Значение электромагнитной индукции: Практическое применение явления электромагнитной индукции

Содержание

Практическое применение явления электромагнитной индукции

Радиовещание


Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света -300000 км/с.

Магнитотерапия


В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями.

Синхрофазотроны


В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

Расходомеры – счётчики


Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал.

Генератор постоянного тока


В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу “правой руки”. При этом на одной щетке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдет ток.

Трансформаторы


Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток (катушек) из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки – вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Закон электромагнитной индукции, теория и примеры

Формулировка закона электромагнитной индукции

Эмпирически М. Фарадей показал, что сила тока индукции в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения количества линий магнитной индукции, которые проходят через поверхность ограниченную рассматриваемым контуром. Современную формулировку закона электромагнитной индукции, используя понятие магнитный поток, дал Максвелл. Магнитный поток (Ф) сквозь поверхность S – это величина, равная:

   

где модуль вектора магнитной индукции; – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура. Магнитный поток трактуют как величину, которая пропорциональна количеству линий магнитной индукции, проходящих сквозь рассматриваемую поверхность площади S.

Появление тока индукции говорит о том, что в проводнике возникает определенная электродвижущая сила (ЭДС). Причиной появления ЭДС индукции является изменение магнитного потока.

В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

   

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур.

Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к плоскости контура. При этом направление нормали определяют при помощи правила правого винта, связывая его с положительным направлением тока в контуре. Так, произвольно назначают положительное направление нормали, определяют положительное направление тока и ЭДС индукции в контуре. Знак минус в основном законе электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца.

На рис.1 изображен замкнутый контур. Допустим, что положительным является направление обхода контура против часовой стрелки, тогда нормаль к контуру () составляет правый винт в направлением обхода контура. Если вектор магнитной индукции внешнего поля сонаправлен с нормалью и его модуль увеличивается со временем, тогда получим:

   

При этом ток индукции создаст магнитный поток (Ф’), который будет меньше нуля. Линии магнитной индукции магнитного поля индукционного тока () изображены на рис. 1 пунктиром. Ток индукции будет направлен по часовой стрелке. ЭДС индукции будет меньше нуля.

Формула (2) – это запись закона электромагнитной индукции в наиболее общей форме. Ее можно применять к неподвижным контурам и движущимся в магнитном поле проводникам. Производная, которая входит в выражение (2) в общем случае состоит из двух частей: одна зависит от изменения магнитного потока во времени, другая связывается с движением (деформаций) проводника в магнитном поле.

В том случае, если магнитный поток изменяется за равные промежутки времени на одну и ту же величину, то закон электромагнитной индукции записывают как:

   

Если в переменном магнитном поле рассматривается контур, состоящий из N витков, то закон электромагнитной индукции примет вид:

   

где величину называют потокосцеплением.

Примеры решения задач

Закон электромагнитной индукции.

Правило Ленца

На прошлом уроке мы с вами ввели в рассмотрение понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции). Напомним, что так называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля индукции магнитного поля, площади поверхности, ограниченной контуром, и косинуса угла между направлениями нормали к этой поверхности и магнитной индукции:

А ещё мы с вами познакомились с некоторыми опытами Майкла Фарадея, позволившие ему открыть одно из уникальных явлений современного мира — явление электромагнитной индукции. Давайте с вами вспомним, что это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает индукционный ток, существующий в течение всего времени изменения магнитного потока

.

Но у нас с вами остался ещё один важный и нерешённый вопрос: какого же направление возникающего индукционного тока? Этим вопросом задавались многие учёные, среди которых был и петербургский академик Эмилий Христианович Ленц. В 1833 году после серии исследований явления электромагнитной индукции ему удалось сформулировать правило для определения направления индукционного тока — правило Ленца. Согласно этому правилу, возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток имеет такое

направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, противодействует изменению магнитного потока, которым вызывается этот индукционный ток.

