Новости
893 0

Электромагнитные явления и теория физики в помощь при построении автозвука

Чтобы по-настоящему хорошо делать автозвук с должной степенью профессионализма, отвественности и безопасности (это важно, т.к. автомобиль изначально повышенное средство опасности как на дороге, так и за её пределами) необходимо уверенно знать, понимать и применять на практике базовые теоретические знания. В частности совсем не лишними (я бы даже сказал обязательными) будут теоретические знания из области физики хотя бы в рамках школьной программы. Люди, приходящие в автозвук, они различаются уровнем знаний, в том числе и базовых, а потому важно восполнить любые пробелы знания теории и, в случае проблем с базовой физикой (особенно в разделах электричества или описания звуковых явлений) — повторить их или подучить, заново осознать и приобрести в них уверенность. Это крайне необходимый этап для всех, кто так или иначе приближается к автозвуку своими силами, т.к. от него зависит правильность установки и коммутации всех компонентов, а так же соблюдение фундаментальных электрических законов, зная которые Вы превратите путешествие в мир автозвука в непременно увлекательное и радостное, наполненное новыми открытиями и неповторимой гаммой эмоций.

Без обладания основополагающими физическими знаниями в нужных областях в автозвук лезть нельзя!Это запрещено хотя бы потому, что от своих неумелых действий можно не только вывести из строя свежекупленные и обычно дорогостоящие компоненты аудио или мультимедия (это меньшее из всех зол), но так жевозникает реальная опасность устроить короткое замыкание и даже пожар!Тем самым подвергая риску не только себя и свой автомобиль, но и случайных ни в чём не виноватых людей. Мы же этого не хотим, правда ведь? Риск дело благородное, но не тогда, когда поведение человека определяется глупостью по незнанию элементарных законов, которые все проходят ещё в школе. Поэтому, если Вы неуверенно чувствуете себя с базовыми науками и ощущаете пробелы освоения школьной программы, то их непременно нужно восполнить и подтянуть свои знания в нужных областях. Я не собираюсь учить основам теории физики от и до, всю необходимую информацию по этой теме можно найти в школьных учебниках для старших классов. Однако я решил сделать «выжимку» основных тем физики, с которыми непосредственно придётся столкнуться каждому, кто захочет попробовать установку автозвука в машину своими силами. Данные обучающие разделы помогут быстро и без труда освежить в памяти те знания, без которых лучше и не пытаться пробовать свои силы во избежании бОльшей беды.

Начнём повторение теории с повторения школьной программы за 8-й класс физика электромагнитные явления. Всё изложенное здесь я постараюсь написать своими словами, сделав это как можно доступнее и понятнее любому человеку, независимо от имеющейся уже базы знаний.

Читайте также: Не работает дизельный генератор (электростанция): заводится и глохнет

Электрический заряд

Мы знаем, что различные тела могут обладать электрическим зарядом, а точнее, они могут его накапливать, отдавать или переносить.Электрический зарядпредставляет собой физическую величину, характеризующую взаимодействие между электрически заряженными телами. В процессе взаимодействия между заряженными телами может происходить процессэлектризации, т.е. разделения имеющегося электрического заряда между двумя или более электрически заряженными телами. В процессе электризации обычно какому-либо телу сообщается/передаётся заряд.

физика электромагнитные явления 02Электрические заряды условно подразделяются на положительные («+») и отрицательные («-«). Любое физическое тело может быть заряжено положительно или отрицательно, что объясняется строением на молекулярном уровне (если электроны покидают вещество/тело, то оно приобретает положительный заряд; а если электроны наоборот поступают в структуру частицы, тогда она приобретает отрицательный заряд). Частицы с отрицательным зарядом называютсяанионами, частицы с положительным зарядом называютсякатионами. Простое и знакомое многим правило взаимодействия зарядов: одинаковые по полярности заряды («+» и «+») отталкиваются друг от друга, тогда как разные по полярности («+» и «-«) притягиваются друг к другу.

Что было доказано электромагнитными явлениями

При исследовании электромагнетизма было выявлено существование магнитного поля около электрического тока. Данные понятия являются неотделимыми друг от друга. Теория электромагнитного поля Максвелла свидетельствует об образованиивихревого электрического поля в проводниках и в вакуумепри изменении магнитного поля. Эта идея позволила открыть новый этап развития физики. Согласно теории Максвелла, весь мир является электродинамической системой, которая включает в себя заряды, взаимодействующие между собой с помощью электромагнитного поля.

Когда электрические заряды перемещаются, генерируется магнитная сила. Электромагнитная сила представляет собой соединение магнитной и электрической сил. Электрические силы можно наблюдать при условии движения или покоя зарядов. С другой стороны, магнитные силы возникают только в том случае, когда заряды перемещаются. Четыре уравнения Максвелла описывают поведение зарядов и электромагнитных сил. Данные закономерности в дальнейшем стали использовать, как основные уравнения классической электродинамики. Уравнения Максвелла позволили сформулировать закон Кулона, аналогично закону всемирного тяготения Ньютона.

