Магнітні властивості речовини.

Магнітне поле утворюється не тільки навколо провідників із струмом, а й постійними магнітами. Їх можна виготовляти тільки з небагатьох речовин. Але всі речовини, вміщені в магнітне поле, намагнічуються, тобто самі утворюють магнітне поле. Тому вектор магнітної індукції в однорідному середовищі відрізняється від індукції магнітного поля ₀ в тій же частині простору у вакуумі. Отже, значення магнітної індукції залежить від середовища, в якому існує магнітне поле, тобто магнітна індукція характеризує магнітне поле з урахуванням дії цього середовища.

Величина , що дорівнює відношенню модуля магнітної індукції B поля в довільному середовищі до модуля магнітної індукції B ₀ цього ж поля у вакуумі, характеризує магнітні властивості цього середовища, і її називають магнітною проникністю. Матеріали, які в зовнішньому магнітному полі намагнічуються (тобто в них з'являється власне магнітне поле), називають магнетиками. Причину, внаслідок якої тіла мають магнітні властивості, вперше встановив Ампер: магнітні властивості тіла можна пояснити струмами, які циркулюють у ньому. Ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах. Якщо площини, у яких циркулюють ці струми, розміщено хаотично одна відносно одної (рис.1, а), то дія струмів взаємно компенсується і ніяких магнітних властивостей тіло не виявляє. У намагніченому стані струми в тілі орієнтовані так, що їх дії додаються (рис.1, б).

 

Мал.1

Парамагнетики. Діамагнетики.

За магнітною проникністю і характером взаємодій з магнітним полем магнетики поділяють на діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Речовини, у яких m < 1, називають діамагнетиками. До діамагнетиків належить більшість газів (крім кисню), вода, вісмут, цинк, свинець, мідь, срібло, золото, сірка, віск, алмаз, багато органічних сполук. Якщо зовнішнього магнітного поля немає, магнітні моменти атомів діамагнетиків дорівнюють нулю. У магнітному полі в атомах з'являється магнітний момент, напрямлений проти зовнішнього поля.

Парамагнітні речовини втягуються магнітним полем; їх магнітна проникність більша за одиницю. Атоми парамагнетиків мають відмінні від нуля магнітні моменти. Парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. До парамагнетиків належать кисень, марганець, хром, платина, алюміній, вольфрам, усі лужні й лужноземельні метали.

Феромагнетики.

До феромагнетиків належать матеріали, які сильно взаємодіють з магнітним полем і магнітна проникність яких у певному температурному інтервалі значно більша за одиницю. Феромагнітні властивості мають тільки кристалічні тіла. У рідкому, або газоподібному стані феромагнетики стають парамагнітними. Феромагнетики мають окремі ділянки, атоми в яких мають однаково напрямлені магнітні моменти. У зовнішньому магнітному полі такі ділянки (їх називають доменами) орієнтуються однаково.Магнітна проникність феромагнетиків у слабких полях дорівнює п'ять - шість тисяч, а в сильних - зменшується до кількох сотень. Якщо їх нагрівати вище від певної температури (точка Кюрі), вони втрачають свої властивості і стають парамагнетиками. Для заліза точка Кюрі становить 770 °С, нікелю - 360 °С, пермалою (сплав 70 % і 30 %) - всього 70 °С.

Розглянемо процес намагнічування феромагнітної речовини. Для цього однорідний стрижень (наприклад, із заліза) внесемо у зовнішнє магнітне поле (наприклад, у котушку зі струмом). Унаслідок зростання індукції зовнішнього магнітного поля B ₀, створеного котушкою, відбуватиметься намагнічування цього феромагнітного стрижня, тобто зростання в ньому магнітної індукції B (рис.2, ділянка OA).

Мал.. 2

У точці А стрижень досягає стану магнітного насичення, коли зі зростанням ₀ магнітна індукція всередині стрижня майже не змінюється. Коли після цього починають зменшувати індукцію зовнішнього поля, то графік буде спрямовано в напрямі АВ (В залишкове) При цьому стрижень залишається намагніченим за відсутності зовнішнього магнітного поля. Після цього стрижень можна вийняти з котушки і використати як постійний магніт.

Для розмагнічування стрижня струм у котушці спрямовують у зворотному напрямі, поступово збільшуючи силу струму (крива AB _зал В _к).