Правило Ленца можно проиллюстрировать на таком опыте. Возьмём два лёгких алюминиевых кольца, находящихся на острие подставки. Одно кольцо, как видно, сплошное. Другое же кольцо имеет небольшой разрез. Теперь возьмём постоянный магнит попробуем приблизить его к разрезанному кольцу. Как видим, разрезанное кольцо никак не реагирует на магнит. Это говорит нам о том, что индукционный ток в этом кольце не возникает.

А теперь попробуем приблизить магнит к сплошному кольцу. Как видим, оно отталкивается от магнита, подобно тому, как отталкиваются два одноимённых полюса магнита.

И действительно, когда мы пытаемся внести магнит в кольцо, то в последнем возникает индукционный ток, который порождает в собственное магнитное поле. По правилу Ленца это поле имеет такое направление, что его линии индукции направлены противоположно линиям индукции внешнего поля магнита. Иными словами, кольцо и магнит оказываются обращёнными друг к другу одноименными полюсами.

Продолжим наши опыты. Но теперь, придерживая коромысло рукой, внесём магнит в сплошное кольцо. Отпустив коромысло, попробуем вытянуть магнит — кольцо следует за магнитом, подобно тому, как притягиваются два разноимённых полюса магнита. Объясним и этот случай. Когда мы пытаемся убрать магнит из кольца (то есть уменьшаем магнитный поток), то в кольце вновь возникает индукционный ток, но уже другого направления. Этот ток также порождает собственное магнитное поле.  Однако линии индукции этого поля теперь направлены так же, как и линии индукции внешнего поля магнита. Иными словами, кольцо и магнит оказываются обращёнными друг к другу разноимёнными полюсами.

В более сжатой форме правило Ленца можно сформулировать следующим образом: индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.

Индукционный ток, как и всякий ток, обладает энергией. Следовательно, получая индукционный ток, мы тем самым получаем электрическую энергию. Согласно закону сохранения и превращения энергии, последняя может быть получена только за счёт эквивалентного количества энергии какого-нибудь другого вида.

Когда мы приближаем, например, к катушке магнит, то возникающий в ней индукционный ток своим магнитным полем отталкивает магнит. Двигая магнит, мы преодолеваем эти силы отталкивания, то есть совершаем работу, в результате чего механическая энергия и превращается в энергию индукционного тока.

При выдвигании магнита из катушки совершается работа по преодолению силы притяжения катушки. Механическая энергия здесь также превращается в энергию индукционного тока. Таким образом, закон Ленца находится в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии.

Для того, чтобы определить направление индукционного тока по правилу Ленца, необходимо выполнить несколько нехитрых операций:

1) необходимо выяснить, как направлены линии магнитной индукции внешнего магнитного поля%

2) установить, увеличивается или уменьшается магнитный поток через поверхность, ограниченную проводящим контуром;

3) определить направление линий индукции магнитного поля индукционного тока. Для этого необходимо руководствоваться следующим: если изменение магнитного потока является величиной отрицательной, то направления индукций внешнего магнитного поля и магнитного поля индукционного тока совпадают, в противном случае эти направления противоположны.

4) узнав направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, воспользоваться правилом буравчика для определения направления индукционного тока.

Открыв явление электромагнитной индукции, Фарадей буквально за полтора месяца установил все его существенные закономерности. Ему стала понятна сущность явления, которое сыграло такую важную, без преувеличения, роль для всего человечества: во всех проведённых опытах индукционный ток в проводящем контуре возникал только в результате изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Как вы уже знаете, для существования тока в замкнутой электрической цепи необходимо, чтобы на свободные заряженные частицы действовали сторонние силы, то есть в цепи должен быть источник ЭДС. Вы, наверное, догадались, что в опытах Фарадея источником этих самых сторонних сил был изменяющийся магнитный поток, который и создавал в цепи электродвижущую силу. Эту ЭДС мы с вами будем называть электродвижущей силой индукции или, сокращённо, ЭДС индукцией.

Заметим, что для явления электромагнитной индукции именно ЭДС индукции является характерной величиной, а не индукционный ток, так как он зависит от сопротивления контура. Например, в двух одинаковых по размерам и форме проводниках при одинаковых условиях ЭДС индукции будет одинакова, а индукционный ток будет меньше в том проводнике, сопротивление которого больше.

