“Como há muito considero as forças que se manifestam nos fenômenos elétricos como forças naturais universais, tive que deduzir disso ações magnéticas. Portanto, formulei a hipótese de que as forças eléctricas, quando num estado fortemente ligado, devem ter algum efeito sobre o íman.
Não pude então realizar um experimento para testá-lo, pois estava viajando e minha atenção estava inteiramente ocupada com o desenvolvimento do sistema químico 4 .
Hans Christian Oersted
A descoberta de Oersted, feita em 1819 e publicada em 1820, foi a seguinte. Oersted descobriu que se um condutor reto for colocado perto de uma agulha magnética, cuja direção coincide com a direção do meridiano magnético, e uma corrente elétrica passar por ele, a agulha magnética será desviada. Oersted não determinou a magnitude do momento da força que atua sobre uma agulha magnética sob a influência de uma corrente elétrica. Ele apenas observou que o ângulo em que a agulha se desvia sob a influência da corrente depende da distância entre ela e a corrente, bem como, em linguagem moderna, da força da corrente (na época de Oersted, o conceito de força da corrente tinha ainda não foi firmemente estabelecido).
As considerações teóricas de Oersted relativamente à sua descoberta não foram suficientemente claras. Ele disse que nos pontos vizinhos do espaço surge um “conflito elétrico”, que tem caráter de vórtice em torno do condutor. O artigo no qual esta descoberta foi relatada pela primeira vez é chamado por Ørsted de “Experimentos sobre o efeito do conflito elétrico na agulha magnética”.
André Marie Ampère
A descoberta de Oersted despertou grande interesse e serviu de impulso para novas pesquisas. Também em 1820, novos resultados foram obtidos. Assim, Arago mostrou que um condutor condutor de corrente atua sobre objetos de ferro, que ficam magnetizados. Os físicos franceses Biot e Savard estabeleceram a lei de ação de um condutor reto que transporta corrente em uma agulha magnética. Ao colocar uma agulha magnética próxima a um condutor reto com corrente e observar a mudança no período de oscilação dessa agulha em função da distância ao condutor, eles estabeleceram que a força que atua no pólo magnético do lado de um condutor reto com corrente é direcionado perpendicularmente ao condutor e à linha reta que conecta o condutor ao pólo, e sua magnitude é inversamente proporcional a essa distância. Esse resultado foi analisado e, após a introdução do conceito de elemento atual, foi instituída uma lei conhecida como lei Biot-Savart.
Ainda em 1820, um novo resultado importante na área do eletromagnetismo foi obtido pelo francês Andre Marie Ampère (1775-1836). Nessa época, Ampere já era um cientista famoso; tinha vários trabalhos sobre matemática, física e química. Além disso, Ampere foi atraído pela biologia e geologia. Ele estava profundamente interessado em filosofia e no final de sua vida escreveu uma grande obra, “Um Estudo nas Ciências Filosóficas”, dedicada à questão da classificação das ciências. A visão de mundo de Ampere foi formada em grande parte sob a influência de educadores e materialistas franceses. Suas opiniões sobre os fenômenos físicos diferiam das da maioria de seus contemporâneos. Ele se opôs ao conceito de "sem peso". “É realmente necessário”, disse Ampere, “inventar um fluido especial para cada novo grupo de fenômenos?” Ampère aceitou muito rapidamente a teoria ondulatória da luz, que, segundo Arago, juntamente com a própria teoria de Ampère, que explicava os fenômenos magnéticos pelos elétricos, “tornou-se sua teoria favorita” 5 . Ampere era um oponente da teoria calórica e acreditava que a essência do calor reside no movimento dos átomos e moléculas. Ele até escreveu um artigo sobre a teoria ondulatória da luz e a teoria do calor. No início de setembro de 1820, Arago informou os acadêmicos franceses sobre a descoberta de Oersted e logo demonstrou seus experimentos numa reunião da Academia de Ciências de Paris. Ampere ficou extremamente interessado nesta descoberta. Em primeiro lugar, levou-o a pensar na possibilidade de reduzir os fenômenos magnéticos aos elétricos e eliminar a ideia de um fluido magnético especial. Logo Ampere já estava relatando suas novas hipóteses e falando sobre experimentos que deveriam confirmá-las. Num breve resumo do seu primeiro relatório, Ampère escreveu:
“Reduzi os fenômenos observados pelo Sr. Oersted a dois fatos gerais: mostrei que a corrente existente em uma coluna voltaica atua sobre uma agulha magnética da mesma forma que a corrente de um fio de ligação. Descrevi experimentos pelos quais estabeleci a atração ou repulsão de toda a agulha magnética sob a ação do fio de conexão. Descrevi os dispositivos que pretendia construir e, entre outras coisas, parafusos galvânicos e espirais. Salientei que estes últimos produzirão em todos os casos as mesmas ações que os ímãs. Abordei então alguns detalhes relativos à minha visão dos ímãs, segundo a qual eles devem suas propriedades apenas às correntes elétricas localizadas em planos perpendiculares ao seu eixo. Também mencionei alguns detalhes sobre correntes semelhantes que presumi no globo. Assim, reduzi todos os fenômenos magnéticos a ações puramente elétricas." 6 .
No final de 1820 - início de 1821, ele fez mais de dez relatórios. Neles, Ampère relatou tanto suas pesquisas experimentais quanto suas considerações teóricas. Ampere demonstrou experimentalmente a interação de dois condutores retos com a corrente, a interação de duas correntes fechadas, etc. Ele também demonstrou a interação de um solenóide e um ímã; comportamento equivalente de um solenóide e de uma agulha magnética no campo do magnetismo terrestre e uma série de outros experimentos.
As conclusões teóricas de Ampere foram um desenvolvimento das ideias que ele expressou na sua primeira mensagem: foram agora confirmadas por investigação experimental. Ele explicou as propriedades de um ímã pela presença de correntes nele, e a interação dos ímãs pela interação dessas correntes. A princípio, Ampere considerou essas correntes macroscópicas; pouco depois chegou à hipótese das correntes moleculares. Ampere também desenvolve um ponto de vista correspondente sobre a questão do magnetismo terrestre, acreditando que fluem correntes no interior da Terra que determinam seu campo magnético.