Модуль індукції _к зовнішнього поля, яке потрібне для розмагнічування феромагнетика, називають коерцитивною силою (затримувальною) силою. Речовини з малою коерцитивною силою називають магнітно-м'якими феромагнетиками, з великою - магнітно-жорсткими.

Збільшуючи індукцію зовнішнього протилежно напрямленого поля, знову досягають магнітного насичення в стрижні (точка A'). За умови B ₀ = B _к = B' _к стрижень розмагнітиться. Збільшуючи значення B ₀, стрижень знову досягає насичення в точці А.

Явище відставання магнітної індукції поля феромагнетика від індукції зовнішнього поля ₀ називають гістерезисом, а замкнену криву (мал.2) - петлею гістерезесу. Явище гістерезесу пов'язано з певною інертністю перебудови доменної структури феромагнетика в зовнішньому магнітному полі.

Магнітом'які феромагнітні матеріали (хімічно чисте залізо, електротехнічна сталь та ін.), які майже втрачають намагніченість після видалення із зовнішнього поля, використовують в тих електротехнічних пристроях, у яких відбувається неперервне перемагнічування осердь, магнітопроводів та інших частин трансформаторів, генераторів змінного струму, електродвигунів. Магнітожорсткі матеріали (вуглецева сталь, хромиста сталь і спеціальні сплави) використовують здебільшого для виготовлення постійних магнітів.

Великого застосування набули в сучасній радіотехніці ферити - феромагнітні матеріали, що не проводять електричний струм. До них належать речовини, що є хімічними сполуками оксиду заліза з оксидами інших металів. Ферити використовують для виготовлення осердь котушок індуктивності, внутрішніх антен малогабаритних приймачів тощо.

Завдяки явищу гістерезису, яке полягає у властивості магніту зберігати "пам'ять" про минуле, став можливим запис звуку в магнітофонах і довільної інформації в довготривалій пам'яті ЕОМ.

Для звукозапису в магнітофонах і відеозапису у відеомагнітофонах використовують магнітні стрічки, що складаються з гнучкої основи з поліхлорвінілу чи інших речовин, на яку нанесено робочий шар у вигляді магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза чи іншого феромагнетика і зв'язувальних речовин.

Звук записується на стрічці за допомогою електромагніта. Магнітне поле електромагніта змінюється в такт зі звуковими коливаннями.

Під час відтворення звуку спостерігається зворотний процес. Намагнічена стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення поступають на динамік магнітофона.

Тонкі магнітні плівки складаються з шару феромагнітного матеріалу товщиною 0,03 - 10 мкм. Їх використовують в запам'ятовувальних пристроях електронно-обчислювальних машин. Інформація записується і відтворюється приблизно так само, як і на звичайному магнітофоні.

Питання для самоперевірки:

1. Що називають магнітною проникністю середовища? Яка формула виражає зміст цього поняття? Що характеризує магнітна проникність речовини?

2. У чому сутність гіпотези Ампера?

3. Які тіла називають діамагнетиками? Парамагнетиками? Феромагнетиками?

4. Які основні властивості мають феромагнетики?

5. Наведіть приклади практичного використання феромагнетиків у техніці.

6. Як записується і відтворюється звук на магнітній стрічці магнітофона?

7. Як записується і зберігається інформація в ЕОМ?

 

Література: С.У. Гончаренко Фізика 10клас (§ 67, 68)

 

 

ТЕМА 9

 

Розділ: електормагнетизм.

Тема: Трансформатор.

Мета вивчення: ознайомлення з принципом роботи трансформатора; виробництва та передачі електричної енергії.

 

План вивчення:

1.Трансформатор - будова, принцип дії.

2.Електричні станції. Передача і використання енергії.

3.Проблеми сучасної електроенергетики і охорона навколишнього середовища.

1. Трансформатор

 

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до спожи­вача. Проте воно пов'язане із значними втратами в про­водах, внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює Р = І² R, де І — сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшен­ня теплових втрат у проводах лінії передач: 1) змен­шення опору проводів; 2) використання меншої сили струму. Істотно зменшити опір проводів лінії можна ли­ше за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефектив­не зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Мал. 1

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора. В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя (мал. 1). Одна із обмоток — первинна — вми­кається до джерела змінної напруги. Під час прохо­дження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникав ЕРС індукції.