Теперь, введя понятие ЭДС индукции мы можем дать более строгое определение явления электромагнитной индукции. Итак, явление возникновения ЭДС индукции в контуре, который либо покоится в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, меняется, называют электромагнитной индукцией.

В 1873 году ещё один выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл, занялся анализом результатов опытов Фарадея. В частности, он заметил одно очень важное обстоятельство: чем быстрее меняется магнитный поток, пронизывающий контур, тем больший индукционный ток идёт по проводнику и, следовательно, тем большая ЭДС индукции в нём возникает:

Однако из закона Ома для замкнутой цепи следует, что сила индукционного тока должна быть прямо пропорциональна ЭДС индукции и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

А так как сопротивление проводника не зависит от изменения магнитного потока, то выражение для силы индукционного тока будет справедливо только тогда, когда ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока

Чтобы обеспечить строгое равенство в записанном выражении, необходимо учесть направление индукционного тока. Как мы уже с вами выяснили, по правилу Ленца при увеличении магнитного потока ЭДС индукции отрицательная и, наоборот, при уменьшении магнитного потока ЭДС индукции положительная. Тогда можно записать, что ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком:

В этом и состоит математическая суть закона электромагнитной индукции, установленного Джеймсом Максвеллом и названного в честь Майкла Фарадея законом электромагнитной индукции Фарадея.

Для закрепления нового материала, давайте с вами решим такую задачу. И условие первой из них такое: в однородном магнитном поле, индукция которого равна 500 мТл, вращается стержень длиной 1 м с постоянной угловой скоростью 20 рад/с. Определите ЭДС индукцию, возникающую в стержне, если ось вращения проходит через конец стержня параллельно линиям магнитной индукции.

В заключении урока отметим, что наибольшего значения индукционные токи достигают в массивных проводниках. Такие токи принято называть токами Фуко́ по имени исследовавшего их французского физика Поль-Мишеля Фуко. Как правило, эти токи используются для нагревания проводников, например, в индукционных печах, современных индукционных плитах и так далее. Однако существует много устройств, в которых возникновение токов Фуко́ приводит к бесполезным, а порой и нежелательным потерям энергии на выделение тепла. Поэтому, например, в электродвигателях, генераторах, и трансформаторах железные сердечники выполняются не из сплошного металла, состоящие из отдельных пластин, изолированных друг от друга.

в каком году, что позволило создать

Закон электромагнитной индукции объясняет, как механическая энергия генератора преобразуется в электричество. Данное явление представляет собой совокупность процессов, управляя которыми можно получать электроэнергию для работы оборудования и приборов, реализации разнообразных инженерных проектов.

Электромагнитная индукция — описание

Электромагнитной индукцией называется процесс, при котором ток возникает в проводящем контуре замкнутой конфигурации во время изменений магнитного потока, пронизывающего его.

Электромагнитная индукция наблюдается в двух случаях:

  1. Во время изменений параметров магнитного поля, воздействующего на проводник.
  2. В процессе перемещения материальной среды в магнитном поле.

Подобные действия приводят к возникновению электрического поля и электрической поляризации. По-другому, в проводнике, помещенном в магнитное поле, при воздействии внешней силы будет наблюдаться электродвижущая сила, обозначаемая ЭДС.

Важно отличать понятия электромагнитной индукции и магнитной индукции. В первом случае подразумевается некое явление, а во втором — векторная физическая величина с численным значением и определенным направлением.

Кто открыл явление

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа в 1831 году. Ученый обнаружил электродвижущую силу, которая возникает в замкнутом проводниковом контуре. Данная сила отличается пропорциональностью к скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную этим контуром.

Еще в 1820 году Ганс Христиан Эрстед продемонстрировал опыт, в котором магнитная стрелка отклонялась от цепи с электрическим током. Отсюда последовал вывод, что в случае порождения магнетизма электрическим током само появление электричества должно быть связано с магнетизмом. Данная теория была поддержана Майклом Фарадеем, который на протяжении многих лет ставил разнообразные опыты и пришел к открытию электромагнитной индукции.

