Il campo magnetico può essere creato dalla corrente di particelle cariche e/o dai momenti magnetici degli elettroni negli atomi (e dai momenti magnetici di altre particelle, anche se in misura molto minore) (magneti permanenti).
Inoltre, appare in presenza di un campo elettrico variabile nel tempo.
La caratteristica di potenza principale campo magneticoè vettore di induzione magnetica (vettore di induzione del campo magnetico) . Da un punto di vista matematico, è un campo vettoriale che definisce e specifica il concetto fisico di campo magnetico. Spesso il vettore di induzione magnetica è chiamato semplicemente campo magnetico per brevità (sebbene questo non sia probabilmente l'uso più rigoroso del termine).
Un'altra caratteristica fondamentale del campo magnetico (induzione magnetica alternativa e ad essa strettamente correlata, praticamente uguale ad esso in valore fisico) è potenziale vettoriale .
Un campo magnetico può essere chiamato un tipo speciale di materia, attraverso il quale viene effettuata l'interazione tra particelle cariche in movimento o corpi che hanno un momento magnetico.
I campi magnetici sono una conseguenza necessaria (nel contesto) dell'esistenza dei campi elettrici.
Il campo magnetico è creato (generato) dalla corrente delle particelle cariche, o dal campo elettrico variabile nel tempo, o dai momenti magnetici intrinseci delle particelle (questi ultimi, per uniformità del quadro, possono essere formalmente ridotti alle correnti elettriche).
In casi semplici, il campo magnetico di un conduttore percorso da corrente (compreso il caso di una corrente distribuita arbitrariamente nel volume o nello spazio) può essere trovato dalla legge di Biot-Savart-Laplace o dal teorema di circolazione (è anche la legge di Ampère). In linea di principio, questo metodo è limitato al caso (approssimativo) della magnetostatica, ovvero al caso di campi magnetici ed elettrici costanti (se si tratta di un'applicabilità rigorosa) o che cambiano piuttosto lentamente (se si parla di un'applicazione approssimativa).
In più situazioni difficiliè ricercato come una soluzione alle equazioni di Maxwell.
Il campo magnetico si manifesta nell'effetto sui momenti magnetici di particelle e corpi, sulle particelle cariche in movimento (o conduttori di corrente). La forza che agisce su una particella elettricamente carica che si muove in un campo magnetico è chiamata forza di Lorentz, che è sempre diretta perpendicolarmente ai vettori v e B. È proporzionale alla carica della particella q, la componente di velocità v, perpendicolare alla direzione del vettore del campo magnetico B, e l'entità dell'induzione del campo magnetico B. Nel sistema di unità SI, la forza di Lorentz è espressa come segue:
nel sistema di unità CGS:
dove le parentesi quadre denotano il prodotto vettoriale.
Inoltre (a causa dell'azione della forza di Lorentz sulle particelle cariche che si muovono lungo il conduttore), il campo magnetico agisce sul conduttore con la corrente. La forza che agisce su un conduttore percorso da corrente è chiamata forza ampere. Questa forza è la somma delle forze che agiscono sulle singole cariche che si muovono all'interno del conduttore.
Uno dei più comuni in vita ordinaria manifestazioni del campo magnetico - l'interazione di due magneti: i poli identici si respingono, quelli opposti si attraggono. Sembra allettante descrivere l'interazione tra magneti come un'interazione tra due monopoli e, da un punto di vista formale, questa idea è abbastanza realizzabile e spesso molto conveniente, e quindi praticamente utile (nei calcoli); tuttavia, un'analisi dettagliata mostra che in realtà questo non è completamente descrizione corretta fenomeno (la domanda più ovvia che non può essere spiegata nell'ambito di un tale modello è la questione del perché i monopoli non possono mai essere separati, cioè perché l'esperimento mostra che nessun corpo isolato ha effettivamente una carica magnetica; inoltre, il punto debole del modello è che è inapplicabile ad un campo magnetico creato da una corrente macroscopica, e quindi, se non considerata come una tecnica puramente formale, porta solo ad una complicazione della teoria in senso fondamentale).