Закон всемирного тяготения Ньютона:

Исходя из закона Кулона, можно сделать следующие выводы:

  • магнитные силовые линии не обладают началом или концом, являются непрерывными;
  • магнитные заряды представляют собой условное понятие, не существуют в действительности;
  • электрическое поле образовано электрическими зарядами и переменным магнитным полем;
  • источником магнитного поля может являться переменное электрическое поле или электрический ток.

Открытие электромагнитных явлений позволило научному сообществу полностью изменить представление о материи.

Проводники и диэлектрики

Электрический заряд от некого источника можно передавать другим объектам. Различные существующие материалы, предметы, объекты и т.д. обладают разной степенью проводимости: одни хорошо проводят электрический ток, другие делают это хуже, третьи практически не проводят.

  • Вещества, хорошо проводящие электрический ток называютсяпроводниками(различные жидкости, металлы).
  • Вещества, которые плохо пропускают электрические заряды, или же совсем не пропускают (степень варьируется, но проводимость всегда возможна), они называютсядиэлектрикамиили жеизоляторами(различные химические полимеры, газы).
  • Вещества же, свойства по пропусканию электрического тока у которых могут меняться в одну или другую сторону (оно находится условно по середине между проводниками и непроводниками) называютсяполупроводниками(например химические элементы кремний, селен, германий).

физика электромагнитные явления 03В области автозвука практически каждый энтузиаст-любитель непременно сталкивается с проводниками, их роль выполняют соединительные провода, будь то силовые, межблочные или акустические кабели, но с точки зрения физики все они выполняют одну и ту же функцию проводников. В роли диэлектриков выступает внешняя оболочка/изоляция проводов.Проводимость хорошо объясняется молекулярным строением. Атомы любых веществ/соединений/тел состоят из протонов (положительно заряженных частиц), нейтронов (не имеющих заряда) и электронов (отрицательно заряженных частиц). Электроны, расположенные по окружности ядра атома вокруг протонов, образуют своей совокупностью подобие электронного облака, плотность которого (о ней можно судить исключительно по количеству электронов на орбите) определяет степень проводимости того или иного элемента — чем электронов больше, тем лучше переносится заряд и наоборот.

Электрическое поле

Электрически заряженные объекты (или те, которые пропускают через себя электрический ток и находятся под напряжением) обладают ещё одной интересной характеристикой, называемойэлектрическим полем. Оно определяется как некая особая форма материи, образующаяся и присутствующая вокруг электрически заряженных тел или частиц. Электрическое поле имеет свойство воздействовать на другие заряженные тела или частицы (именно так поле проявляет себя) с какой-то силой, называемойэлектрической силой. Все электрические взаимодействия сопровождаются образованием электрического поля. Воздействие электрического поля ослабевает по мере удаления от объекта, содержащего электрический заряд по принципу обратно пропорциональной квадратичной зависимости. Так же, электрические поля разных заряженных объектов могут взаимодействовать друг с другом.

физика электромагнитные явления 04Самая маленькая неделимая частица заряда, как мы уже знаем, — называетсяэлектрон, при расчётах заряд обозначается в Кулонах. Заряд не может существовать без наличия частицы или вещества, тогда как сами частицы могут не иметь заряда (быть электрически нейтральными).В автозвуке мы имеем возможность столкнуться с электрическим полем, которое возникает вокруг проводников тока, всё тех же проводов, а так же присутствует абсолютно во всех электронных устройствах, например в усилителях, магнитолах, LCD экранах и т.п.

Роль электромагнитных явлений в физике

В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.

Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.

Готовые работы на аналогичную тему

Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.

Читайте также: Однофазные электродвигатели. Виды, принцип действия, схемы включения однофазных электродвигателей.

Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.

Главная особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.

Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.

В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем. Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике. После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.

Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.

Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.

Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:

  • магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
  • магнитных зарядов в природе не существует;
  • электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
  • магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.

Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.

Электрический ток

Явление упорядоченного и направленного движения электронов или ионов (положительных или же отрицательных зарядов) внутри проводника называетсяэлектрическим током. Движение зарядов внутри структуры тела практически никак на нём не сказывается, однако при повышении силы тока и при некоторых иных условиях возможно изменение химических, физических и механических свойств вещества/тела (особенно это касается диэлектриков).

За направление электрического тока принимается направление движения заряда от «минуса» к «плюсу».Электрический ток может существовать только при определённых условиях:

  • наличия свободных зарядов
  • электрического поля (которое является основным условием для приведения зарядов в движение). А для создания электрического поля необходим источник тока
  • наличие замкнутой электрической цепи, составленной преимущественно из проводников электричества

Чтобы в проводнике возник электрический ток (упорядоченное направленное движение заряженных частиц) необходимисточник тока— это элемент, совершающий работу по разделению заряда при помощи сторонних сил неэлектрической природы. К таким сторонним силам относятся: механические силы, химические реакции, тепловые силы или же фотоэффект в результате воздействия света на фотоэлементы.