Как было сделано открытие ЭМ индукции

В опыте Фарадея использовалась одна непроводящая основа, на которую были намотаны две катушки. Витки первой катушки были зафиксированы между витками второй. Первая катушка замыкалась на гальванометре, а вторая — подключалась к источнику тока.

Источник: i. pinimg.com

Основные этапы опыта:

  • когда ключ замыкался, и ток поступал на вторую катушку, на первой катушке можно было наблюдать импульс тока;
  • если ключ размыкался, то импульс тока сохранялся, однако менялось его направление течения по гальванометру на противоположное.

При подключении первой катушки к источнику электричества вторая катушка, соединенная с гальванометром, перемещалась относительно нее. Во время приближения или удаления катушки можно было фиксировать ток.

Опытным путем получилось выяснить зависимость индукционного тока от изменения линий магнитной индукции. Направление тока будет отличаться во время увеличения или уменьшения количества линий. Сила индукционного тока определяется скоростью изменения магнитного потока. Изменения происходят либо в самом поле, либо при перемещении контура в неоднородном магнитном поле.

Значение открытия в будущем использовании электричества

Благодаря открытию электромагнитной индукции функционируют многие двигатели и генераторы тока. Они обладают достаточно простым принципом действия, основанным на законе электромагнитной индукции. Магнитное поле изменяется в результате перемещения магнита.

При воздействии на магнит, расположенный в замкнутом контуре, в этой цепи появляется электричество. Таким образом работает генераторная установка. В обратной ситуации при пропускании электрического тока от источника по контуру магнит, который находится внутри цепи, придет в движение, на которое влияет магнитное поле, созданное электричеством. По такому принципу собирают электродвигатели.

С помощью генераторов тока механическая энергия преобразуется в электрическую. Существуют разные виды электростанций, которые в качестве механической энергии используют энергетические ресурсы:

  • уголь;
  • дизельное топливо;
  • ветер;
  • воду и другие источники.

Полученное электричество поступает по кабельным сетям к жилым комплексам и предприятиям. Достигнув потребителей, электрическая энергия преобразуется обратно в механическую в электродвигателях.

Источник: dr-sauber.ru

Что открытие ЭМ индукции позволило создать

На основе электромагнитной индукции создано огромное число машин и приборов. Наиболее яркими изобретениями считаются:

  • радиовещание;
  • магнитотерапия;
  • синхрофазотроны;
  • расходомеры, счетчики;
  • генераторы постоянного тока;
  • трансформаторы.

Благодаря великому научному открытию электромагнитной индукции человечеству удалось совершить огромный рывок в области развития электротехники. Закономерности, описанные данным явлением, позволяют создавать алгоритмы для получения электрической энергии. Практические опыты по теме электромагнитной индукции с электромагнитами часто ставят студенты специализированных вузов.

Если в процессе научных познаний и исследований возникают проблемы, всегда можно обратиться за помощью к сервису Феникс.Хелп.

Проект по физике “Роль электромагнитной индукции в жизни человека” на конференцию “Шаг в будущее”

Районная научная конференция молодых исследователей

«Шаг в будущее – 2019»

Исследовательская работа на тему:

«Роль электромагнитной индукции в жизни людей»

Автор:

Трашкова Валерия Дмитриевна,

ученица 9 класса,

Муниципального казенного общеобразовательного учреждения

Болчаровская средняя общеобразовательная школа

Научный руководитель:

Змановский Леонид Владимирович,

Учитель физики высшей категории

Муниципального казенного общеобразовательного учреждения

Болчаровская средняя общеобразовательная школа

Ханты-Мансийский автономный округ-Югра, Кондинский район,

п. Болчары – 2019

Роль электромагнитной индукции в жизни людей.

Трашкова Валерия

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

9 класс

Аннотация.

Уже два поколения родных в моей семье работают сфере электроэнергетики. В будущем мне хочется связать свою профессию с этой сферой, поэтому я увлекаюсь физикой. Особенно мне интересны темы связанные с электричеством, электромагнетизмом и его применением в реальной жизни. Именно поэтому меня заинтересовала тема «Роль электромагнитной индукции в жизни людей». А учитель физики предложил мне написать исследовательский проект на эту тему.

