Электромагнитное взаимодействие: передача энергии и информации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Ф.СКОРИНЫ»

 

Кафедра философии

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине «Основы современного естествознания»

Электромагнитное взаимодействие: передача энергии и информации

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы ИМ-13

Котова Кристина Вячеславовна.

Проверил:

старший преподаватель

Новожилов Валерий Сергеевич

 

 

 

Гомель,2013

План:

Введение.

1. Электромагнитное взаимодействие: его общая характеристика и значение.

2. Передача электрической энергии и изобретение электродвигателя.

3.Передача  информации: радио, телевидение и мобильная связь.

Заключение.

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.

Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики. Взаимодействие- основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.

Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.

Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия. Радиус действия – это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь. При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим.

Среди четырёх типов взаимодействий, открытых наукой, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Сама жизнь немыслима без электромагнитных сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Электромагнитное взаимодействие: его общая характеристика и значение.

Электромагнитное взаимодействие- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие является универсальным  и существует между любыми телами в микро-, макро- и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передаётся с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов , а магнитное- при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается законом Кулона, законом Ампера и в обобщённом виде- электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. В частности, величина элементарного электрического заряда определяет размеры атомов и длину связей в молекулах.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером. По силе электромагнитное взаимодействие слабее сильного (ядерного), но сильнее слабого (распадного) взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и, единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большей силой в космических масштабах- электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

За счёт дальнодействия электромагнитное взаимодействие заметно проявляется как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Фактически, подавляющее большинство физических сил в классической механике - силы упругости, силы трения, силы поверхностного натяжения и т.д.- имеют электромагнитную природу.

Характеристика основных взаимодействий. Таблица 1.

 

Тип взаимодействия	Источник	Константа взаимодействия	Радиус действия (м)
Гравитационное	Масса	10-38	Бесконечно большой
Электромагнитное	Электрически заряженные частицы	10-2	Бесконечно большой
Сильное	Частицы, входящие в состав ядер (протоны, нейроны)	1	10-15
Слабое	Элементарные частицы	10-14	10-18

 

Электромагнитное взаимодействие определяет большинство физических свойств макроскопических тел и, в частности, изменение этих свойств при переходе из одного агрегатного состояния в другое.

Электрические, магнитные и оптические явления также сводятся к электромагнитному взаимодействию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Передача электрической энергии и изобретение электродвигателя.

Изучение природы электромагнитного взаимодействия приведёт нас к одному из самых фундаментальных понятий физики- электромагнитному полю.

Электродинамика-это наука о свойствах  и закономерностях поведения особого вида материи- электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие  между электрически заряженными телами или частицами. К созданию  электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потёртого о шерсть. Притягивать лёгкие предметы и кончая теорией Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Лишь  во второй половине 19 в., после создания электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений.

При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим достижениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. В 1821 г.Фарадей установил опытным путём возможность построения электродвигателя. Первые двигатели работали только на постоянном токе.Сейчас наиболее распространены двигатели переменного тока.

Электродвигатель представляет собой устройство преобразования электрической энергии в механическую. Основной принцип, благодаря которому работают двигатели-это закон Ампера.

Принцип работы электродвигателя:

 

Он  гласит, что проволока с электрическим током имеет магнитное поле вокруг себя. Представьте себе  ток, протекающий через проволочную петлю. Этот  ток создает магнитное поле вокруг провода. Поскольку само кольцо стало магнитом, с одной стороны оно будет притягиваться к северному (N) полюсу магнита, а другая — к южному (S). Петля начнет вращаться (показано стрелкой).

Создание машин постоянного тока и начальные шаги  в развитии электрического освещения и электрического привода не могли бы внести кардинальных изменений в производственную практику, если бы не была решена задача передачи энергии на расстояние.