Sarebbe più corretto dire che una forza agisce su un dipolo magnetico posto in un campo disomogeneo, che tende a ruotarlo in modo che il momento magnetico del dipolo sia co-diretto con il campo magnetico. Ma nessun magnete subisce una forza (totale) da un campo magnetico uniforme. Forza che agisce su un dipolo magnetico con momento magnetico mè espresso dalla formula:
La forza che agisce su un magnete (non essendo un dipolo a punto singolo) da un campo magnetico disomogeneo può essere determinata sommando tutte le forze (definite da questa formula) agenti sui dipoli elementari che compongono il magnete.
Tuttavia, è possibile un approccio che riduca l'interazione dei magneti alla forza Ampère, e la formula stessa sopra per la forza che agisce su un dipolo magnetico può anche essere ottenuta in base alla forza Ampère.
campo vettoriale H misurata in ampere per metro (A/m) nel sistema SI e in oersted nel CGS. Oersteds e gausses sono quantità identiche, la loro separazione è puramente terminologica.
L'incremento della densità di energia del campo magnetico è:
H- intensità del campo magnetico, B- induzione magneticaNell'approssimazione del tensore lineare, la permeabilità magnetica è un tensore (lo denotiamo ) e la moltiplicazione di un vettore per esso è una moltiplicazione del tensore (matrice):
o nei componenti.La densità di energia in questa approssimazione è uguale a:
sono le componenti del tensore di permeabilità magnetica, è il tensore rappresentato dalla matrice inversa della matrice tensoriale permeabilità magnetica, - costante magneticaQuando gli assi coordinati vengono scelti in modo che coincidano con gli assi principali del tensore di permeabilità magnetica, le formule nelle componenti sono semplificate:
sono le componenti diagonali del tensore di permeabilità magnetica nei propri assi (le altre componenti in queste coordinate speciali - e solo in esse! - sono uguali a zero).In un magnete lineare isotropo:
- permeabilità magnetica relativaSottovuoto e:
L'energia del campo magnetico nell'induttore può essere trovata dalla formula:
Ф - flusso magnetico, I - corrente, L - induttanza di una bobina o bobina con corrente.Da un punto di vista fondamentale, come accennato in precedenza, un campo magnetico può essere creato (e quindi - nell'ambito di questo paragrafo - e indebolito o rafforzato) da un campo elettrico alternato, correnti elettriche sotto forma di flussi di particelle cariche o momenti magnetici delle particelle.
Struttura microscopica specifica e proprietà di varie sostanze (nonché loro miscele, leghe, stati aggregati, modificazioni cristalline, ecc.) portano al fatto che a livello macroscopico possono comportarsi in modo del tutto diverso sotto l'azione di un campo magnetico esterno (in particolare, indebolendolo o rafforzandolo in varia misura).
A questo proposito, le sostanze (e i mezzi in genere) in relazione alle loro proprietà magnetiche si suddividono nei seguenti gruppi principali:
Correnti di Foucault (correnti parassite) - correnti elettriche chiuse in un conduttore massiccioderivante da un cambiamento nel flusso magnetico che lo penetra. Sono correnti di induzione che si formano in un corpo conduttore o a causa di una variazione nel tempo del campo magnetico in cui si trova, o come risultato del movimento del corpo in un campo magnetico, che porta ad una variazione del flusso magnetico attraverso il corpo o una parte di esso. Secondo la regola di Lenz, il campo magnetico delle correnti di Foucault è diretto in modo da opporsi alla variazione del flusso magnetico che induce queste correnti.
Sebbene i magneti e il magnetismo fossero conosciuti molto prima, lo studio del campo magnetico iniziò nel 1269, quando lo scienziato francese Peter Peregrine (il cavaliere Pierre di Méricourt) notò il campo magnetico sulla superficie di un magnete sferico usando aghi di acciaio e stabilì che il le linee del campo magnetico risultanti si intersecavano in due punti, che chiamò "poli" per analogia con i poli della Terra. Quasi tre secoli dopo, William Gilbert Colchester utilizzò l'opera di Peter Peregrinus e per la prima volta affermò definitivamente che la terra stessa era una calamita. Pubblicato nel 1600, opera di Gilbert De Magnete, ha gettato le basi del magnetismo come scienza.