Читайте также: Автомат двухполюсный: установка, схема подключения

За счёт работы сторонних сил на контактах источника тока образуется электрический заряд, создающий электрическое поле, которое в свою очередь приводит в движение свободные заряды проводников. В автомобиле классическими источниками тока является генератор в связке с аккумуляторной батареей, внутри которой и происходит описанный процесс химического разделения заряда.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция– явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

  • На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
  • Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
  • Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называютвихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

  • источник – переменное магнитное поле;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • не является потенциальным;
  • линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Электрическая цепь

Чтобы питать некие устройства/потребители тока при наличие источника тока, необходимо собрать воедино электрическую цепь, которая в минимальном варианте будет включать в себя следующие компоненты:

  • Источник тока
  • Соединительные проводники (провода)
  • Потребитель тока

физика электромагнитные явления 06aРабочая электрическая цель обязательно должна быть замкнутой. Цепь может состоять из большого числа мелких или крупных элементов, выполняющих определённую роль, но основной принцип сохраняется.Для удобства понимания и оперирования принято электрические цепи изображать графически в виде схем, используя определённый набор условных обозначений, зная которые можно составлять и читать схемы любой сложности. Вот набор самых необходимых условных обозначений, которые могут пригодиться в работе с электричеством:

Серьёзное увлечение автозвуком предполагает составление подобных схем, учитывающих потребление тока, нагрузку на проводку, включение в цепь предохранительных элементов и т.д. В особо сложных случаях требуются серьёзные и ответственные подсчёты длины/сечения проводов и прочие манипуляции. Ещё физика электромагнитные явления способна рассказать нам о трёх ключевых параметрах, формирующих между собой фундаментальный закон Ома.

Сила тока

Чтобы охарактеризовать электрический ток, вводитсясила тока— это физическая величина, определяющая электрический ток и равная количеству заряда проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Отсюда же выводится формула для подсчёта силы тока, где обозначения I — сила тока, q — электрический заряд (1 кулон [Кл]), t — время его прохождения по проводнику (1 секунда [с]):

Единицей силы тока считается 1 Ампер [А].

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения величины заряда и времени, используя математические правила:

и

физика электромагнитные явления 07Для простоты понимания явления силы тока можно сравнить его с напором воды в водопроводном кране: чем больше открыт кран и чем больше воды проходит по трубе за секунду (единицу времени) — тем больше напор воды. По аналогии, чем больше электронов проходит по металлическому проводнику (проводу) за секунду (единицу времени) — тем больше сила тока.

Для определения силы тока в цепи используется прибор под названиемамперметр. Принцип действия прибора может быть различным, но в последнее время на практике чаще всего применяются удобные портативные электромагнитные амперметры с электронным табло. В идеале вмешательство амперметра в сеть не должно сильно изменить значение силы тока, однако полностью исключить такое влияние невозможно. Амперметр включается в цепьпоследовательнос тем проводником, в котором требуется измерить силу тока.Так же запрещается подключать амперметр в цепь без постоянного потребителя тока в ней!

Самоиндукция

Самоиндукция– это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

Читайте также: Рисуем принципиальную схему в редакторе MS Word

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ \( \varepsilon_ \) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ \( L \) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Напряжение

Кроме количественного определения заряда в какой-то точке проводника существует совсем другая характеристика, относящаяся напрямую к электрическому полю, называемой напряжением.Электрическое напряжение— это физическая величина, которая определяет работу электрического поля по перемещению зарядов из одной точки проводника в другую. Отсюда же выводится формула для подсчёта напряжения, где обозначения U — напряжение, A — работа электрического поля по перенесению заряда (1 Джоуль [Дж]), q — электрический заряд (1 кулон [Кл]):

Единицей напряжения считается 1 Вольт [V].

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения работы электрического поля или величины заряда, используя математические правила:

и

физика электромагнитные явления 08Для определения напряжения тока в цепи используется прибор под названиемвольтметр. Принцип действия прибора может быть различным, но в последнее время на практике чаще всего применяются удобные портативные электромагнитные амперметры с электронным табло. В идеале вмешательство вольтметра в сеть не должно сильно изменить значение напряжения и прочие параметры, однако полностью исключить такое влияние невозможно. Вольтметр включается в цепьпараллельнос потребителями.

Сопротивление

Рассматривая любую электрическую цепь нельзя не учесть влияние проводника на способность хорошо или плохо проводить через себя ток. Такая способность названа терминомэлектрическое сопротивление— это физическая величина, характеризующая свойство проводника влиять на протекающий по нему электрический ток. Данное влияние обуславливается самым разнообразным набором факторов, начиная от структуры самого проводника тока, заканчивая его размером. В простейшем смысле сопротивление объясняется так: свободные электроны в проводнике, обеспечивающие движение тока, постоянно взаимодействуют с положительно заряженными ионами в структуре кристаллической решётки проводника, тем самым замедляя направленное движение. Как раз это замедление (способность проводника «сопротивляться» протекающему току) и будет в конечном счёте характеристикой сопротивления. Прямо противоположно электрическому сопротивлению ставится как раз характеристикапроводимости тока.

