direction du champ magnétique externe. Cela crée un champ magnétique résultant qui est plus grand que le champ d'origine.

Les para-aimants comprennent l'aluminium, le platine, les métaux alcalins et alcalino-terreux, le lithium, le césium, le sodium, le magnésium, le tungstène, ainsi que les alliages de ces métaux. L'oxygène, l'oxyde nitrique, l'oxyde de manganèse, le chlorure ferrique et de nombreux autres composés chimiques sont également des para-aimants.

Les para-aimants sont des substances faiblement magnétiques, leur perméabilité magnétique est légèrement supérieure à l'unité. Dans un champ magnétique inhomogène, les para-aimants sont attirés dans la région d'un champ plus fort. En l'absence de champ magnétique, les para-aimants ne conservent pas l'aimantation, car, en raison du mouvement thermique, les moments magnétiques intrinsèques de leurs atomes, molécules ou ions sont dirigés de manière chaotique.

Caractéristiques du comportement du champ magnétique dans les ferroaimants

En raison de leur propriété inhérente de magnétisation spontanée, les ferroaimants forment des aimants naturels connus de l'humanité depuis l'Antiquité. Des propriétés magiques étaient attribuées aux aimants, ils étaient utilisés dans divers rituels religieux et même dans la construction de bâtiments. Le premier prototype de la boussole, inventé par les Chinois aux IIe-Ier siècles av. J.-C., était utilisé par des ancêtres curieux pour construire des maisons selon les règles du feng shui. L'utilisation de la boussole comme moyen de navigation a commencé dès le XIe siècle pour parcourir les déserts le long de la Grande Route de la Soie. Plus tard, l'utilisation de la boussole dans les affaires maritimes a joué un rôle important dans le développement de la navigation, la découverte de nouvelles terres et le développement de nouvelles routes commerciales maritimes.

Le ferromagnétisme est une manifestation des propriétés mécaniques quantiques des électrons avec spin, c'est-à-dire moment magnétique dipolaire propre. En termes simples, les électrons se comportent comme de minuscules aimants. Chaque couche électronique remplie d'un atome ne peut contenir qu'une paire d'électrons avec des spins opposés, c'est-à-dire le champ magnétique de ces électrons est dirigé dans des directions opposées. Pour cette raison, les atomes avec un nombre apparié d'électrons ont un moment magnétique total égal à zéro ; par conséquent, seuls les atomes avec une enveloppe externe non remplie et un nombre non apparié d'électrons sont des ferroaimants.

Les ferroaimants comprennent les métaux de transition (fer, cuivre, nickel) et les métaux des terres rares (gadolinium, terbium, dysprosium, holmium et erbium), ainsi que les alliages de ces métaux. Les alliages des éléments ci-dessus avec des matériaux non ferromagnétiques sont également des ferromagnétiques ; alliages et composés de chrome et de manganèse avec des éléments non ferromagnétiques, ainsi que certains des métaux du groupe des actinides.

Les ferroaimants ont une valeur de perméabilité magnétique bien supérieure à l'unité ; la dépendance de leur magnétisation sous l'action d'un champ magnétique externe est non linéaire et ils se caractérisent par la manifestation d'une hystérésis - si l'action du champ magnétique est supprimée, les ferroaimants restent magnétisés. Pour supprimer cette magnétisation rémanente, un champ inverse doit être appliqué.

Le graphique de la dépendance de la perméabilité magnétique μ à l'intensité du champ magnétique H dans un ferromagnétique, appelé courbe de Stoletov, montre qu'à intensité de champ magnétique nulle H = 0, la perméabilité magnétique a une petite valeur μ₀ ; puis, au fur et à mesure que la tension monte, la perméabilité magnétique monte rapidement jusqu'à un maximum max, puis redescend lentement jusqu'à zéro.

Le pionnier dans l'étude des propriétés des ferromagnétiques était le physicien et chimiste russe Alexander Stoletov. Or la courbe de dépendance de la perméabilité magnétique à l'intensité du champ magnétique porte son nom.

Les matériaux ferromagnétiques modernes sont largement utilisés en science et en technologie : de nombreuses technologies et dispositifs sont basés sur leur utilisation et sur l'utilisation du phénomène d'induction magnétique. Par exemple, en informatique : les premières générations d'ordinateurs avaient de la mémoire sur des noyaux de ferrite, les informations étaient stockées sur des bandes magnétiques, des disquettes et des disques durs. Cependant, ces derniers sont encore utilisés dans les ordinateurs et sont produits en centaines de millions de pièces par an.