Tre scoperte di fila hanno messo in discussione questa "base del magnetismo". In primo luogo, nel 1819, Hans Christian Oersted scoprì che una corrente elettrica crea un campo magnetico attorno a sé. Poi, nel 1820, André-Marie Ampère dimostrò che i fili paralleli che trasportano corrente nella stessa direzione si attraggono. Infine, Jean-Baptiste Biot e Félix Savard scoprirono una legge nel 1820 chiamata legge di Biot-Savart-Laplace, che prevedeva correttamente il campo magnetico attorno a qualsiasi filo sotto tensione.
Espandendo questi esperimenti, Ampère pubblicò il suo modello di magnetismo di successo nel 1825. In esso, ha mostrato l'equivalenza della corrente elettrica nei magneti e, invece dei dipoli delle cariche magnetiche nel modello di Poisson, ha proposto l'idea che il magnetismo sia associato a circuiti di corrente in costante flusso. Questa idea spiegava perché la carica magnetica non poteva essere isolata. Ampère dedusse inoltre la legge a lui intitolata che, come la legge di Biot-Savart-Laplace, descriveva correttamente il campo magnetico creato da corrente continua, ed è stato anche introdotto il teorema della circolazione del campo magnetico. Anche in questo lavoro Ampère ha coniato il termine "elettrodinamica" per descrivere il rapporto tra elettricità e magnetismo.
Sebbene l'intensità del campo magnetico di una carica elettrica in movimento implicita nella legge di Ampère non fosse esplicitamente dichiarata, nel 1892 Hendrik Lorentz la derivò dalle equazioni di Maxwell. Allo stesso tempo, la teoria classica dell'elettrodinamica era sostanzialmente completata.
Il ventesimo secolo ha ampliato le opinioni sull'elettrodinamica, grazie all'emergere della teoria della relatività e della meccanica quantistica. Albert Einstein, nel suo articolo del 1905, in cui è stata motivata la sua teoria della relatività, ha mostrato che i campi elettrici e magnetici sono parte dello stesso fenomeno, considerato in diversi quadri di riferimento. (Vedi Il problema del magnete mobile e del conduttore - l'esperimento mentale che alla fine aiutò Einstein a sviluppare la relatività speciale). Infine, la meccanica quantistica è stata combinata con l'elettrodinamica per formare l'elettrodinamica quantistica (QED).
Ricordiamo ancora il campo magnetico della scuola, è proprio quello che "spunta" nei ricordi non di tutti. Rinfreschiamo quello che abbiamo passato e magari vi raccontiamo qualcosa di nuovo, utile e interessante.
Un campo magnetico è un campo di forza che agisce sulle cariche elettriche in movimento (particelle). A causa di questo campo di forza, gli oggetti sono attratti l'uno dall'altro. Esistono due tipi di campi magnetici:
Per la prima volta, la designazione del campo magnetico fu introdotta da M. Faraday nel 1845, sebbene il suo significato fosse un po' errato, poiché si credeva che sia gli effetti elettrici che magnetici e l'interazione fossero basati sullo stesso campo materiale. Più tardi, nel 1873, D. Maxwell "presentò" teoria dei quanti, in cui questi concetti iniziarono a essere separati e il campo di forza precedentemente derivato fu chiamato campo elettromagnetico.
I campi magnetici non sono percepiti dall'occhio umano oggetti diversi e solo sensori speciali possono risolverlo. La fonte della comparsa di un campo di forza magnetico su scala microscopica è il movimento di microparticelle magnetizzate (caricate), che sono:
Il loro movimento avviene a causa del momento magnetico di rotazione, presente in ogni microparticella.
Non importa quanto strano possa sembrare, ma quasi tutti gli oggetti intorno a noi hanno il proprio campo magnetico. Sebbene nel concetto di molti, solo un sassolino chiamato magnete abbia un campo magnetico, che attira su di sé oggetti di ferro. In effetti, la forza di attrazione è in tutti gli oggetti, si manifesta solo in una valenza inferiore.
Va inoltre chiarito che il campo di forza, detto magnetico, compare solo a condizione che si muovano cariche elettriche o corpi.
Le cariche immobili hanno un campo di forza elettrico (può essere presente anche nelle cariche in movimento). Si scopre che le sorgenti del campo magnetico sono:
UN CAMPO MAGNETICO
Il campo magnetico è tipo speciale materia, invisibile e intangibile all'uomo,
esistente indipendentemente dalla nostra coscienza.