Сопротивление тесно связано с понятиями силы тока и напряжения. Поэтому выводится формула для подсчёта сопротивления, где обозначения R — сопротивление, U — напряжение (1 вольт [В]), I — сила тока (1 ампер [А]):

Единицей сопротивления считается 1 Ом [Ом].

Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения напряжения или же силы тока, используя математические правила:

и

физика электромагнитные явления 09Данная формула зависимости напряжения, сопротивления и силы тока представляет собой фундаментальныйзакон Ома для участка цепи, с помощью которого можно решать большое количество практических задач, в том числе и в сфере автозвука.

Магнитные аномалии в России

По всей огромной территории нашей земли существуют различного рода магнитные аномалии. Давайте немного узнаем о них. Известный ученый и астроном П. Б. Иноходцев еще в далеком 1773 году изучал географическое положение всех городов центральной части России. Именно тогда он обнаружил сильную аномалию в районе Курска и Белгорода, где стрелка компаса лихорадочно вращалась. И только в 1923 году была пробурена первая скважина, которая выявила огромные залежи металлической руды.

Ученые и в наши с вами дни не могут дать объяснения огромным скоплениям железной руды в Курской магнитной аномалии.

Из учебников по географии мы с вами знаем, что добыча всей железной руды ведется в горных областях. А как образовались залежи железной руды на равнине — неизвестно.

Закон Ома для участка цепи

Как гласит физика электромагнитные явления, три представленные выше формулы крайне важны в разделе об электричестве. Ещё раз повторим основную формулу зависимости фундаментальных параметров, относящихся к электрическому току, которая представляет собой закон Ома для участка цепи. Данное уточнение очень важно, оно означает, что мы рассматриваем лишь параметры внутри замкнутой цепи с источником тока, проводником и потребителями, притом параметры замеряются на каком-то отдельном участке, тогда как на других они могут уже отличаться.

С помощью этой формулы производится большое количество достаточно важных расчётов, для получения неизвестных значений напряжения, сопротивления или же силы тока, что крайне важно при составлении схемы аудио или мультимедиа системы в автомобиле. Формула и её вариации:

  1. Сила тока вычисляется отношением напряжения к сопротивлению
  2. Напряжение вычисляется произведением сопротивления на силу тока
  3. Сопротивление вычисляется отношением напряжения к силе тока

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

  • закона электромагнитной индукции;
  • ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

Источник

Зависимость сопротивления от параметров проводника

Сопротивление току в проводнике зависит от трёх ключевых параметров проводника:

  1. Длина проводника.Со­про­тив­ле­ние прямо про­пор­ци­о­наль­но длине про­вод­ни­ка (l — длина проводника, в системе СИ выражается в метрах).

    Простыми словами это означает, что чем проводник/провод длиннее, тем бОльшим сопротивлением он будет отличаться.

  2. Площадь поперечного сечения проводника.Сопротивление обратно пропорционально площади сечения проводника, таким образом: сопротивление будет тем меньше, чем площадь сечения больше.

    Площадь традиционно обозначается квадратом меры длины, чаще всего это мм2 или же см2 применимо к проводам. Представить поперечное сечение визуально не так уж трудно: разрежем/откусим провод в изоляции и посмотрим на место среза, площадь которого и будет искомым значением сечения. Площадь сечения обозначается буквой S.

  3. Материал проводника и значение удельного сопротивления того или иного материала.Как известно, различные материалы по-разному пропускают через себя электрический ток, что напрямую связано с их структурой. Лучше всего ток пропускают драгоценные металлы, хуже всего различные полимеры и газовые среды, например воздух.

    физика электромагнитные явления 11cДанные значения проводимости различных материалов и их сочетаний хорошо изучены и представлены втаблице удельного сопротивления материалов. Обозначается параметр символом ρ («ро»).

Исходя из вышесказанного, существует формула расчёта сопротивления проводника с учётом перечисленных параметров и выглядит она следующим образом:

где R — сопротивление (Ом); ρ — удельное сопротивление материала; l — длина проводника (м); S2 — площадь сечения проводника (мм2). Зная какие-либо значения по этой формуле мы можем находить остальные, пользуясь математическими правилами.

Регулирование ключевых электрических параметров по закону Ома

Для управления или регулирования ключевых параметров по закону ома существует специальное устройство под названиемреостат.

Читайте также: Выдвижные розетки для столешницы: как установить их самостоятельно

Принцип его работы основан на плавном изменении сопротивления в сторону возрастания или убывания последнего, а именно за счёт «включения» в работу большего или меньшего проводника по длине. За счёт этого автоматически изменяется сила тока и напряжение в сети. На основе реостатов устроены любые схемы управления, например регуляторы громкости в автомагнитолах и т.п.

Последовательное и параллельное подключение

В электрических цепях существуют два основных типа подключения потребителей питания или же резисторов (от англ. resist — сопротивление). На данных принципах держится всё построение электрических цепей самой разной сложности и количества устройств. Конечно же, в автозвуке крайне необходимо правильное понимание данных принципов подсоединения, который мы будем использовать при коммутации усилителей, магнитолы, акустических систем и т.п.

