МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
Магниты – это материалы, которые создают вокруг себя магнитное поле. Магниты имеют два полюса – северный и южный. Силовые линии магнитного поля исходят из северного полюса и сходятся в южном полюсе. Одинаковые полюса магнитов толкают друг друга, а разные полюса – притягиваются.
В природе встречаются природные магниты (магнетиты) и материалы, способные намагничиваться (ферромагнетики).
Ферромагнитные материалы (например: железо, никель или кобальт) состоят из определенных намагниченных областей, называемых доменами. Под действием внешнего магнитного поля, магнитные поля доменов имеют свойство выравниваться с направлением внешнего магнитного поля, тем самым усиливая его. Когда внешнее магнитное поле удаляется, ферромагнетики остаются намагниченными.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Электрические частицы (электроны, ионы) создают в окружающем их пространстве электрическое поле. Электрическое поле, не изменяющееся во времени, называется электростатическим полем, а изменяющееся электрическое поле – переменным электрическим полем.
Направленное движение электрических частиц в электрическом поле называется электрическим током. Свободные электроны создают ток в металлах, а ионы в жидкостях и газах.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
Магнитное поле возникает не только вокруг магнитов, но и вокруг движущихся электрических зарядов (электрический ток). Это явление называется электромагнитной индукцией. Благодаря ему работают электромагниты, беспроводные зарядные устройства и электродвигатели.
Электромагниты состоят из ферромагнитного сердечника, намотанного на электропроводящие обмотки. Электрический ток, протекающий по обмоткам, создает магнитное поле, которое усиливается ферромагнитным сердечником в сотни и даже тысячи раз. При прерывании электрического тока, электромагнит теряет свои магнитные свойства.
Электромагнитная индукция работает и в обратном направлении – изменяющееся магнитное поле вызывает движение электрических зарядов (в обмотках возникает электрический ток). Это явление используется в электрических генераторах для производства электроэнергии.
КАК РАБОТАЕТ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ?
Электрический генератор – это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции, когда за счет вращения ротора изменяется магнитный поток, пронизывающий его поперечное сечение, что создает (индуцирует) электрический ток в обмотках ротора. Сила этого тока зависит от количества рамок и обмоток, составляющих ротор, площади рамок, скорости вращения и силы магнитов.
Ротор представляет собой вращающуюся часть генератора, помещенную в магнитное поле, создаваемое магнитом статора.
Ротор состоит из рамы, обернутой катушками, по которым течет наведенный электрический ток.
Статор – это неподвижная часть генератора, содержащая магниты или электромагниты, создающие магнитное поле для ротора.
В генераторах переменного тока токосъемные кольца вращаются вместе с ротором, передавая электрический ток в цепь через неподвижные угольные щетки, которые прижимаются к ним.
В генераторах постоянного тока коммутатор передает электричество от ротора к цепи. Контакты коммутатора меняются местами, предотвращая изменение полярности тока.
Ось соединена с турбиной, которая вращает ротор.
Генераторы переменного тока производят электричество, полярность напряжения которого периодически меняется (как домашняя электрическая розетка).
Генераторы постоянного тока (также называемые динамо-машинами) имеют коммутатор, который предотвращает изменение полярности напряжения.
ВЫЗОВ:
- Вкрути ротор генератора с помощью ручки.
- Изменяй скорость и направление вращения и наблюдай, в каком направлении течет ток, генерируемый ротором.
- Используя рычаг, меняй тип генератора с переменного тока на постоянный ток и наоборот.
- Обрати внимание на то, как изменится производительность генератора после изменения типа генератора.
- После генерации достаточного количества энергии, получится энергетический квант.
ВЫЗОВ:
- Выбери мелодию и измени ее громкость.
- Источник звука подключается к динамикам и электромагнитам, между которыми помещаются железные опилки.
- Электромагниты создают магнитное поле. Он заставляет железные опилки слипаться и образовывать различные формы.
- Наблюдай, как меняются фигуры при разной громкости звука.
- За просмотр танца железного осколка, получишь энергетический Квант.
ВЫЗОВ:
- Вставь или извлеки магнит из катушки с помощью рукоятки.
- При движении магнита, магнитное поле, пронизывающее катушку, изменяется, поэтому в катушке индуцируется электрический ток.
- Двигай магнит в обе стороны, с разной скоростью и наблюдай, как от него зависит направление и сила тока.
- За выработку достаточного количества электрического тока получишь Квант энергии.
ГДЕ МЫ ИСПОЛЬЗУЕМ МАГНИТЫ, ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ?
CЕГОДНЯ
- Гигантские генераторы вырабатывают большую часть электроэнергии на различных типах электростанций по всему миру;
- Одни из самых мощных в мире электромагнитов используются в ускорителях частиц (таких как ЦЕРН) и испытательных ядерных реакторах (таких как ИТЭР);
- Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует мощные магниты для визуализации внутренних органов человека.
ВЧЕРА
- Компас с магнитной стрелкой был одним из первых изобретений, облегчавших ориентацию в путешествии.
- Первые генераторы постоянного тока (динамо-машины) использовались для уличного освещения. Из-за больших потерь они снабжали электроэнергией расстояние не более 2 километров.
ЗАВТРА
- Эффективные линейные генераторы обеспечат резервное электроснабжение важных заводов или зданий.
- Высокоэффективные генераторы с прямым приводом уменьшат количество компонентов ветровой энергии, им не потребуются редукторы.
- Поезда на магнитной подушке со встроенными сверхпроводящими электромагнитами позволят развивать более высокие скорости, чем самолеты.
- Магнитно-ионные двигательные установки позволят космическим кораблям достигать других планет намного быстрее.