Электромагнетизм – это совокупность явлений, обусловленных связью электрических токов и магнитных полей. Иногда эта связь приводит к нежелательным эффектам: например, ток, протекающий по электрическим кабелям на корабле, вызывает «ненужное» отклонение судового компаса. Однако нередко электричество намеренно используется для создания магнитных полей большой интенсивности, например в электромагнитах.

Электрический ток и магнитный поток

Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, приходящихся на единицу площади. Магнитное поле возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален току. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока без увеличения тока.
Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т.е. скручивая провод в катушку. В точке максимальной плотности магнитного потока (там на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода и и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков.
Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник) или на немагнитную основу (например, воздушный сердечник). С точки зрения величины магнитного потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху, т.е. приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и магнитный поток, в этом случае выполняется достаточно точно.
Наличие железа влияет на магнитное поле в двух отношениях. Оно увеличивает магнитное действие тока, часто в тысячи раз и более, однако при этом нарушается пропорциональная зависимость между током и магнитным потоком, имеющая место в катушках с воздушным сердечником.
Микроскопические области в железе, домены (точнее, их магнитные моменты), при действии магнитного поля, созданного током, выстраиваются в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода, т.е. плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.

Электромагнитная индукция

Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина этого поля ограничена свойствами железа. Величина магнитного поля, создаваемого соленоидом с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого.
Изменение магнитного поля может порождать электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается:
При таком способе индуцирования напряжения необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

Как получают энергию

Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.
Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для создания магнитного поля соленоид подключают к источнику тока. Электрическая мощность, вырабатываемая – генератором, равна произведению напряжения на силу тока. С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы, однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.
В настоящее время, используя явление сверхпроводимости, удается получать магнитные поля невиданной интенсивности. При этом ток протекает без потерь, т.е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большие токи в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения.
Такие сильные магнитные поля открывают перспективы движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов, обеспечивающих высокую мощность при малой стоимости.