Два типа подключения:

  1. Последовательное подключение— это такое подключение, в котором потребители включаются в электрическую цепь последовательно друг за другом. В этом случае есть источник электрического тока, проводник и соединённый с этим проводником потребитель или несколько.На примере такое подключение выглядит следующим образом: допустим, нам надо подключить к аккумулятору несколько усилителей мощности. Тогда мы тянем «+» провод к соответствующей клемме первого уилителя, а потом от этой клеммы усилителя тянем «+» дальше к плюсовой клемме второго усилителя. Точно так же соединяем «-» отрицательные клеммы. Типичный и наглядный пример последовательного подключения. Главной особенностью такой коммутации важно отметить, что в момент выхода из строя одного из потребителей в такой схеме произойдёт размыкание всей цепи.

    физика электромагнитные явления 13bДанный вариант подключения обуславливает несколько закономерностей, с которыми непременно придётся столкнуться, поэтому важно их учитывать. Так, сила тока (I) при последовательном подключении остаётся неизменной на всех его участках, тогда как напряжение (U) и сопротивление (R) падают с каждым новым потребителем в цепи, а общую закономерность этого падения можно выразить суммой напряжений (U1+U2+U3…) и суммой сопротивлений (R1+R2+R3…) всех резисторов в цепи. В таком случае общее сопротивление цепи пытаются представить эквивалентным, т.е. условно равному (в сумме всех сопротивлений) какому-либо проводнику с получившимся значением.

  2. Параллельное подключение— это такое подключение, в котором потребители включаются в электрическую цепь через промежуточную пару точек или узлов, располагаясь как бы параллельно (независимо) относительно друг друга. В процессе этого ток как бы разделяется на два направления.На примере такое подключение выглядит следующим образом: допустим, нам надо подключить к аккумулятору несколько усилителей мощности. Тогда мы тянем «+» и «-» провода к неким точкам/узлам, пусть это будут дистрибьютеры или распределители питания. От этих узлов питание идёт дальше и уже запитывает параллельно друг от друга каждую пару клемм усилителей. В случае выхода из строя любого потребителя в такой схеме цепь продолжит функционировать и остальные потребители будут работать.

физика электромагнитные явления 13aДанный вариант подключения так же обуславливает ряд своих закономерностей, которые необходимо знать и учитывать, пользуясь таким типом подключения. Так, сила тока (I) при последовательном подключении суммируется за пределами узловых участков (I1+I2+I3…); а вот напряжение (U) остаётся неизменным на всех участках цепи (U=U1=U2=U3…). Чтобы узнать сопротивление при параллельном подключении потребителей, необходимо воспользоваться законом Ома, исходя из которого получится формула, по которой будет суммироваться дробное значение: 1/R=1/R1+1/R2…

Работа электрического тока

Когда речь заходит об электрическом токе, то нам всегда интереснее и ценнее практический результат, который можно увидеть и получить лишь в процессе некой работы. Такая работа в привычном понимании обычно является результатом превращения одного вида энергии в другой, например, электрической в механическую или тепловую и т.д. Наглядный пример с работой акустической системы/динамика, где происходит преобразование электрической энергии в механическую и тепловую, результируя образованием звуковых волн. В случае с током такую работу выполняет непосредственно электрическое поле.

Работа электрического поляопределяется произведением электрического напряжения в проводнике на заряд, протекающий в нём. В виде формулы это выглядит так:

(где A — работа электрического поля [Дж], U — напряжение [В], q — заряд в проводнике [Кл]). На основании этой формулы можно так же найти напряжение или заряд, зная остальные параметры.

Электрическое напряжение:

Электрический заряд:

физика электромагнитные явления 14aВспоминая ранее полученную формулу электрического заряда (q) как произведения силы тока (I) на время (t), можно вывести окончательную формулу для расчёта работы электрического тока:

(где A — общая работа электрического тока [Дж], U — электрическое напряжение в проводнике [В], I — сила тока [А], t — время перемещения зарядов (с)). Из этой формулы так же можно вычислить напряжение, силу тока или время, зная остальные параметры. Напряжение:

Сила тока:

Время прохождения заряда:

Таким образом,работа электрического токапредставляется произведением силы тока на отдельном участке цепи, напряжению на концах отрезка этого участка и времени, за промежуток которого заряд протекает по этому участку проводника.

Индуктивность

Проводник, через который проходит изменяющийся ток, способен накапливать энергию путём использования магнитного поля. У прямолинейного отрезка провода эта способность имеет незначительную величину.

Однако, если речь идёт о катушке, то её величина гораздо сильнее. Эта характеристика называется индуктивностью. Она обозначается как «L» и играет важную роль при определении различных характеристик электромагнитного поля.

Магнитный поток в определённом контуре можно выразить посредством формулы Ф = L* I, а электродвижущую силу в виде E = L* (dI/dt).