Anche nei tempi antichi, gli scienziati-pensatori hanno intuito che esiste qualcosa attorno al magnete.
Ago magnetico.
Un ago magnetico è un dispositivo necessario per studiare l'azione magnetica di una corrente elettrica.
È un piccolo magnete montato sulla punta dell'ago, ha due poli: Nord e Sud. L'ago magnetico può ruotare liberamente sulla punta dell'ago.
L'estremità nord dell'ago magnetico punta sempre a nord.
La linea che collega i poli dell'ago magnetico è chiamata asse dell'ago magnetico.
Un ago magnetico simile si trova in qualsiasi bussola: un dispositivo per l'orientamento a terra.
Dove ha origine il campo magnetico?
L'esperimento di Oersted (1820) - mostra come interagiscono un conduttore con corrente e un ago magnetico.
Quando il circuito elettrico è chiuso, l'ago magnetico devia dalla sua posizione originale, quando il circuito è aperto, l'ago magnetico torna nella sua posizione originale.
Nello spazio attorno al conduttore con corrente (e in caso generale attorno a qualsiasi carica elettrica in movimento) c'è un campo magnetico.
Le forze magnetiche di questo campo agiscono sull'ago e lo ruotano.
In generale, si può dire
che un campo magnetico si forma attorno a cariche elettriche in movimento.
La corrente elettrica e il campo magnetico sono inseparabili l'uno dall'altro.
COSA INTERESSANTE...
Molti corpi celesti - pianeti e stelle - hanno i propri campi magnetici.
Tuttavia, i nostri vicini più prossimi - la Luna, Venere e Marte - non hanno un campo magnetico,
simile alla terra.
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Gilbert ha scoperto che quando un pezzo di ferro viene avvicinato a un polo di un magnete, l'altro polo inizia ad attrarre più forte. Questa idea è stata brevettata solo 250 anni dopo la morte di Hilbert.
Nella prima metà degli anni '90, quando apparvero nuove monete georgiane - lari,
i borseggiatori locali hanno magneti,
perché il metallo con cui sono state fatte queste monete è stato ben attratto da una calamita!
Se prendi una banconota da un dollaro dietro l'angolo e la porti su un potente magnete
(ad esempio, ferro di cavallo), creando un campo magnetico non uniforme, un pezzo di carta
deviare verso uno dei poli. Si scopre che il colore della banconota da un dollaro contiene sali di ferro,
avendo proprietà magnetiche, quindi il dollaro è attratto da uno dei poli del magnete.
Se porti un grande magnete alla livella a bolla del falegname, la bolla si muoverà.
Il fatto è che la livella a bolla è riempita con un liquido diamagnetico. Quando un tale liquido viene posto in un campo magnetico, al suo interno viene creato un campo magnetico nella direzione opposta e viene espulso dal campo. Pertanto, la bolla nel liquido si avvicina al magnete.
DEVI CONOSCERLI!
L'organizzatore del business delle bussole magnetiche nella Marina russa era un noto scienziato deviatore,
capitano di 1° grado, autore articoli scientifici secondo la teoria della bussola I.P. Belavan.
Partecipante di un giro del mondo sulla fregata "Pallada" e un partecipante guerra di Crimea 1853-56 fu il primo al mondo a smagnetizzare una nave (1863)
e risolto il problema dell'installazione di bussole all'interno di un sottomarino di ferro.
Nel 1865 fu nominato capo del primo Osservatorio Compass del paese a Kronstadt.
Probabilmente, non c'è persona che almeno una volta non abbia pensato alla domanda su cosa sia un campo magnetico. Nel corso della storia, hanno cercato di spiegarlo con vortici eterei, stranezze, monopoli magnetici e molti altri.
Sappiamo tutti che i magneti con i poli simili uno di fronte all'altro si respingono e i magneti opposti si attraggono. Questo potere lo farà
Varia a seconda della distanza tra le due parti. Si scopre che l'oggetto descritto crea un alone magnetico attorno a sé. Allo stesso tempo, quando si sovrappongono due campi alternati aventi la stessa frequenza, quando uno viene spostato nello spazio rispetto all'altro, si ottiene un effetto che viene comunemente chiamato "campo magnetico rotante".