As considerações teóricas de Ampere encontraram objeções de alguns físicos. Nem todos poderiam rejeitar imediatamente a existência do “fluido magnético”. Além disso, as opiniões de Ayper não pareciam se enquadrar na compreensão geral dos fenômenos físicos; em particular, presumiam a presença de forças que dependiam não apenas da distância, mas também do movimento (da força da corrente). Finalmente, poderiam parecer uma modificação das ideias cartesianas. Na verdade, Ampere falou com espírito cartesiano sobre as forças que agem entre as correntes elétricas. Ele escreveu que “procurou explicá-la (força - B.S.) pela reação de um líquido difundido no espaço, cuja vibração provoca um fenômeno luminoso” 7
No entanto, tal raciocínio não é típico de Ampere, e seu trabalho principal é chamado de “A Teoria dos Fenômenos Eletrodinâmicos, Deduzidos Exclusivamente da Experiência”.
Um oponente particularmente ativo da teoria de Ampere foi Biot, que propôs uma explicação diferente para a interação das correntes elétricas. Ele acreditava que quando uma corrente elétrica flui através de um condutor, então, sob sua ação, os dipolos magnéticos localizados caoticamente e presentes no condutor são orientados de uma determinada maneira. Como resultado disso, o condutor adquire propriedades magnéticas e surgem forças que atuam entre os condutores por onde flui a corrente elétrica.
Ampere se opôs a esta teoria, com base na descoberta de Faraday da chamada rotação eletromagnética. Faraday, por meio de um dispositivo especial (Fig. 51), estabeleceu o fato da rotação contínua de um ímã em torno de uma corrente e de uma corrente em torno de um ímã (1821). Amper escreveu:
“Assim que foi publicada a descoberta do primeiro movimento rotacional contínuo feito por Faraday, vi imediatamente que ele refuta completamente esta hipótese, e estes são os termos em que expressei o meu pensamento... Um movimento que continua constantemente em uma direção , apesar do atrito, apesar da resistência do meio e, além disso, o movimento provocado pela interação de dois corpos permanecendo o tempo todo no mesmo estado é um fato inédito entre tudo o que sabemos sobre as propriedades da matéria inorgânica. Ele prova que a ação proveniente dos condutores galvânicos não pode ser causada pela distribuição especial de certos líquidos presentes nesses condutores em estado de repouso, aos quais devem sua origem as atrações e repulsões elétricas comuns. Essa ação só pode ser atribuída aos fluidos que se movem no condutor, sendo rapidamente transferidos de uma extremidade à outra.” 8 .
Na verdade, sem um arranjo constante de centros de força (como os dipolos magnéticos de Biot), é possível conseguir o seu movimento contínuo de modo que retornem sempre à sua posição original. Caso contrário, o princípio da impossibilidade de uma máquina de movimento perpétuo seria refutado.
Tendo descoberto a interação das correntes, a equivalência de um ímã e um solenóide, etc., além de apresentar uma série de hipóteses, Ampere se propôs a estabelecer as leis quantitativas dessa interação. Para resolvê-lo, era natural proceder de maneira semelhante ao que se fazia na teoria da gravitação ou na eletrostática, ou seja, imaginar a interação de condutores finitos com a corrente como resultado da interação total de elementos infinitesimais de condutores através dos quais a corrente elétrica flui e, assim, reduz este problema a encontrar a lei diferencial , que determina a força de interação entre elementos de condutores que transportam corrente ou entre elementos de corrente.
No entanto, esta tarefa é mais difícil do que a tarefa correspondente na teoria da gravitação ou eletrostática, uma vez que os conceitos de ponto material ou carga pontual têm um significado físico direto e experimentos poderiam ser realizados com eles, enquanto o elemento de corrente elétrica tinha não havia tal significado e não poderia ser realizado naquele momento. O tempo era impossível. Ampere procede da seguinte maneira. Com base em dados experimentais conhecidos, ele propõe a hipótese de que a força de interação entre os elementos dos condutores condutores de corrente é a seguinte:
onde i 1 e i 2 são a intensidade da corrente, ds 1 e ds 2 são os elementos dos condutores, r é a distância entre os elementos, n é algum número (ainda desconhecido), Φ (ε, θ 1, &theta 2; ) é uma função ainda desconhecida dos ângulos que determinam a posição relativa dos elementos condutores (Fig. 52).
Essas suposições são de natureza diferente. Assim, a suposição sobre a dependência do dF da corrente segue diretamente dos experimentos. A suposição de que a força dF deve ser proporcional a ds 1 e ds 2, bem como a alguma função dos ângulos ainda desconhecida, também pode ser considerada como uma consequência obtida em experimentos, embora não diretamente. A suposição sobre a dependência do dF da distância entre os elementos das manilhas baseia-se, é claro, apenas na suposta analogia com as forças da gravidade ou com as forças de interação entre cargas elétricas.
É possível determinar n e a expressão da função angular Φ (ε, θ 1, &theta 2 ;) medindo as forças de interação entre condutores com corrente, localizados de forma diferente entre si, de diferentes tamanhos e formas. Contudo, na época de Ampere isto era muito difícil de fazer, uma vez que as correntes em questão eram pequenas. Ampere saiu da situação estudando os casos de equilíbrio de condutores com correntes de diferentes localizações e formatos. Como resultado, ele determinou n e Φ (ε, θ 1, &theta 2;) e obteve o resultado final para a lei de interação dos elementos atuais:
Na forma vetorial e nas unidades correspondentes, esta lei tem a forma
onde dFi3 é a força que atua no segundo elemento de corrente.
Assim, a lei estabelecida por Ampere difere da lei da interação de dois elementos de corrente, que atualmente é chamada de lei de Ampere e é expressa pela fórmula
O erro cometido por Ampere não afetou o resultado dos cálculos, já que a lei foi naturalmente aplicada a casos simples de determinação da interação de condutores fechados com correntes contínuas. Nesse caso, ambas as fórmulas levam ao mesmo resultado, pois diferem entre si por um valor que, quando integrado em circuito fechado, dá zero.