Отже, якщо первинна обмотка має N₁ витків, а вто­ринна N ₂, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

К = N₁/N₂

Відношення К називають коефіцієнтом трансформа­ції. Коефіцієнт трансформації визначається при холо­стому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки.

При холостому ході (коли до кінців вторинної обмот­ки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так званий струм холостого ходу. Сила струму I₀ холо­стого ходу мала (становить приблизно 5 % номінальної сили струму), внаслідок чого спад напруги в первинній обмотці малий, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола U₁|. Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС.

Коефіцієнтом трансформації трансформатора нази­вається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході. В підвищувальному транс­форматорі коефіцієнт трансформації

К < 1 (відповідно U₂> U₁), у знижувальному К>1. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка вико­ристовується як первинна.

Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм І (такої ж самої частоти). Цей струм створює в осер­ді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца, назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення маг­нітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоін­дукції в первинній обмотці, що викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супро­воджується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в первинній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д.

При навантаженні трансформатора відбувається пе­редача енергії із первинної обмотки у вторинну. За зако­ном збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значення втрат потужності в трансформаторі.

При збільшенні навантаження понад розрахункове генератор не забезпечує постійності напруги на первин­ній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.

У різних галузях електротехніки і на виробни­цтві широко використовуються трансформатори від мініатюрних до трансформаторів величезних розмі­рів великої потужності.

 

2. Електричні станції. Передача і використання електричної енергії

Рівень розвитку продуктивних сил суспільства, здат­ність виробляти матеріальні блага і створювати кращі матеріальні умови для життя визначається рівнем вироб­ництва і споживання енергії, насамперед електричної. Електрична енергія має дві чудові якості: вона може бути передана проводами на великі відстані з порівняно малими втратами і може легко перетворюватися в інші види енергії: механічну (двигуни), внутрішню (електро-нагрівні прилади), світлову (лампи розжарювання), хімічну (зарядка акумуляторів). Ось чому виробництво, передача, розподіл і використання електричної енергії має величезне значення.

о

Виробляється електрична енергія на електростан­ціях в основному за допомогою розглянутих вище індукційних генераторів. Зараз існують три основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідроелектричні (ГЕС) і атомні (АЕС).

На теплових електростанціях енергія, яка виділяєть­ся під час спалювання різних видів палива: вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців за допомогою електрогенераторів, що приводяться в обертання паро­вими і газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, перетворюється в електричну енергію. Біль­шість сучасних потужних теплових електростанцій є паротурбінними. В парогенераторах електростанцій перегріта (до 500—560 °С) пара під великим тиском (до 2,4-10⁷ Па) спрямовується в турбіну. Об'єм пари зро­стає, а тиск відповідно падає, при цьому потенціальна енергія стиснутої пари перетворюється в кінетичну. В турбіні кінетична енергія струмин пари передається ротору турбіни. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом електрогенератора і тому турбіна приводить в обертан­ня ротор електрогенератора.

Коефіцієнт корисної дії паротурбінних електростан­цій досягає 40 %. Більша частина енергії палива втра­чається разом з гарячою парою, яка відпрацювала. Важливим напрямом підвищення економічності тепло­вих електростанцій є теплофікація — використання значної частини кількості теплоти відпрацьованої пари для потреб заводів, фабрик, для опалення і гарячого водозабезпечення житлових будинків тощо. В результаті коефіцієнт корисної дії ТЕЦ підвищується до 60—80 %. Тому в нашій країні споруджуються, як правило, ТЕЦ, що веде до великої економії палива.

На вітчизняних теплових електростанціях все шир­ше застосування знаходять газові турбіни. В камері зго­ряння такої турбіни згоряє рідке або газоподібне пали­во, яке подається разом з необхідною кількістю повітря. Продукти згоряння у вигляді газу з високою температу­рою й тиском спрямовуються на робочі лопатки газової турбіни і приводять в обертання ротор електричного генератора. ККД газотурбінних станцій не нижчий, ніж паротурбінних, але вартість їх спорудження значно нижча, особливо за наявності висококалорійного горю­чого газу.

На гідроелектростанціях (ГЕС) відбувається пере­творення потенціальної енергії піднятої греблею води в електричну енергію. Ротори електрогенераторів приво­дяться в обертання гідравлічними турбінами. Потуж­ність ГЕС залежить від створюваної греблею різниці рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни станції за секунду (витрата води).