La dimensione dell'oggetto in studio è determinata dalla forza con cui il magnete viene attratto da un altro o dal ferro. Di conseguenza, maggiore è l'attrazione, maggiore è il campo. La forza può essere misurata usando quella usuale, un piccolo pezzo di ferro viene posizionato su un lato e sull'altro vengono posti dei pesi, progettati per bilanciare il metallo al magnete.
Per una comprensione più accurata dell'argomento dell'argomento, dovresti studiare i campi:
Rispondendo alla domanda su cosa sia un campo magnetico, vale la pena dire che anche una persona ce l'ha. Alla fine del 1960, grazie all'intenso sviluppo della fisica, fu creato il misuratore SQUID. La sua azione è spiegata dalle leggi dei fenomeni quantistici. È un elemento sensibile dei magnetometri utilizzati per studiare il campo magnetico e simili
valori, come
"SQUID" iniziò rapidamente ad essere utilizzato per misurare i campi generati dagli organismi viventi e, naturalmente, dagli esseri umani. Ciò ha dato impulso allo sviluppo di nuove aree di ricerca basate sull'interpretazione delle informazioni fornite da tale strumento. Questa direzione è chiamata "biomagnetismo".
Perché, prima, nel determinare cos'è un campo magnetico, non è stata condotta alcuna ricerca in quest'area? Si è scoperto che è molto debole negli organismi e la sua misurazione è un compito fisico difficile. Ciò è dovuto alla presenza di un'enorme quantità di rumore magnetico nello spazio circostante. Pertanto, semplicemente non è possibile rispondere alla domanda su cosa sia un campo magnetico umano e studiarlo senza l'uso di misure di protezione specializzate.
Intorno a un organismo vivente, un tale "alone" si verifica per tre ragioni principali. In primo luogo, a causa dei punti ionici che appaiono come risultato dell'attività elettrica delle membrane cellulari. In secondo luogo, per la presenza di ferrimagnetico particelle più piccole accidentalmente ingerito o introdotto nel corpo. In terzo luogo, quando i campi magnetici esterni sono sovrapposti, c'è una suscettibilità non uniforme di vari organi, che distorce le sfere sovrapposte.
I campi magnetici si verificano naturalmente e possono essere creati artificialmente. L'uomo li ha notati funzioni utili che hanno imparato ad applicarsi Vita di ogni giorno. Qual è la sorgente del campo magnetico?
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Il campo magnetico terrestre
Le proprietà magnetiche di alcune sostanze furono notate nell'antichità, ma il loro vero studio iniziò nel Europa medievale. Utilizzando piccoli aghi d'acciaio, uno scienziato francese, Peregrine, ha scoperto l'intersezione di linee di forza magnetiche in determinati punti: i poli. Solo tre secoli dopo, guidato da questa scoperta, Gilbert ha continuato a studiarla e successivamente ha difeso la sua ipotesi che la Terra abbia un proprio campo magnetico.
Il rapido sviluppo della teoria del magnetismo iniziò all'inizio del XIX secolo, quando Ampère scoprì e descrisse l'influenza di un campo elettrico sul verificarsi di un campo magnetico e la scoperta di Faraday dell'induzione elettromagnetica stabilì una relazione inversa.
Il campo magnetico si manifesta nell'effetto della forza sulle cariche elettriche in movimento, o sui corpi che hanno un momento magnetico.
Sorgenti di campo magnetico:
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Sorgenti di campo magnetico
La causa principale del campo magnetico è identica per tutte le sorgenti: le microcariche elettriche - elettroni, ioni o protoni - hanno un proprio momento magnetico o sono in movimento direzionale.
Importante! Si generano reciprocamente campi elettrici e magnetici che cambiano nel tempo. Questa relazione è determinata dalle equazioni di Maxwell.
Le caratteristiche del campo magnetico sono:
F = B x S x cos α,
dove B è il vettore di induzione magnetica, S è la sezione, α è l'angolo di inclinazione del vettore rispetto alla perpendicolare tracciata al piano della sezione. Unità di misura - weber (Wb);
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flusso magnetico
È facile vedere le manifestazioni del campo magnetico sull'esempio di un magnete permanente. Ha due poli e, a seconda dell'orientamento, i due magneti si attraggono o si respingono. Il campo magnetico caratterizza i processi che si verificano in questo caso:
Importante! La densità delle linee di campo indica l'intensità del campo magnetico.