Em 1826, foi publicada a principal obra de Ampere, “A Teoria dos Fenômenos Eletrodinâmicos Derivados Exclusivamente da Experiência”. Neste livro, Ampere apresentou sistematicamente suas pesquisas em eletrodinâmica e, em particular, apresentou a derivação da lei de interação dos elementos atuais. Concluindo a revisão dos trabalhos de Ampere, deve-se destacar que ele utilizou o conceito e * o termo “força de corrente”, bem como o conceito de “tensão”, embora não tenha fornecido uma formulação clara e precisa desses conceitos . Ampere também teve a ideia de criar um dispositivo para medir a intensidade da corrente (amperímetro). Por fim, cabe destacar que Ampere propôs a ideia de um telégrafo eletromagnético, que foi então colocada em prática.
Uma importante conquista da eletrodinâmica na primeira metade do século XIX. foi o estabelecimento das leis do circuito de corrente contínua. Já no início do século XIX. foi sugerido que a intensidade da corrente (o efeito da corrente) em um circuito depende das propriedades dos condutores. Assim, quanto maior a seção transversal dos condutores, maior será o elemento Petrov. Um pouco mais tarde, a dependência do efeito químico da corrente nos condutores foi estabelecida por Davy, que mostrou que esse efeito é maior quanto mais curtos os condutores e maior sua seção transversal.
George Ohm
Em meados da década de 20, o físico alemão Georg Ohm (1787-1854) começou a pesquisar circuitos de corrente contínua. Em primeiro lugar, Ohm estabeleceu experimentalmente que a magnitude da corrente elétrica depende do comprimento dos condutores, da sua seção transversal e do número de elementos galvânicos incluídos no circuito. Para medir a corrente, Ohm usou um galvanômetro simples, que era uma balança de torção com uma agulha magnética suspensa por um fio; Um condutor conectado ao circuito de corrente elétrica foi colocado sob a seta. Quando a corrente elétrica fluiu através do condutor, a agulha magnética foi desviada. Girando a cabeça da balança de torção, trazendo o ponteiro para sua posição original, Ohm mediu o momento das forças que atuavam no pequeno ponteiro. Assim como Ampere, ele acreditava que a magnitude desse momento é proporcional à força da corrente.
Arroz. 53. Dispositivo de Ohm (desenhos de Ohm)
Primeiro, Ohm investigou a dependência da corrente no comprimento do condutor conectado ao circuito. Como fonte de corrente, ele usou um termoelemento composto de bismuto e cobre (Fig. 53). Uma haste de bismuto bb", em formato da letra P, é conectada a tiras de cobre. Ohm descobriu que o “poder da ação magnética” de a corrente (intensidade da corrente) do condutor em estudo é determinada pela fórmula
X=uma/(b+x),
onde x é o comprimento do condutor, a e b são constantes, e a depende da força de excitação do termoelemento (erregende Kraft), e b - das características do restante do circuito, incluindo o termoelemento.
Ohm então estabeleceu que se não uma, mas m fontes de corrente idênticas estiverem conectadas ao circuito, então “a força da ação magnética da corrente”
X=ma/(mb+x).
Ohm também determinou como a intensidade da corrente X em um condutor depende de seu comprimento e seção transversal. Ele descobriu que
X = kw a/l,
onde k é o coeficiente de condutividade do condutor (Leitungsvermogen), w é a seção transversal e l é o comprimento do condutor e é a tensão elétrica em suas extremidades (Electrische Spannung).
Ohm estudou a distribuição do potencial elétrico "força eletroscópica" ao longo de um condutor homogêneo que transportava corrente. Para isso, ele utilizou um eletrômetro, que conectou a vários pontos do condutor quando um dos pontos do condutor estava aterrado. Finalmente, Ohm tentou compreender teoricamente os padrões que descobriu. Ele partiu da ideia de corrente elétrica como o fluxo de eletricidade ao longo de um condutor. Ele fez uma analogia entre corrente elétrica e fluxo de calor. Ele acreditava que, como um fluxo de calor, a eletricidade flui através de um condutor de uma camada ou elemento para outro próximo. O fluxo de calor é determinado pela diferença de temperatura nas camadas próximas da haste através das quais esse calor flui (isto é, o gradiente de temperatura). Da mesma forma, Ohm acredita que o fluxo de eletricidade deve ser determinado pela diferença na força elétrica nas seções próximas do condutor. Ele escreveu:
“Acredito que a magnitude da transferência (de eletricidade. - B.S.) entre dois elementos próximos, em outras circunstâncias iguais, é proporcional à diferença de força elétrica nesses elementos, assim como no estudo do calor se aceita que o a transferência térmica entre dois elementos de calor é proporcional às suas diferenças de temperatura" 9 .
Por força elétrica aqui Ohm não significa a intensidade do campo elétrico, mas sim o valor que é mostrado por um eletroscópio conectado a qualquer ponto do condutor se um dos pontos do circuito galvânico estiver aterrado, ou seja, diferença de potencial. Ohm também chamou essa quantidade de “força eletroscópica”.
Como é frequentemente o caso, uma analogia levada demasiado longe leva a erros. Assim, Ohm, pelo fato de a temperatura ser proporcional à quantidade de calor, concluiu erroneamente que a “força eletroscópica” em um condutor é proporcional à quantidade de eletricidade em cada ponto. Resolvendo o problema da propagação do potencial ao longo de um circuito de corrente, Ohm acreditava ter encontrado assim a quantidade de eletricidade nos locais correspondentes do condutor.
A lei descoberta por Ohm e que leva seu nome não recebeu reconhecimento imediato. Já na década de 30, surgiram dúvidas sobre ele e notaram-se as limitações de seu uso. No entanto, em vários trabalhos de vários físicos que usaram métodos de medição mais avançados, as conclusões de Ohm foram confirmadas e sua lei recebeu reconhecimento universal. Ao fazer isso, os equívocos de Ohm também foram corrigidos.
Kirchhoff, em seus trabalhos que datam de 1845-1848, esclareceu o conceito de “força eletroscópica”. Ele estabeleceu a identidade do conceito desta quantidade e do conceito de potencial em eletrostática. Kirchhoff também estabeleceu regras bem conhecidas para circuitos elétricos.