Данная работа представляет собой исследование значения и роли электромагнитной индукции в жизни людей.

Целью работы являлось изучить явление электромагнитной индукции и определить ее роль в жизни людей: в быту, в технике, в промышленности.

Использованные в работе теоретические (анализ, сравнение, систематизация), практические (наблюдение, проведение демонстрационных опытов) и интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов) методы позволили решить задачи исследования.

В ходе проделанной работы мы изучили явление электромагнитной индукции. Оказалось, что это явление активно используется в промышленности и в быту. На этом явлении основывается один из способов преобразования механической энергии в электрическую. Принцип работы электродвигателей пылесосов, фенов, миксеров, кулеров, электромясорубок, расходомеров (счетчиков) и прочих многочисленных приборов берет свое начало из этого явления. Также на этом явлении основывается радиовещание. Явление электромагнитной индукции играет не последнюю роль в медицине. Исследования атомов проходят при помощи синхрофазотронов, работающих на принципах явления электромагнитной индукции. В промышленности, помимо генераторов, используются трансформаторы. И это еще не все.

Роль электромагнитной индукции в жизни людей.

Трашкова Валерия

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

9 класс

План исследования.

Однажды, придя домой, я обнаружила, что дома нет электричества, и моя жизнь в буквальном смысле остановилась. Я не могла посмотреть телевизор, зарядить мобильный телефон (батарея к концу дня уже разрядилась), подогреть себе ужин в микроволновой печи, вскипятить воду в электрочайнике, чтобы заварить чай или кофе. В кране не было воды, так как насосная станция не накачивала воду, то есть помыть посуду, постирать и погладить одежду я не могла, поскольку практически все бытовые приборы работают за счет электроэнергии. Компьютер предательски молчал, молчал и радиоприемник. Более того, на улице уже темнело, а света в доме не было, поэтому мне пришлось найти старую свечку и зажечь ее, чтобы хоть как-то осветить комнату. И тут я подумала, что всем нам, людям, живущим в XXI веке, крупно повезло, поскольку даже наши недалекие предки, жившие 300 или даже 200 лет назад, не имели возможности пользоваться всеми благами цивилизации, которые дало нам электричество.

Всех этих благ цивилизации могло бы и не быть, если бы в 1831 году английский ученый Майкл Фарадей не сделал свое гениальное открытие явления электромагнитной индукции, которое позволило в промышленных масштабах вырабатывать электрический ток, так как были созданы генераторы электрической энергии, получившие широкое распространение во всех сферах человеческой деятельности.

Открытие явления электромагнитной индукции Майклом Фарадеем принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники. Открытие электромагнитной индукции позволило провести электрификацию всей страны (школ, больниц, детских садов, учреждений объектов культуры, промышленности) и сделать жизнь людей более удобной, комфортной и насыщенной.

Проблемой нашего исследования является поиск проявлений электромагнитной индукции в повседневной жизни и выяснение ее роли в жизни людей.

Противоречия состоят в том, что с одной стороны электромагнитная индукция приносит практическую пользу людям, а с другой – отрицательно влияет на здоровье человека.

Актуальность обозначенной нами проблемы заключается в том, что понятие электромагнитной индукции является одним из ключевых понятий в физике, электромагнитная индукция окружает нас повсюду и умение эффективно применять и использовать ее является одним из основных умений современного культурного и образованного человека, инженера, конструктора, ученого.

Объектом исследования является электромагнитная индукция.

Предмет исследования – применение электромагнитной индукции в жизни людей.

Целью нашей работы является изучить явление электромагнитной индукции и выявить ее роль в жизни людей: в быту, в технике, в промышленности.

В качестве гипотезы мы выдвинули идею о том, что явление электромагнитной индукции встречается повсеместно и является основой для работы многих бытовых приборов и устройств.

Для достижения поставленной нами цели были выделены следующие задачи:

1. Изучить научную, научно-популярную и научно-познавательную литературу по данному вопросу, цифровые образовательные ресурсы, ресурсы Интернет.

2. Рассмотреть природу электромагнитной индукции.