Sebbene l'MF non possa essere visto nella realtà, le linee di forza possono essere facilmente visualizzate nel mondo reale posizionando la limatura di ferro nell'MF. Ogni particella si comporta come un minuscolo magnete con il nord e Polo Sud. Il risultato è un modello simile alle linee di forza. Una persona non è in grado di sentire l'impatto di MP.
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Linee di campo magnetico
Poiché si tratta di una grandezza vettoriale, ci sono due parametri per misurare MF: forza e direzione. La direzione è facile da misurare con una bussola collegata al campo. Un esempio è una bussola posta nel campo magnetico terrestre.
La misurazione di altre caratteristiche è molto più difficile. I magnetometri pratici sono apparsi solo nel XIX secolo. La maggior parte di loro funziona usando la forza che l'elettrone sente quando si muove attraverso il campo magnetico.
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Magnetometro
La misurazione molto accurata di piccoli campi magnetici è diventata pratica dalla scoperta nel 1988 della magnetoresistenza gigante nei materiali stratificati. Questa scoperta della fisica fondamentale è stata rapidamente applicata alla tecnologia dei dischi rigidi magnetici per l'archiviazione dei dati nei computer, determinando un aumento di mille volte della capacità di archiviazione in pochi anni.
Nei sistemi di misura generalmente accettati, MF viene misurato in test (T) o in gauss (G). 1 T = 10000 gauss. Gauss è spesso usato perché la Tesla è un campo troppo grande.
Interessante. Un piccolo magnete da frigo crea un MF pari a 0,001 T e il campo magnetico terrestre, in media, è di 0,00005 T.
Magnetismo e campi magnetici sono manifestazioni della forza elettromagnetica. Ci sono due modi possibili come organizzare una carica di energia in movimento e, di conseguenza, un campo magnetico.
Il primo è collegare il filo a una fonte di corrente, attorno ad esso si forma un MF.
Importante! All'aumentare della corrente (il numero di cariche in movimento), l'MP aumenta proporzionalmente. Allontanandosi dal filo, il campo diminuisce con la distanza. Questo è descritto dalla legge di Ampère.
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Legge di Ampère
Alcuni materiali con maggiore permeabilità magnetica sono in grado di concentrare i campi magnetici.
Poiché il campo magnetico è un vettore, è necessario determinarne la direzione. Per una corrente normale che scorre attraverso un filo rettilineo, la direzione può essere trovata dalla regola della mano destra.
Per usare la regola, devi immaginare che il filo sia avvolto mano destra, un pollice indica la direzione della corrente. Quindi le altre quattro dita mostreranno la direzione del vettore di induzione magnetica attorno al conduttore.
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Regola della mano destra
Il secondo modo per creare un MF è utilizzare il fatto che gli elettroni compaiono in alcune sostanze che hanno un proprio momento magnetico. Ecco come funzionano i magneti permanenti:
La terra può essere rappresentata sotto forma di piastre di condensatori, la cui carica ha segno opposto: "meno" - a superficie terrestre e "più" - nella ionosfera. Tra di loro c'è aria atmosferica come tampone isolante. Il condensatore gigante mantiene una carica costante a causa dell'influenza del campo magnetico terrestre. Utilizzando questa conoscenza, è possibile creare uno schema per ottenere energia elettrica dal campo magnetico terrestre. Vero, il risultato saranno valori di bassa tensione.
Dover prendere:
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Bobina di Tesla
La bobina di Tesla fungerà da emettitore di elettroni. L'intera struttura è collegata tra loro e, per garantire una sufficiente differenza di potenziale, il trasformatore deve essere sollevato ad un'altezza considerevole. Pertanto, verrà creato un circuito elettrico, attraverso il quale scorrerà una piccola corrente. Ottenere un gran numero di elettricità utilizzando questo dispositivo non è possibile.
Elettricità e magnetismo dominano molti dei mondi che circondano l'uomo: dai processi più fondamentali in natura ai dispositivi elettronici all'avanguardia.