Mais de 15 anos após a descoberta da lei de Ohm, foi estabelecida uma lei que determina a quantidade de calor gerada por uma corrente elétrica em um circuito; foi estabelecido experimentalmente pelo inglês Joule (1843) e de forma independente pelo acadêmico de São Petersburgo E. H. Lenz (1844). Atualmente é chamada de lei de Joule-Lenz.
1 Ver: Jones W. A Vida e as Cartas de Faraday. Vol. II. Londres, 1870 pág. 395.
2 Oersted H. Ch. Der Geist und der Natur B. 2, MCnchen, 1851, S. 435.
3 Winterl I. Darstellung der vier Bestandtheil der anorganischen Natur. Verna, 1804.
4 Oersted H. Ch. J. Química. Física, B. 32, 1821, p. 200-201.
5 Arago F. Biografias de astrônomos, físicos e geômetras famosos. T. II. São Petersburgo, 1860, p. 304.
6 Ampere A. M. Eletrodinâmica. M., Editora da Academia de Ciências da URSS, 1954, p. 410-411.
7 Ampere A. M. Eletrodinâmica, p. 124.
8 Ampere A. M. Eletrodinâmica, p. 127-128.
9 Ohm G. Gesammelte Adhandlungen. Leipzig, 1892, p. 63.
A corrente elétrica num circuito sempre se manifesta de alguma forma. Isso pode ser o trabalho sob uma determinada carga ou o efeito da corrente que o acompanha. Assim, pelo efeito da corrente pode-se julgar sua presença ou ausência em um determinado circuito: se a carga estiver funcionando, há corrente. Se for observado um fenômeno típico que acompanha a corrente, há corrente no circuito, etc.
Em geral, a corrente elétrica é capaz de causar diversos efeitos: térmicos, químicos, magnéticos (eletromagnéticos), leves ou mecânicos, e diferentes tipos de efeitos de corrente muitas vezes ocorrem simultaneamente. Esses fenômenos e efeitos da corrente serão discutidos neste artigo.
Efeito térmico da corrente elétrica
Quando uma corrente elétrica contínua ou alternada passa por um condutor, o condutor aquece. Tais condutores de aquecimento em diferentes condições e aplicações podem ser: metais, eletrólitos, plasma, metais fundidos, semicondutores, semimetais.
No caso mais simples, se, digamos, uma corrente elétrica passar por um fio de nicromo, ele aquecerá. Este fenômeno é utilizado em dispositivos de aquecimento: em chaleiras elétricas, caldeiras, aquecedores, fogões elétricos, etc. Na soldagem a arco elétrico, a temperatura do arco elétrico geralmente atinge 7.000 ° C, e o metal derrete facilmente - este também é o efeito térmico da corrente.
A quantidade de calor liberada em uma seção do circuito depende da tensão aplicada a esta seção, do valor da corrente que flui e do tempo que ela flui ().
Tendo transformado a lei de Ohm para uma seção de um circuito, você pode usar tensão ou corrente para calcular a quantidade de calor, mas também deve conhecer a resistência do circuito, porque é ela que limita a corrente e, de fato, causa aquecimento. Ou, conhecendo a corrente e a tensão no circuito, você pode facilmente encontrar a quantidade de calor gerada.
Ação química da corrente elétrica
Eletrólitos contendo íons sob a influência de corrente elétrica direta - este é o efeito químico da corrente. Durante a eletrólise, os íons negativos (ânions) são atraídos para o eletrodo positivo (ânodo) e os íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo negativo (cátodo). Ou seja, as substâncias contidas no eletrólito são liberadas nos eletrodos da fonte de corrente durante o processo de eletrólise.
Por exemplo, um par de eletrodos é imerso em uma solução de um determinado ácido, álcali ou sal, e quando uma corrente elétrica passa pelo circuito, uma carga positiva é criada em um eletrodo e uma carga negativa no outro. Os íons contidos na solução começam a se depositar no eletrodo com carga oposta.
Por exemplo, durante a eletrólise do sulfato de cobre (CuSO4), os cátions de cobre Cu2+ com carga positiva movem-se para o cátodo carregado negativamente, onde recebem a carga que falta e se tornam átomos de cobre neutros, fixando-se na superfície do eletrodo. O grupo hidroxila -OH cederá elétrons no ânodo, resultando na liberação de oxigênio. Os cátions de hidrogênio carregados positivamente H+ e os ânions SO42- carregados negativamente permanecerão em solução.
A ação química da corrente elétrica é utilizada na indústria, por exemplo, para decompor a água em suas partes constituintes (hidrogênio e oxigênio). A eletrólise também permite obter alguns metais na sua forma pura. Usando a eletrólise, uma fina camada de um determinado metal (níquel, cromo) é revestida na superfície - este, etc.
Em 1832, Michael Faraday estabeleceu que a massa m de uma substância liberada no eletrodo é diretamente proporcional à carga elétrica q que passa pelo eletrólito. Se uma corrente contínua I passar através do eletrólito por um tempo t, então a primeira lei da eletrólise de Faraday é válida:
Aqui, o coeficiente de proporcionalidade k é chamado de equivalente eletroquímico da substância. É numericamente igual à massa da substância liberada quando uma única carga elétrica passa pelo eletrólito e depende da natureza química da substância.
Na presença de corrente elétrica em qualquer condutor (sólido, líquido ou gasoso), observa-se um campo magnético ao redor do condutor, ou seja, o condutor que transporta a corrente adquire propriedades magnéticas.
Portanto, se você levar um ímã a um condutor através do qual a corrente flui, por exemplo, na forma de uma agulha de bússola magnética, a agulha girará perpendicularmente ao condutor, e se você enrolar o condutor em torno de um núcleo de ferro e passar um corrente contínua através do condutor, o núcleo se tornará um eletroímã.
Em 1820, Oersted descobriu o efeito magnético da corrente em uma agulha magnética e Ampere estabeleceu as leis quantitativas da interação magnética dos condutores com a corrente.
Um campo magnético é sempre gerado por corrente, ou seja, pelo movimento de cargas elétricas, em particular por partículas carregadas (elétrons, íons). Correntes de direção oposta se repelem, correntes unidirecionais se atraem.
Tal interação mecânica ocorre devido à interação de campos magnéticos de correntes, ou seja, é, antes de tudo, interação magnética, e só depois mecânica. Assim, a interação magnética das correntes é primária.