Ток, проходящий через контур, способен создать электромагнитное поле, причём оно будет тем сильнее, чем быстрее будут происходить его изменения.

На практике для увеличения индуктивности катушки используют вставленные внутрь стержни из ферромагнетика.

Мощность электрического тока

Чтобы привести понятие работы электрического тока к понятному нам виду существует термин мощности.Электрическая мощность— это работа электрического тока, совершённая за некий отрезок времени. Соответственно для нахождения мощности есть формула, которая отражает отношение совершённой работы ко времени:

(где P — электрическая мощность [Вт], A — работа электрического тока [Дж], t — время (с)).

физика электромагнитные явления 15Из вышеприведённой формулы так же можно получить значения работы или же времени, используя математические правила:

и

Так же можно вывести формулу мощность из закона Ома для участка цепи, где получится:

т.е.электрическая мощность равняется произведению силы тока на сопротивление. Так же из закона Ома выводится и другая ценная формула, которая может пригодиться на практике:

Для измерения электрической мощности напрямую существует специальный прибор под названиемваттметр. Параметр мощности по сути характеризует производительность того или иного прибора или потребителя. Если мощность возрастает, то вместе с ней автоматически возрастает и сила тока в проводнике, при этом напряжение остаётся постоянным и не меняется.

Нагрев проводников электрическим током и закон Джоуля-Ленца

В процессе протекания электрического тока по любому проводнику (металлы, жидкости, газы) выделяется тепловая энергия, а проводник или среда нагреваются. В металлах это происходит благодаря направленному движению отрицательно заряженных частиц электронов; в жидких проводниках нагрев обусловлен движением ионов (частиц с избытком или недостатком электронов); в газовых средах (при совпадении определённых условий) нагрев так же объясняется движением ионов и электронов, при этом нагревается сама среда/пространство, где протекает электрический ток. Во всех перечисленных случаях образования тепловой энергии объясняется взаимодействием движущихся частиц в направленном движении с остальными, составляющими структуру проводника, но находящихся в покое.

физика электромагнитные явления 16aОт работы электрического поля соответственно зависит количество выделяемого тепла в проводнике. Чем больше сила тока, тем больше нагрев. Однако, степень выделения тепла так же зависит и от сопротивления проводника. В результате исследований была открыта формула выделения тепла в проводнике в следствие протекания по нему электрического тока, которая называется формулой Джоуля-Ленца (в честь двух учёных, одновременно открывших эту зависимость):

(где Q — количество теплоты [Дж], I — сила тока [А], R — сопротивление [Ом], t — время протекания заряда в проводнике [с]).

физика электромагнитные явления 16bФормула по вычислению количества тепла полностью соответствует формуле по нахождению работы электрического тока:

Следовательно, работа электрического тока и количества выделяемого тепла соответствуют друг другу, с учётом некоторых погрешностей, не учтённых в представленных формулах.

Опасность короткого замыкания и предохранители

Электрические цепи, в частности проводники, чаще всего рассчитаны на определённую силу тока, которую они могут выдержать без последствий. В проводниках определяющим параметром будет площадь сечения. Однако никогда не исключено возникновений ситуаций, когда сила тока многократно возрастает, выходя за допустимые пределы цепи/проводника. В этом случае обычно происходит перегрев проводника и воспламенение его изолирующей проводки, что конечно же является потенциально пожароопасной ситуацией. Такое наиболее вероятно в следствии превышения числа потребителей относительно расчётных параметров цепи, а так же в результате короткого замыкания.

физика электромагнитные явления 17aПодкоротким замыканиемпонимается обычно ситуация, когда конец провода цепи под напряжением соприкасается с проводником, сопротивление которого значительно ниже сопротивления в цепи. За счёт того, что сопротивление во всей цепи становится незначительным, это приводит к мгновенному повышению силы тока и накаливанию проводника. Такая ситуация чаще всего происходит при случайном соприкасании оголённых проводов под напряжением.Для защиты от возникновения любых потенциально опасных ситуаций (в том числе и человеческих ошибок) существуют специальные предохранители. Назначение этих элементов просто — мгновенно обесточить/оборвать линию в случае возникновения короткого замыкания или же перегрузки по току. Предохранители бывают разные по устройству: плавкие, электромеханические, полупроводниковые, на основе электронных компонентов, самовосстанавливающиеся и т.п. Однако принцип и назначение у них одинаковое и основной функцией остаётся защитная.

физика электромагнитные явления 17bРазличные (чаще всего плавкие) предохранители постоянно используются при построении звуковых систем в автомобиле самого разного уровня сложности. Не стоит пренебрегать этими элементами даже в случае коммутации магнитолы/головного устройства и пары динамиков, т.к. безопасность всегда должна быть в приоретете!