Передача электрической энергии- это передача при помощи электрического тока механической работы, производимой в одном месте, в другое, более или менее удалённое от первого. Работа  источника механической энергии (паровой машины, турбины и т.п.) затрачивается на вращение динамо-машины и, таким образом, превращается в энергию электрического тока, который по соответствующим проводам проводиться в одно или несколько мест, куда энергия должна быть доставлена и там пускается в электродвигатели, превращающие электрическую энергию тока обратно в механическую. Следовательно, для передачи энергии нужны: 1) генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую; 2) провода, по которым эта последняя передаётся; 3)двигатели, обращающие электрическую энергию в механическую.

Первые опыты передачи электрической энергии на  расстояние относятся к началу 70-х годов 19 в. В 1873 г. французский физик И.Фонтен демонстрировал на Венской международной выставке свойство обратимости электрических  машин: приводил в действие двигатель (машину Грамма) от генератора. Двигатель и генератор соединялись между собой кабелем длиной в 1 км. Таким образом была доказана принципиальная возможность передачи механической энергии на относительно большое расстояние путём двойного преобразования энергии. Прогрессивный путь решения проблемы передачи электрической энергии нашли в 1880 г. французский учёный М.Депре и русский физик Д.А.Лачинов. Математическим анализом существа физических процессов в системе генератор-линия-двигатель они показали, что эффективность электропередачи может быть достигнута при увеличении напряжения в линии. Вскоре была осуществлена передача постоянного тока на напряжение 12кВ, но электропередачи постоянного тока столь высокого напряжения были единичны. Трудности создания машин высокого напряжения и преобразования тока высокого напряжения в ток низкого напряжения у потребителей заставили обратиться с середины 90-х годов к исследованию свойств переменных токов.

В 1889 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским был изобретён первый трёхфазный двигатель переменного тока. По своим техническим показателям двигатель Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.

 

 

 

 

 

 

3.Передача  информации: радио, телевидение и  мобильная связь.

Электромагнитные волны распространяются на огромные расстояния, поэтому с их помощью передают информацию, в том числе звук (радио) и изображение (телевидение).Английский учёный Джеймс Максвелл в 1864 году теоритически предсказал существование электромагнитных волн. В 1887 году их экспериментально обнаружил Генрих Герц.

Передачу информации с помощью электромагнитных волн впервые осуществил российский инженер Александр Степанович Попов.7 мая 1895 года Попов продемонстрировал работу прибора, который регистрировал электромагнитные волны, порождённые удалённой грозой, а 24 марта 1896 года передал первую в мире радиограмму. Однако работы Попова не получили тогда развития в России.

В Италии передачей информацией с помощью электромагнитных волн активно занимался инженер Гульельмо Маркони. Он также не нашёл поддержки у себя на родине и уехал в Англию, где заинтересовал своими разработками Адмиралтейство. В 1901 году Маркони осуществил передачу радиосигналов через Атлантический океан, доказав, что радиоволны могут огибать Землю.

Принципы радиосвязи:

На приведённых ниже рисунках схематически представлены основные этапы передачи и приёма радиоволн.

 

 

 

 

Телевидение— комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. Вместе с радиовещанием является наиболее массовым средством распространения информации, а также одним из основных средств связи. Идея о том, что движущееся изображение может передаваться по радио, подобно звуку, принадлежит шотландскому инженеру Джону Лоджи Бэрду. Он нашел способ, как разбить изображение на отдельные линии, которые можно записать в виде электрических колебаний и передавать по радио, воспользовавшись изобретением немца Пауля Нипкова – специальным вращающимся диском с отверстиями. В 1925 году Бэйрд продемонстрировал свою телеаппаратуру в работе сотрудникам Королевского Института в Лондоне. Картинка на экране оказалась очень грубой и размытой, однако первый шаг был сделан. Качественное телевизионное изображение будет получено лишь с созданием кинескопа и иконоскопа – специальных электронно-лучевых трубок. Создание иконоскопа стало настоящим прорывом в чёткости изображения электронного телевидения, что решило в конце концов в его пользу спор с механическим телевидением.Он был изобретён   в 1923 году русским эмигрантом Владимиром Зворыкиным, а запатентован Семёном Катаевым в 1931 году. 18 декабря 1953 года в США было начато первое в мире цветное телевещание .

Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.