Em 1831, Faraday estabeleceu que um campo magnético variável de um circuito gera uma corrente em outro circuito: a fem gerada é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético. É lógico que é a ação magnética das correntes que ainda hoje é utilizada em todos os transformadores, e não apenas nos eletroímãs (por exemplo, nos industriais).
Na sua forma mais simples, o efeito luminoso da corrente elétrica pode ser observado em uma lâmpada incandescente, cuja espiral é aquecida pela corrente que passa por ela até o calor branco e emite luz.
Para uma lâmpada incandescente, a energia luminosa representa cerca de 5% da eletricidade fornecida, sendo os restantes 95% convertidos em calor.
As lâmpadas fluorescentes convertem com mais eficiência a energia atual em luz - até 20% da eletricidade é convertida em luz visível graças ao fósforo, que recebe de uma descarga elétrica no vapor de mercúrio ou em um gás inerte como o néon.
O efeito luminoso da corrente elétrica é realizado de forma mais eficiente nos LEDs. Quando a corrente elétrica passa por uma junção pn na direção direta, os portadores de carga - elétrons e buracos - se recombinam com a emissão de fótons (devido à transição dos elétrons de um nível de energia para outro).
Os melhores emissores de luz são semicondutores de gap direto (isto é, aqueles que permitem transições ópticas diretas de banda), como GaAs, InP, ZnSe ou CdTe. Variando a composição dos semicondutores, é possível criar LEDs para vários comprimentos de onda, do ultravioleta (GaN) ao infravermelho médio (PbS). A eficiência de um LED como fonte de luz chega em média a 50%.
Conforme observado acima, cada condutor através do qual a corrente elétrica flui forma um círculo ao seu redor. As ações magnéticas são convertidas em movimento, por exemplo, em motores elétricos, dispositivos de elevação magnética, válvulas magnéticas, relés, etc.
A ação mecânica de uma corrente sobre outra é descrita pela lei de Ampère. Esta lei foi estabelecida pela primeira vez por André Marie Ampère em 1820 para corrente contínua. Segue-se que condutores paralelos com correntes elétricas fluindo em uma direção se atraem e se repelem em direções opostas.
A lei de Ampere também é a lei que determina a força com que um campo magnético atua sobre um pequeno segmento de um condutor que transporta corrente. A força com a qual o campo magnético atua sobre um elemento de um condutor condutor de corrente localizado em um campo magnético é diretamente proporcional à corrente no condutor e ao produto vetorial do elemento do comprimento do condutor e à indução magnética.
Baseia-se neste princípio, onde o rotor desempenha o papel de uma moldura com corrente, orientada no campo magnético externo do estator com torque M.
Um dos passos mais significativos na ciência da eletricidade e do magnetismo pode ser considerado, com razão, a descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday.
É neste fenômeno que se baseia o princípio de funcionamento dos transformadores e geradores elétricos que convertem energia mecânica em eletricidade.
Ímãs e Magnetismo: Os campos magnéticos são produzidos pelo movimento de elétrons em alguns materiais e pela passagem de corrente através de fios ou bobinas
Experimentos de Faraday: Enquanto estudava a indução eletromagnética, Faraday enrolou um fio em torno de um anel de ferro conectado aos pólos de uma bateria. Outro fio, envolvendo parte do anel, conduzia ao galvanômetro. Abaixo está uma versão com bobina e ímã permanente
Enormes geradores instalados em usinas utilizam o princípio da indução eletromagnética, descoberto por Faraday por meio de um pequeno anel de ferro.
Carros elétricos. Alemanha, século XIX
Máquinas modernas, movidas pelo mesmo princípio, podem assumir diversas formas, desde potentes geradores e transformadores da usina termelétrica de Brandemburgo...
...para um trem “pairando” sobre os trilhos da ferrovia experimental em Emsland em um “maglev”
Durante muito tempo, a natureza escondeu a sua essência eletromagnética dos humanos porque fornecia um delicado equilíbrio entre as cargas elétricas do mundo circundante, começando com átomos individuais e terminando com organismos complexos como você e eu. Quando esse enigma foi resolvido, as pessoas imediatamente aproveitaram essas forças da natureza, para o que tiveram que criar uma nova ciência - sobre as propriedades eletromagnéticas das substâncias.
Na cadeia de descobertas associadas ao estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos nos últimos três séculos, é difícil escolher as mais importantes. A criação da jarra de Leyden, a invenção da bateria elétrica e a descoberta dos efeitos químicos, térmicos e, finalmente, magnéticos da corrente elétrica foram etapas importantes na compreensão da natureza do eletromagnetismo. O culminar de numerosos experimentos elegantes e demorados, engenhosos e simples foi a criação de uma teoria contida em quatro equações aparentemente simples, agora conhecidas como equações de Maxwell. Na verdade, utilizamos cada uma destas descobertas de uma forma ou de outra na nossa vida quotidiana: baterias, lâmpadas, motores eléctricos, o telégrafo e o telefone. Mas a descoberta da indução eletromagnética por Faraday pode ser considerada, com razão, a mais significativa na ciência da eletricidade e do magnetismo. O princípio de funcionamento de transformadores e geradores elétricos que convertem energia mecânica em energia elétrica é baseado neste fenômeno. A descoberta da indução electromagnética, mais do que qualquer outra conquista científica, contribuiu para a ampla distribuição da electricidade e a sua disponibilidade, o que, sem exagero, mudou as nossas vidas de forma irreconhecível em apenas cerca de cem anos.
Na teoria da eletrodinâmica, existe uma equação diferencial que descreve o fenômeno da indução eletromagnética como a relação entre a tensão elétrica e a mudança no campo magnético ao longo do tempo. Mas antes que a equação aparecesse, um fato experimental foi estabelecido: em um condutor preso em um campo magnético variável no tempo, aparece uma força eletromotriz (fem), proporcional à taxa de variação do campo. Esta é a lei da indução eletromagnética descoberta por Michael Faraday. E.m.f. atua sobre as cargas elétricas do condutor e, se o circuito estiver fechado, uma corrente elétrica começa a fluir nele. Ao alterar o campo magnético, independentemente de mover o próprio condutor ou o ímã, é possível gerar uma corrente elétrica e, assim, converter energia mecânica em energia elétrica – e esta é uma aplicação prática da lei.