Магнитное поле тока

В завершении, физика электромагнитные явления обозначает связь электрических явлений с магнитными, хотя у них и различная природа. Помимо электрического поля, проводник под действием протекающего в нём тока обладает так же и магнитным полем. Это было подтверждено опытами с магнитной стрелкой вблизи проводника: когда по проводнику не протекает электрический ток — магнитная стрелка остаётся в покое, а когда по проводнику пускают ток — стрелка разворачивается и реагирует на появившееся магнитное поле. Таким образом магнитное поле появляется только в следствии протекания электрического тока, направленного упорядоченного движения электрических зарядов.А значит вокруг электрического поля всегда образуется магнитное.Так же магнитное поле способно воздействовать на другие проводники под напряжением, попадающими в область этого поля, которые начинают иначе себя вести/двигаться. Магнитное поле по форме образует окружность вокруг проводника. Линии магнитного поля исходят из северного полюса магнита и замыкаются на южном полюсе.

Магнитное поле— это некая форма материи (почти как и электрическое поле), которая образуется вокруг проводника с движущимися электрическими зарядами/протекающим электрическим током и воздействует с некоторой силой на другие заряженные частицы, попадающие в это поле. Визуально магнитное поле можно представить ореолом/сферой, окружающей проводник или же постоянный магнит.

Необычные факты, подтверждающие использование электромагнитного поля

Записи древних времен подтверждают, что император Нерон, страдающий ревматизмом, лечился электрованнами. Суть лечения состояла в том, что в деревянную кадку, заполненную водой, помещались электрические скаты. При погружении в эту ванну, на человека действовал электрический ток.

Интересным фактом есть создание электроняни в Швейцарии. Суть данного изобретения состояла в том, что под детскую пелёнку подкладывалась металлическая сетка с низковольтным источником тока и электрическим звоночком. Когда ребёнок мочил пелёнку, срабатывал звоночек, который оповещал мать о том, что нужно сменить пелёнку.

В морозных регионах есть проблема сливания нефтяных продуктов, так как их вязкость увеличивается при понижении температуры. Учеными была разработана технология электроиндукционного нагрева емкостей, позволяющая уменьшить энергетические затраты.Использование электромагнитного поля позволяет определять отпечатки пальцев того, кто брал в руки патрон. Это происходит таким образом: патрон в качестве электрода помещается в электрическое поле вакуума и на него напыляется металлическая пленка, на которой проявляются отпечатки пальцев, легко поддающиеся идентификации.

Катушка с током и электромагниты

Классичесским и наиболее интересным излучателем сильного магнитного поля являетсякатушка. Её конструкция довольна проста: на какое-то произвольное основание (например пластик) наматываются витки проводника без изоляции, а затем на проводник подаётся электрический ток. Катушка под током ведёт себя на манер магнита: она обращается своими концами к северному и южному полушарию соответственно, если подвесить такую катушку в воздухе.

А так же катушка способна притягивать к себе металлические предметы, в общем её характеристики условно идентичные тем, что наблюдаются у постоянных магнитов.Вокруг всей катушки образуется магнитное поле (как и вокруг обычного проводника) и его сила прямо пропорциональна количеству витков проводника на катушке и силе тока, протекающему по ней.

физика электромагнитные явления 19bМагнитное действие катушки также многократно усиливается, если в её центр поместить металлический сердечник. Катушка с расположенным внутри неё металлическим сердечником называетсяэлектромагнитом.

Правило Ленца

Это правило даёт возможность правильно определить направление индукционного тока в различных ситуациях. Оно формулируется следующим образом:направление тока, порождённого индукцией, создаёт такое изменение магнитного потока, препятствующее изменению внешнего поля, благодаря которому оно возникло.

Это можно пояснить на следующем примере. Будет рассмотрена ситуация, когда внешнее магнитное поле со временем будет возрастать, а его силовые линии направлены вверх.

Это произойдёт, например, в той ситуации, когда снизу к контуру, расположенному горизонтально, будут приближать магнит так, чтобы его северный полюс был обращён вверх. В этом случае магнитный поток будет увеличиваться, создавая электродвижущую силу.

В контуре будет создан индукционный ток. Он будет таким, чтобы магнитные силовые линии были противоположными по отношению к тем, которые характеризуют первоначальное. Теперь можно определить направление индукционного тока в контуре.

Как известно, если смотреть со стороны создаваемого поля, то он будет направлен по часовой стрелке. То есть, если смотреть сверху, направление будет против неё.

На этом примере можно увидеть, как с помощью правила Ленца можно определить направление магнитного поля и индукционного тока.

Взаимодействие проводников с магнитным полем и электродвигатель

Магнитное поле взаимодействует с электрическим током, протекающим в проводниках. Магнитное взаимодействие между несколькими проводниками с электрическим током характеризуется в основном направленностью: если ток в двух проводниках, расположенных в непосредственной близости друг от друга, протекает в одном направлении — то такие токи притягиваются друг к другу; а если ток протекает в разных направлениях — то наблюдается эффект отталкивания. Это происходит из-за того, что каждое магнитное поле имеет свои полюса, а именно южный и северный. Соответственно, в случае взаимодействия друг с другом разноимённых полюсов происходит притяжение, а в случае взаимодействия одноимённых можно наблюдать отталкивание (происходящая закономерность похожа на взаимодействие зарядов с разными или одинаковыми знаками).