3. Исследовать зависимость индукционного тока от других величин.

4. Рассмотреть принципы работы некоторых устройств, в основе работы которых лежит явление электромагнитной индукции.

5. Сделать выводы по проделанной работе.

Эмпирическая база исследований. Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Болчаровская средняя общеобразовательная школа (кабинет физики, кабинет кулинарии, столярная мастерская, актовый зал).

Методы исследования.

– Теоретические (изучение, анализ, обобщение).

– Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения).

– Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Научная новизна исследования заключается в исследовании принципов работы в большом количестве самых обычных бытовых электроприборов и устройств, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни: на кухне, в гараже, в столярной мастерской и т.д.

Практическая значимость исследования состоит в том, что результаты данной работы можно использовать в качестве дополнительных материалов на уроках физики в 9 классе при прохождении тем «Явление электромагнитной индукции», «Направление индукционного тока. Правило Ленца», «Явление самоиндукции», «Получение и передача переменного тока. Трансформатор», «Электромагнитное поле», «Принципы радиосвязи и телевидения», а также на уроках технологии, кулинарии, автодела, электродела при изучении принципов работы электрических устройств, а также при проведении инструктажей по соблюдению техники безопасности при работе с различным электроинструментом, бытовыми электрическими устройствами и др.

Таблица 1 – Этапы исследования

Октябрь 2018 года

2.

Выяснение определения понятий «электромагнитная индукция» и «индукционный ток», а также знакомство с природой явления электромагнитной индукции

Ноябрь 2018 года

3.

Проведение опытов по обнаружению явления электромагнитной индукции и практического применения его в некоторых устройствах

Декабрь 2018 года

4.

Выявление зависимости индукционного тока от различных величин.

Январь 2019 года

5.

Рассмотрение использования явления электромагнитной индукции в жизни людей в приборах и установках, работа которых основана на природе явления электромагнитной индукции

Февраль 2019 года

6.

Подведение итогов и оформление отчета о проделанной работе.

Март 2019 года

Библиография

1. Перышкин А.В. Физика. 9 кл.: учебник / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 319, [1] с.: ил.

2. Поезда на магнитных подушках – это транспорт будущего? Как работает поезд на магнитной подушке? – //http://fb.ru/article.

3. Применение явления электромагнитной индукции // https://otherreferats.allbest.ru.

4. Электромагнитная индукция: применение индукции// http://www.nado5.ru.

5. Электромагнитная индукция //https://ru.wikipedia.org.

6. Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле// https: //elquanta.ru.

7. Энциклопедический словарь юного техника/ Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Педагогика, 1988. – 464 с.: ил.

8. Энциклопедический словарь юного физика/ Сост. В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 1984. – 352с., ил.

Роль электромагнитной индукции в жизни людей.

Трашкова Валерия

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

9 класс

Научная статья (описание работы).

Взаимосвязь электрических и магнитных явлений всегда интересовала физиков. Великий английский ученый Фарадей был совершенно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Фарадей рассуждал, что электрический ток способен намагнитить кусок железа. Для этого достаточно поместить кусок внутрь катушки с током. Не может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока или изменить его величин? Фарадей так записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Решить эту задачу ему удалось лишь после 10 лет упорной работы.

Рис.1. Майкл Фарадей (1791-1867)

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», проделаем опыты, подобные тем, которые проделал Фарадей.

Рис. 1. Появление тока при движении магнита в катушке (вниз и вверх).

К гальванометру подключим катушку, состоящую из большого числа витков. Если вдвигать в катушку магнит, то можно увидеть, что стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление тока в цепи. При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, указывая возникновение в катушке тока противоположного направления. В этом опыте ток возникает только тогда, когда магнит движется относительно катушки (рис.1).

Несколько изменим опыт. Оставим неизменным магнит и будем перемещать катушку. В результате обнаружим, что во время движения катушки относительно магнита в цепи опять появляется ток (рис.2).

Рис.2. Появление тока при движении катушки относительно магнита (вверх и вниз).