O exemplo “doméstico” mais simples de gerador elétrico é uma lanterna de insetos. Dentro do “bug” existe um ímã permanente em forma de disco, que giramos pressionando a alça. Metade do disco é o pólo norte do ímã, a outra é o pólo sul. Duas pequenas bobinas semicirculares são fixadas fixamente ao redor do ímã do rotor. Quando giramos o ímã do rotor, o campo magnético no qual as bobinas estão localizadas muda o tempo todo, uma corrente alternada flui através delas e uma pequena lâmpada incandescente conectada às bobinas acende.
Recentemente, apareceu outra versão de uma lanterna sem baterias, chamada lanterna Faraday. Quando você o agita, um ímã em forma de cilindro se move em torno de uma bobina conectada a um capacitor, a corrente é gerada na bobina e o capacitor é carregado. E descarrega através do LED.
Outro exemplo cotidiano é um microfone eletrodinâmico usado em sistemas de reforço de som. Nele, uma bobina presa a um diafragma oscila sob a influência da voz entre os pólos de um ímã permanente. É assim que a energia mecânica das nossas cordas vocais é convertida em energia elétrica. Agora, a indução eletromagnética parece simples e compreensível, mas há 250 anos os cientistas estavam apenas começando a entender a conexão entre eletricidade e magnetismo, e foi necessário fazer muito esforço para garantir que as pessoas tivessem tantos dispositivos convenientes e muitas vezes insubstituíveis à sua disposição.
As experiências com eletricidade tornaram-se muito populares em meados do século XVIII. Inventaram-se máquinas para gerar eletricidade por fricção, realizaram-se demonstrações espetaculares como acender o éter, passar uma faísca por uma senhora balançando em um balanço e até preparar água eletrificada, considerada boa para a saúde.
E assim, em 1745, um cônego alemão e ao mesmo tempo físico de Leiden, Peter von Muschenbreck, fixou um prego no gargalo de uma jarra de água e encostou-o no condutor de uma máquina elétrica em funcionamento. Após quebrar o contato, tocar o prego causou um golpe muito forte, que deixou o braço e o ombro do canhão dormentes, e “todo o corpo de Muschenbrek tremeu como se tivesse sido atingido por um raio”. A experiência começou a ser repetida em todos os lugares, e o francês Jean Nollet chegou a “estremecer” toda uma cadeia de monges de mãos dadas em um mosteiro cartuxo em Paris. Foi assim que nasceu a “jarra de Leyden”, simplesmente um capacitor.
Por coincidência, no ano em que foi aberta a jarra de Leyden, nasceu Alessandro Volta, que cinquenta anos depois inventou a sua bateria eléctrica, e os físicos tiveram finalmente a maravilhosa oportunidade de obter uma corrente eléctrica com duração suficiente para tentar encontrar uma ligação entre a energia eléctrica e a magnética. fenômenos. Apenas 20 anos depois, em 1820, foi obtido o primeiro resultado: o homônimo do famoso contador de histórias Hans Christian Oersted descobriu o desvio da agulha da bússola sob a influência de uma corrente que flui ao longo do meridiano. E o brilhante experimentador Andre Marie Ampere previu e confirmou experimentalmente que uma barra de aço colocada dentro de uma espiral através da qual flui uma corrente fica magnetizada. Isto marcou o início do desenvolvimento de dispositivos muito valiosos - eletroímãs, que ainda hoje permanecem elementos indispensáveis de muitos dispositivos elétricos.
Logo Oersted relatou a reciprocidade do fenômeno eletromagnético que havia descoberto - ele observou o movimento de uma bateria suspensa em um fio conectado a um circuito quando um ímã se aproximava dela. Esses avanços permitiram que Michael Faraday criasse um dispositivo muito simples, mas importante: a extremidade de um condutor suspenso era baixada em um reservatório de mercúrio, no qual entrava por baixo um ímã vertical ligeiramente saliente acima da superfície do mercúrio. Quando a corrente passou pelo mercúrio e pelo condutor, este começou a girar em torno do ímã. Era quase um motor elétrico! Em suas versões modernas, não existe mercúrio perigoso, e um ímã permanente é frequentemente substituído por um eletroímã, mas o princípio de operação permanece o mesmo. Restava agora responder à última pergunta: se a corrente elétrica cria um campo magnético, a natureza proporcionou a opção oposta?
Durante muito tempo os experimentos não trouxeram resultados. Não importa como os ímãs foram colocados perto das bobinas ou fios, nenhuma corrente surgiu. E em 1831, Faraday fez sua maior descoberta - o fenômeno da indução eletromagnética. Faraday notou que uma corrente aparece sempre que o campo magnético muda. Por exemplo, devido ao movimento de um ímã ou devido a um aumento ou diminuição da corrente (se o papel de um ímã for desempenhado por um condutor que transporta corrente). Para a demonstração, dois fios foram enrolados em um anel de ferro, um conectado à bateria e outro ao galvanômetro. Ao fechar o primeiro circuito, observou-se um desvio acentuado da agulha do galvanômetro e, ao abri-lo, observou-se um desvio de sinal oposto. Foi assim que Faraday conseguiu “obter eletricidade a partir do magnetismo”. Após numerosos experimentos, ele próprio criou a primeira amostra de um gerador de corrente elétrica diferente de uma bateria. Para ser justo, deve-se dizer que quase simultaneamente com Faraday, mas independentemente dele, o fenômeno da indução eletromagnética foi descoberto pelo físico americano Joseph Henry.