В останні роки все більшу роль в електроенергетиці відіграють атомні електростанції (АЕС). Принцип їх роботи ґрунтується на використанні внутрішньої енергії, яка виділяється в ядерних реакторах внаслідок регу­льованої ланцюгової реакції поділу ядер урану або плутонію. Більш детально з будовою і роботою АЕС ви ознайомитесь пізніше.

Споживачі електричної енергії є скрізь. У зв'язку з цим при промисловому споживанні електричної енергії може виникнути запитання: що вигідніше? Передавати вироблену в одному місці на великій електростанції електроенергію на значні відстані чи будувати маленькі електростанції біля кожного споживача. Очевидно, однозначної відповіді на всі випадки дати не можна. Зараз вигідніше будувати великі електростанції і пере­давати енергію на великі відстані з мінімальними втра­тами. Ви вже знаєте, що для цього енергію треба переда­вати при високій напрузі.

Генератори потужних теплових, атомних або гідро­електростанцій виробляють змінний струм частотою 50 Гц і напругою 6—20 тисяч вольт. Цей струм за допомогою підвищувальних трансформаторів у кілька прийомів перетворюється в струм з напругою в 110, 220, 400, 500 чи 800 тисяч вольт і подається в лінії передач. Цими лініями струм надходить до місць споживан­ня електроенергії, де за допомогою трансформаторів напруга знижується. Тут будується спеціальна транс­форматорна підстанція, на якій напруга звичайно зни­жується до 35 тисяч вольт. Від неї електроенергія розпо­діляється по окремих районах споживання, в кожному з яких є своя трансформаторна підстанція, яка знижує напругу до 3000—6000 В або 10 000 В. Від цих район­них підстанцій енергія розподіляється між пунктами споживання (заводи, ферми, житлові будинки тощо). В кожному такому пункті є свій трансформатор, який знижує напругу до потрібного споживачам значення.

Для забезпечення житлових будинків та багатьох під­приємств напруга знижується до 220 В і по внутріш­ній мережі подається в квартири, в цехи заводів і фабрик. Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють за напруг у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють струм з напругою від 6 до 20 кВ. Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (мал. 2).

Мал. 2

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90 % споживаної людством енергії отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує його обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань перетворюється у механічну енергію, а в лампах розжарювання, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.

Велику економію при розподілі електроенергії в про­мисловості дає об'єднання всіх електростанцій того чи іншого району в одну систему, оскільки це дає можли­вість оперативно перекидати електроенергію в ту зону, де споживання енергії в даний момент максимальне.

Головним споживачем електроенергії є промисло­вість, яка щорічно споживає близько 70 % всієї вироб­люваної електроенергії. Поряд з широким використан­ням в промисловості, електрична енергія все ширше використовується в технологічних процесах. Дістали широке розповсюдження електрометалургійні, електро­механічні, електронні, ультразвукові, електроіскрові, магнітоімпульсні та інші процеси.

Важливе значення має електрифікація сільського господарства. Значна кількість електроенергії викори­стовується на транспорті і в побуті.

 

Питання для самоперевірки:

1.На якому принципі ґрунтується робота трансформатора?

2.Чи можна трансформувати постійний струм?

3. Що таке коефіцієнт трансформації?

4. Як виконується передача енергії на великі відстані?

5. В чому полягають проблеми сучасної електроенергетики?

 

Завдання для самоперевірки:

 

1.Трансформатор з коефіцієнтом трансформації 10 знижує напругу з 10000 В до 800 В. При цьому у вторинні обмотці йде струм силою 2 А. Визначити опір вторинної обмотки. Втратами енергії в первинній обмотці знехтувати

 

2.Знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації 24 увімкнено в коло з напругою 120 в. Вторинну котушку трансформатора під'єднано до приладу, яким проходить струм силою 0,5А. Визначити опір приладу, якщо опір вторинної котушки трансформатора 2 Ом.

 

Література: С.У. Гончаренко Фізика 11клас (§18,19,20)

 

 

ТЕМА 10

Розділ: Елементи теорії відносності.

Тема: Основні постулати теорії відносності Ейнштейна.

Мета вивчення: розібрати основні постулати терії відносності Ейнштейна, визначити зв'язок між масою та енергією.

План вивчення:

1. Принципи (постулати) теорії відносності Ейнштейна.

2. Маса та імпульс в теорії відносності.

3. Зв'язок між масою та енергією.