Теперь заменим магнит электромагнитом – катушкой, соединенной с источником тока. При перемещении электромагнита в катушке гальванометр фиксирует появление в ней тока. Если изменять силу тока в электромагните, замыкая и размыкая ключом цепь, то в катушке в эти моменты будет возникать ток (рис.3).

Рис.3. Появление тока в катушке при изменении силы тока в электромагните

и движении катушки и электромагнита относительно друг друга.

Проделаем еще один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника соединенный с гальванометром. При повороте контура стрелка гальванометра будет отклоняться, указывая возникновение в нем тока. Ток будет также возникать, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис.4).

Во всех проделанных опытах ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

Рис.4. Появление тока в контуре при его вращении в магнитном поле

и при вращении магнита внутри контура.

Явление возникновения тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, называют электромагнитной индукцией. Ток, возникающий в замкнутом проводнике, называется индукционным током (от лат. «наведенный).

Рис.5. Явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции широко используется в технике. Известно, что при вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает индукционный ток. При этом гальванометр отклоняется то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что сила индукционного тока и его направление постоянно меняется от максимального значения (когда плоскость рамки расположена вдоль линий магнитной индукции) до нуля (когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции).

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по величине и направлению, называется переменным током.

Рис.6. Создание переменного электрического тока.

Переменный ток широко используется и в осветительной сети и во многих отраслях промышленности. Для получения переменного тока используются генераторы переменного тока.

Основными частями генератора являются статор (неподвижная часть) и ротор (движущаяся часть).

Статор представляет собой систему неподвижных катушек (обмоток). В них индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Ротор представляет собой электромагнит – на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. При вращении ротора обмотки статора оказываются в переменном магнитном поле. Поэтому в них индуцируется переменный ток (рис.7).

Рис.7. Устройство ротора (а) и работа генератора переменного тока (б).

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины (турбогенератор), на гидроэлектростанциях – с помощью водяной турбины (гидрогенератор). Обычно ротор генератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока. Стандартная частота переменного тока, применяемая в промышленности и осветительной сети в России и других странах равна 50 Гц. В некоторых странах, например в США, стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.

Рис.8. Работа гидрогенератора.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы еще одного устройства – трансформатора. Трансформатор служит для преобразования тока одного напряжения в ток другого напряжения. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная – к потребителям электроэнергии. При этом в сердечнике трансформатора возникает переменное магнитное поле. Изменение магнитного поля в сердечнике приводит к возникновению напряжения между концами вторичной обмотки.

Рис.9.Трансформатор.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

= .

Отношение напряжения на первичной обмотке трансформатора к напряжению на его вторичной обмотке равно отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки.

Если во вторичной обмотке число витков больше, чем в первичной (N2>N1), то такой трансформатор является повышающим (U2>U1). Если наоборот N2<N1, то трансформатор является понижающим (U2<U1).

Рис.10. Понижающий (а) и повышающий (б) трансформаторы.

Трансформаторы нашли широкое применение в быту. Например, зарядное устройство телефона понижает напряжение с 220 В до 5,5 В. В телевизоре есть элементы, которым нужно более высокое или низкое напряжение, для этого используют несколько трансформаторов.

Трансформаторы широко используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линиями электропередачи (ЛЭП).

При передаче электроэнергии неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (Q=I2Rt). При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI). Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор. А затем, между ЛЭП и потребителем электроэнергии – понижающий трансформатор.

Рис.11. Схема линии электропередач.

Рис. 12. Схема работы индукционной плиты. Рис.13. Рамка металлодетектора.

Одним из интересных бытовых приборов является индукционная плита. Интересна она своим принципом работы. По сути, индукционная плита – тот же трансформатор, но роль вторичной обмотки играет металлическая посуда. Посуда, под действием тока нагревается, вследствие чего нагревается и еда внутри, и покрытие плиты. Таким образом, индукционная плита не нагревается до тех пор, пока на нее не поставят посуду. Индукционные плиты гораздо безопаснее и эффективнее (КПД до 90%).

Фото 1. Опыт с трансформатором.

Явление электромагнитной индукции применяется в большом количестве бытовых приборов и устройств.