Demorou várias décadas para passar à aplicação industrial da descoberta. Um passo importante nesse caminho foi a transição de ímãs permanentes para eletroímãs mais eficientes. Mas aqui, a princípio, surgiram algumas dificuldades. Afinal, um eletroímã cria um campo magnético somente se a corrente fluir através dele, e foi necessário usar uma máquina magnetoelétrica ou bateria separada para excitar o eletroímã do próprio gerador principal. E aqui não foi sem uma descoberta física, que acabou por permitir resolver este problema. Em 1866, vários pesquisadores descobriram o princípio da autoexcitação, e entre eles estava o engenheiro e empresário alemão Werner Siemens (fundador da mundialmente famosa empresa Siemens), sobre o qual fez um relatório na Academia de Berlim “Sobre a transformação do trabalho em corrente elétrica sem o uso de ímãs permanentes.” Graças a essa descoberta surgiu um dínamo - um gerador elétrico que excita seus eletroímãs com sua própria corrente. Este fenômeno nada tem a ver com as invenções do Barão Munchausen, que saiu do pântano. Com a conservação da energia aqui está tudo em ordem: após desligar a corrente, o núcleo de ferro macio apresenta alguma magnetização residual, suficiente para criar uma pequena corrente no eletroímã e, consequentemente, um campo magnético com o início da rotação, que por sua vez começará a induzir uma corrente no circuito principal do gerador.
Os geradores de energia modernos são incrivelmente diversos. De pequenos dispositivos a gigantescos geradores de usinas hidrelétricas de mil toneladas com diâmetro de dezenas de metros. A descoberta da indução eletromagnética revelou-se tão útil e universal que talvez seja difícil superestimar sua importância e valor prático. Quando Faraday foi certa vez questionado pelo Lorde Chanceler ou pelo Primeiro Ministro sobre os benefícios de sua descoberta, o cientista, embora completamente desprovido de espírito empreendedor, respondeu: “A questão é, senhor, que provavelmente em breve você conseguirá obter impostos a partir dele."
Sidar escreveu:
A questão é, obviamente, interessante (especialmente para alunos com base nos resultados da avaliação das respostas em exames e testes de computador)!?
Século XVI - XVII. Observação dos fatos de magnetização do “ferro” (objetos de ferro) e desmagnetização (ou remagnetização) da agulha da bússola magnética durante a queda de raios.
1751 W.Franklin. Experimentos sobre “magnetização de agulhas com eletricidade” ou remagnetização de agulhas de aço com uma “faísca elétrica” de um “condutor primário”, uma fonte de eletricidade estática (uma máquina eletrostática, uma jarra de Leyden).
[Benjamin Franklin, Experimentos e Observações sobre Eletricidade. – M.: Editora da Academia de Ciências da URSS, 1956]
1758 Giambattista Beccaria (G. Beccaria), professor da Universidade de Torino. Uma repetição dos experimentos de Franklin de 1751 com a magnetização e inversão da polaridade de um fio de ferro por meio de uma descarga eletrostática e a formulação de uma hipótese - "...se o fluido elétrico não causa algum movimento circulante periódico contínuo imperceptível universal ... em todos os casos, o aparecimento e manutenção das propriedades magnéticas."
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1804 B. Mojon, professor de química em Gênova, e independentemente dele C. L. Morozzo em Torino conduziram experimentos sobre a magnetização de uma agulha de aço usando uma bateria galvânica, semelhante àquela para descargas de fontes de eletricidade estática.
21 de julho de 1820 GH Oersted. Descoberta experimental da “ação na agulha magnética” de orientação sem contato da corrente galvânica.
Novembro de 1820 DF Arago. Experimento sobre o efeito magnetizante de um condutor condutor de corrente (atração de limalha de ferro) e a magnetização de uma barra de aço por meio de um condutor espiral com corrente galvânica.
1862 JC Maxwell. A hipótese de um novo fenômeno e a introdução do conceito de “deslocamento de corrente elétrica” (“uma mudança no campo elétrico causa um campo magnético”).
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1876 G. Rowland. O primeiro experimento (realizado em laboratório e por sugestão de G. Helmholtz) com resultado positivo confirmando o efeito do magnésio da corrente de convecção.
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1881 JJ Thomson. Ele propôs uma fórmula para o campo magnético de cargas elétricas em movimento progressivo de qualquer corrente elétrica: corrente galvânica, de convecção ou de deslocamento (“fórmula de J. Thomson”).
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1885 - 1888 Raio X de V.K. Confirmação dos resultados do experimento de Rowland em 1876 e detecção do efeito magnético de um dielétrico polarizado em movimento (“corrente Roentgen”).
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1889 SF Thompson. Experiência qualitativa na indicação do campo magnético de vórtice em um ímã quando o campo elétrico em um dielétrico muda.
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1890 Heinrich Hertz. Generalização das equações de Maxwell para meios móveis (equações de Maxwell-Hertz).
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1901 - 1903 AA Eikhenwald. Confirmação experimental qualitativa e quantitativa da equivalência da ação magnética das correntes de condução elétrica, correntes de convecção e correntes de deslocamento.
[Eikhenvald A.A. Sobre a ação magnética de corpos que se movem em um campo eletrostático (1904) - No livro: A.A. Eikhenvald, Izbr. trabalhar. - M.: GTTI, 1956, p. 7-109].
1912 - 1913 Paulo Langevin. – Uma tentativa de fundamentar a unidade dos fenómenos da acção magnética da corrente de condução eléctrica, corrente de convecção e corrente de deslocamento no quadro da “Lei da Corrente de Deslocamento de Maxwell”.
[P. Langevin, “Grãos de Eletricidade e Dinâmica Eletromagnética” (Artigo apresentado à Sociedade Francesa de Física em 1912) e “Inércia da Energia e suas Consequências” (Artigo entregue à Sociedade Francesa de Física em 26 de março de 1913) - No livro: P Langevin, Fav. funciona. – M.: IL, 1949, pág. 156 – 215, 216 – 254].
1980 A. M. Sidorovich. Um novo conceito do fenómeno da indução electromagnética e a formulação da “Lei da Indução Electromagnética” e suas consequências.
[Sidorovich A.M., Sobre a interpretação binária inversa das equações de Maxwell e fenômenos de indução // Vesci AN BSSR. Ser. Fís.mat. Navuk, 1980, nº 3, p. 126; Sidorovich A. M., Indução Eletromagnética (Nova Concepção). --Proc. Interno. Simp. (ISEF’87), Pavia, Itália, Setembro de 1987, p. 25-27.].
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Na prática, o fenômeno da indução eletromagnética significa que um campo magnético e a magnetização (polarização magnética) surgem indutivamente em qualquer circuito fechado de um ímã quando o fluxo de indução elétrica através da superfície delimitada por esse ímã muda. Isso ocorre nos casos em que o próprio campo elétrico muda de magnitude ou o ímã se move através de um campo elétrico externo, cruzando-o.