Application de l'induction magnétique en électrotechnique et électronique

Dans le monde moderne, il existe de nombreux exemples d'utilisation de l'induction de champ magnétique, principalement dans l'électrotechnique : dans les générateurs d'électricité, les transformateurs de tension, dans divers entraînements électromagnétiques de divers appareils, outils et mécanismes, dans la technologie de mesure et dans la science, dans diverses installations physiques pour la conduite d'expériences, ainsi que dans les moyens de protection électrique et d'arrêt d'urgence.

Moteurs électriques, générateurs et transformateurs

En 1824, le physicien et mathématicien anglais Peter Barlow a décrit le moteur unipolaire inventé par lui, qui est devenu le prototype des moteurs électriques à courant continu modernes. L'invention est également intéressante car elle a été réalisée bien avant la découverte du phénomène d'induction électromagnétique.

De nos jours, presque tous les moteurs électriques utilisent la force ampère, qui agit sur un circuit avec un courant dans un champ magnétique, le forçant à se déplacer.

Même Faraday, en 1831, pour démontrer le phénomène de l'induction magnétique, a créé un dispositif expérimental, dont une partie importante était un dispositif maintenant connu sous le nom de transformateur toroïdal. Le principe de fonctionnement du transformateur Faraday est toujours utilisé dans tous les transformateurs de tension et de courant modernes, indépendamment de la puissance, de la conception et de la portée.

De plus, Faraday a scientifiquement prouvé et prouvé expérimentalement la possibilité de convertir un mouvement mécanique en électricité à l'aide du générateur à courant continu unipolaire qu'il a inventé, qui est devenu le prototype de tous les générateurs à courant continu.

Le premier alternateur a été créé par l'inventeur français Hippolyte Pixie en 1832. Plus tard, à la suggestion d'Ampère, il a été complété par un dispositif de commutation qui a permis d'obtenir un courant continu pulsé.

Presque tous les générateurs d'électricité utilisant le principe de l'induction magnétique sont basés sur l'apparition d'une force électromotrice dans une boucle fermée, qui se situe dans un champ magnétique changeant. Dans ce cas, soit le rotor magnétique tourne par rapport aux bobines de stator stationnaires dans les générateurs à courant alternatif, soit les enroulements du rotor tournent par rapport aux aimants de stator (à culasse) stationnaires dans les générateurs à courant continu.

Le générateur le plus puissant au monde, construit en 2013 pour la centrale nucléaire de Taishan par la société chinoise DongFang Electric, peut générer une capacité de 1 750 MW.

Outre les générateurs et moteurs électriques de type traditionnel, associés à la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique et inversement, il existe des générateurs et moteurs dits magnétohydrodynamiques fonctionnant sur un principe différent.

Relais et électro-aimants

L'électro-aimant, inventé par le scientifique américain J. Henry, est devenu le premier actionneur électrique et le prédécesseur de la cloche électrique familière. Plus tard, sur sa base, Henry a créé un relais électromagnétique, qui est devenu le premier dispositif de commutation automatique à avoir un état binaire.

Microphone dynamique Shure utilisé dans un site de studio vidéo

Lors de la transmission d'un signal télégraphique sur de longues distances, des relais étaient utilisés comme amplificateurs CC, commutant la connexion de batteries externes vers des stations intermédiaires pour une transmission ultérieure du signal.

Têtes et microphones dynamiques

Dans la technologie audio moderne, les haut-parleurs électromagnétiques sont largement utilisés, le son dans lequel apparaît en raison de l'interaction d'une bobine mobile attachée à un diffuseur, à travers laquelle circule un courant de fréquence audio, avec un champ magnétique dans l'espace d'un aimant permanent fixe. En conséquence, la bobine et le diffuseur se déplacent et créent des ondes sonores.

Les microphones dynamiques utilisent la même conception que la tête dynamique, cependant, dans le microphone, au contraire, une bobine mobile avec un mini-diffuseur dans l'entrefer d'un aimant permanent stationnaire oscillant sous l'influence d'un signal acoustique génère un signal électrique de une fréquence audio.

Instruments de mesure et capteurs

Malgré l'abondance d'instruments de mesure numériques modernes, les instruments de types magnétoélectriques, électromagnétiques, électrodynamiques, ferrodynamiques et à induction sont toujours utilisés dans la technologie de mesure.

Dans tous les systèmes des types ci-dessus, le principe d'interaction de champs magnétiques ou d'un aimant permanent avec le champ d'une bobine avec courant, ou un noyau ferromagnétique avec des champs de bobines avec courant, ou des champs magnétiques de bobines avec courant est utilisé.

En raison de l'inertie relative de tels systèmes de mesure, ils sont applicables pour mesurer les valeurs moyennes de quantités variables.