физика электромагнитные явления 20aПроводник с электрическим током взаимодействует с магнитным полем другого проводника заряженного проводника, но он может так же беспрепятственно взаимодействовать и с магнитным полем постоянных магнитов. В этом случае взаимодействие аналогично: в зависимости от направления течения тока в проводнике он будет либо притягиваться, либо же отталкиваться от магнита.

В основе этого магнитного взаимодействия лежит принцип функционирования электродвигателя, который в простейшем варианте выглядит так: рамка/каркас с намотанной на неё проволкой помещается в магнитное поле. По проволке пускают электрический ток и он начинает взаимодействовать с окружающим полем, а именно вращаться в какую-либо сторону на 90 градусов (пока заканчивается взаимодействие с тем или иным полюсом). Если после полного поворота на 90 градусов поменять направление течения тока, то рамка совершит ещё один поворот на 90 градусов в том же направлении. Таким образом, постоянно меняя направление тока в рамке получается непрерывное её вращение, на основании которого и функционирует электродвигатель.

физика электромагнитные явления 20bБолее совершенный электродвигатель состоит из нескольких частей, оптимизированных по размеру и форме. Обычно это неподвижная часть под названиемстатор, состоящая из магнита с двумя полюсами; и подвижная вращающаяся частьротор, представляющая собой видоизменённую рамку с намотанным на неё проводом под током. Вращение ротора достигается переменой направления течения тока в роторе, за счёт которого вращательный импульс от магнитного поля статора сохраняется. Конструкции электродвигателей могут слегка отличаться и меняться, но общий принцип сохраняется.Вот так в общих чертах выглядит физика электромагнитные явления. Данный раздел крайне важен для любого человека, который рискнёт попытать счастья на поприще автозвука. Несмотря на то, что изложенная информация кажется достаточно простой и местами интуитивно-понятной, однако полное понимание написанного убережёт как и от глупых и досадных ошибок, так и поможет сберечь дорогостоящие компоненты и организовать правильную коммутацию будущей системы. В следующей статье мы подробно разберём механизм колебательного и волнового движения, а так же узнаем, что из себя представляет такое явление как «звук».

Что такое электромагнитные явления в физике

Впервые электромагнитными явлениями заинтересовался Фарадей. С того времени электромагнетизм в естествознании и физике изучается достаточно долго. Однако принципы взаимодействия электролитов и электромагнитного поля начали исследовать сравнительно недавно ученые астрофизики. По их предположению, вся масса космической материи состоит из высокоионизированного газа, то есть плазмы. С помощью научных исследований удалось получить большое количество знаний, относительно электромагнитной динамики.Электромагнетизм является разделом физики, изучающим электромагнитные силы, возникающие между электрически заряженными частицами.

Роль электромагнетизма в физике космоса сложно переоценить. Это связано с наличием массы магнитных полей, которые оказывают влияние на движение зарядов. В определенных обстоятельствах сила электромагнетизма превосходит силу гравитации. В XIX веке был создан телеграф, как пример применения электромагнетизма для передачи информации на расстояние. Телеграфия основана на том, что любые данные в виде цифр или букв перемещаются с помощью закодированных знаков.

Со временем в процессе изучения электромагнитных явлений в природе ученые определили ряд закономерностей, которые являются их характеристиками и отличаются от закономерностей, описывающих механику. В электронике электромагнетизм описывают по средствам сложных взаимодействий величин, определяемых временем и координатами в пространстве. Изучая непростые электронные устройства, ученые сталкиваются с обширными описаниями.

Электромагнетизм исследуют не автономно. В процессе изучения явлений ученые сделали вывод о том, что они связаны с механикой. На основании комплексных исследований была сформулирована теория относительности, где четырехмерное пространство со временем было представлено в виде единого многообразия, а время и пространство разделялись условно. Важным свойством, характерным для электромагнитных явлений, является изменение параметров образцов, начиная от полностью ферромагнитных и заканчивая вовсе немагнитными.

Исследования в области электромагнетизма продолжаются в настоящее время. Сформировать корректное материалистическое понимание явлений можно на основании отечественной литературы по физике. Изучение электромагнетизма позволило ученым определить, что пространство, которое окружает проводник с электрическим током, представлено в виде магнитного поля. Таким образом, при наличии электрического тока обязательно возникнет магнитное поле.

Развитие электромагнитной теории связано с исследованиямиФарадеяиМаксвелла. Ученым удалось сформулировать основополагающие понятия в этой области. Фарадей открыл электромагнитную индукцию, что позволило Максвеллу выдвинуть теорию электромагнитного поля. Исследования заключались в проведении опытов с магнитной стрелкой, которую помещали около заряженного проводника.

В результате экспериментов был сделан вывод о воздействии на магнитную стрелку особого состояния окружающей среды, а не конкретно движущихся по проводнику зарядов. С помощью данных наблюдений было введено понятие магнитного поля, которое состоит из магнитных линий, пронизывающих окружающее пространство и способных индуцировать электрический ток.

Добавить комментарий