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Em 1820, H. Oersted descobriu o efeito magnético da corrente elétrica - um campo magnético foi descoberto ao redor de um fio com corrente elétrica. Assim, foi comprovada a ligação entre eletricidade e magnetismo. A. Ampere, baseado na unidade dos fenômenos elétricos e magnéticos, desenvolveu a primeira teoria do magnetismo, lançando assim as bases da eletrodinâmica. Ele distinguiu entre os conceitos de corrente elétrica e tensão elétrica. Os principais conceitos de seu conceito foram “corrente elétrica”, “circuito elétrico”. Por corrente elétrica, Ampere entendia os processos de conexão e separação de partículas de eletricidade com carga oposta que se alternam constantemente dentro de um condutor. (O nome da unidade de corrente é Ampere.) Ele justificou a direção do movimento da corrente - a direção da carga positiva da eletricidade, e também estabeleceu a lei da interação mecânica de duas correntes fluindo em pequenas seções de condutores localizados em alguns distância um do outro. Decorreu desta lei. que condutores paralelos com correntes fluindo em uma direção se atraem e aqueles em direções opostas se repelem. Da ideia de um ímã como um conjunto de correntes elétricas localizadas em planos perpendiculares à linha que liga os pólos do ímã, seguiu-se uma conclusão natural de que um solenóide é equivalente a um ímã. O significado revolucionário desta conclusão era óbvio: para explicar o fenômeno do magnetismo, não era mais necessária a presença de um “fluido magnético” - todo o fenômeno do magnetismo poderia ser reduzido a interações eletrodinâmicas. Arquivo de upload do formulário HTML. Arquivo de tipo de entrada vshare.io .
O próximo passo no desenvolvimento da eletrodinâmica foi a descoberta por M. Faraday do fenômeno da indução eletromagnética - excitação por um campo magnético alternado de força eletromotriz em condutores - que se tornou a base da engenharia elétrica. Um resultado importante de sua pesquisa foi também a comprovação de que certos tipos de eletricidade são de natureza idêntica, independentemente de sua fonte. A descoberta da lei da eletrólise (o efeito químico da corrente elétrica é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa), a descoberta da rotação do plano de polarização da luz em um campo magnético. Tentando explicar o fenômeno da indução eletromagnética com base no conceito de ação de longo alcance, mas encontrando dificuldades, sugeriu que as interações eletromagnéticas ocorrem através de um campo eletromagnético, ou seja, baseado no conceito de ação de curto alcance. Isso marcou o início da formação do conceito de campo eletromagnético, formalizado por D. Maxwell.
4. Campo eletromagnético e éter de Maxwell
A teoria de Newton explicou com sucesso o movimento dos planetas ao redor do Sol sob a influência da gravidade, mas não conseguiu explicar corretamente o movimento de partículas eletricamente carregadas que interagem entre si através do espaço vazio sob a influência de forças elétricas e magnéticas - o modelo do átomo assemelha-se ao modelo do sistema solar (no centro do átomo há um núcleo carregado positivamente em torno do qual giram os elétrons). No entanto, existem diferenças entre as forças gravitacionais e eletromagnéticas: apenas algumas partículas têm carga elétrica, enquanto todas as formas de matéria e energia têm gravidade; as forças elétricas podem ser positivas e negativas (e partículas com cargas diferentes se atraem e partículas com a mesma carga se repelem), e objetos gravitacionais apenas se atraem; em pequenas escalas (por exemplo, no átomo), as forças eletromagnéticas predominam nitidamente, e em grandes escalas (por exemplo, na escala da Terra), predominam as forças gravitacionais. DC Maxwell derivou um sistema de equações que descreve a relação entre o movimento de partículas carregadas e o comportamento das forças eletromagnéticas. O conceito central da teoria de Maxwell era o conceito de campo, o que eliminou a dificuldade. associado à ação newtoniana à distância. No século 19 o campo foi descrito por analogia com um fluido em movimento, portanto foi caracterizado usando termos como “fluxo magnético”, “linhas de força”, etc. A descrição do campo como líquido pressupõe um meio que transmite ação de uma carga para outra. Este líquido hipotético foi chamado de éter. Acreditava-se que o éter preenche todo o espaço vazio, permanecendo invisível. Os campos eletromagnéticos foram representados como tensões no éter. Partículas carregadas geraram ondas de tensão no éter. cuja velocidade de propagação, como mostraram os cálculos, foi de cerca de 300.000 km/s. A luz começou a ser vista na forma de ondas eletromagnéticas, causadas pelos movimentos de partículas carregadas e que se propagavam pelo espaço como vibrações do éter. Com a descoberta das ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, microondas, térmicas (infravermelho), ultravioleta, ondas de raios X, radiação gama), tornou-se possível testar a teoria do espaço e do tempo de Newton.
Faraday implementou uma nova abordagem para o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos ao criar o conceito de campo. que foi descrito usando linhas de força, depois Maxwell. introduzindo o conceito preciso de campo eletromagnético. formulou suas leis.
Do conceito de ondas de luz transversais de Fresnel, inevitavelmente surgiram questões sobre em que meio as ondas se propagam, por que não existem ondas de luz longitudinais, como o éter atua sobre os corpos que nele se movem, etc. Muitas hipóteses diferentes foram apresentadas a respeito da transversalidade das ondas de luz (por exemplo, a hipótese de um éter absolutamente incompressível, a hipótese de um éter estacionário, a hipótese de um éter parcialmente transportado por corpos que nele se movem, etc.). Aqueles. a existência do próprio éter não estava em dúvida, porque a propagação das ondas exigia um meio apropriado.
Maxwell cria a teoria eletromagnética da luz, estabelecendo equações que explicavam todos os fatos conhecidos na época sob um único ponto de vista. Eles estabeleceram uma conexão entre as mudanças no campo magnético e o surgimento da força eletromotriz. Maxwell viu sua principal tarefa como trazer os fenômenos elétricos para o domínio da dinâmica. Ele partiu do fato de que a corrente elétrica não pode ser considerada senão como uma ação de disposição. e distribuições que ocorrem ao longo do tempo. Ele chamou a causa das correntes elétricas de força eletromotriz.