Электрический дверной звонок – один из примеров применения электромагнетизма в повседневной жизни. Когда нажимаешь на кнопку, в цепи возникает электрический ток. Под действием электромагнита с одной стороны и пружины с другой молоточек часто ударяет по звонку (фото 2).

Для обнаружения металлических предметов применяются специальные детекторы. Например, в аэропортах детектор металла фиксирует поля индукционных токов в металлических предметах. Магнитное поле, создаваемое током передающей катушки, индуцирует в металлических предметах токи, препятствующие (по правилу Ленца) изменению магнитного потока. В свою очередь магнитное поле этих токов индуцирует в катушке-приемнике ток, запускающий сигнал тревоги (рис.13).

Фото 2. Опыт с электрическим звонком.

Фото 3. Опыт с магнитоэлектрической машиной (генератором переменного тока).

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем. В кольцевом зазоре магнитной системы, имеющей постоянный магнит, находится подвижная катушка, скрепленная с диафрагмой. При воздействии на последнюю звукового давления, она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики (рис.14).

Рис.14. Принцип действия электродинамического микрофона.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе принципа работы поездов на магнитной подушке, так называемых маглевов, развивающих высокие скорости движения.

Рис.15. Маглев.

Поезда на магнитных подушках представляют собой особую разновидность транспорта. Во время движения маглев словно парит над железнодорожным полотном, не касаясь его. Это происходит по той причине, что транспортное средство управляется силой искусственно созданного магнитного поля. Во время движения маглева отсутствует трение. Тормозящей силой при этом является аэродинамическое сопротивление.

Как же это работает? О том, какими базовыми свойствами обладают магниты, каждому из нас известно из уроков физики. Если два магнита поднести друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Создается так называемая магнитная подушка. При соединении различных полюсов магниты притянутся друг к другу. Этот довольно простой принцип и лежит в основе движения поезда-маглева, который буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов.

Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS) (рис. 16).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение Рис.16. Устройство маглева. (линейный двигатель).

В ходе исследования мы подтвердили гипотезу о том, что явление электромагнитной индукции встречается повсеместно и является основой для работы многих приборов.

В самом начале исследования я поставила себе цель: изучить явление электромагнитной индукции и выяснить ее роль в жизни людей. На приведенных примерах я рассмотрела применение электромагнитной индукции в жизни людей и доказала, что она имеет огромное значение в жизни современного человека.

Таким образом, явление электромагнитной индукции широко распространено в современном мире и имеет огромное значение. Почти вся электрическая энергия мира производится на станциях, использующих генераторы, чья работа основана на явлении электромагнитной индукции. Без трансформаторов большинство электрической энергии было бы потрачено на нагрев проводов. Явление электромагнитной индукции является неотъемлемой частью нашей жизни, делая нашу жизнь более удобной, комфортной, безопасной и интересной.

Явление э/м индукции. Магн. поток. Закон э/м индукции

  • Явление электромагнитной индукции

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

  • Магнитный  поток
Замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле

Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком. Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла  между вектором В и нормалью к поверхности:  Φ = BS cos α.   Единица магнитного потока Ф — вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

  • Закон электромагнитной индукции

Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:   Эта формула носит название закона Фарадея.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

  • Правило Ленца

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим  магнитным  полем противодействует тому изменению  магнитного потока, которым он вызван.  Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что    всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея).

Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Изучение явления электромагнитной индукции

Автор Alexey На чтение 4 мин. Просмотров 658 Опубликовано Обновлено

Изучение возникновения электрического тока всегда волновало ученых. После того, как в начале XIX века датский ученый Эрстед выяснил, что вокруг электрического тока возникает магнитное поле, ученые задались вопросом: может ли магнитное поле порождать электрический ток и наоборот.Первым ученым, кому это удалось, был ученый Майкл Фарадей.

Опыты Фарадея

После многочисленных проведенных опытов Фарадей смог достичь кое-каких результатов.

1.Возникновение электрического тока

Для проведения опыта он взял катушку с большим количеством витков и присоединил ее к миллиамперметру (прибору, измеряющему силу тока). По направлению вверх и вниз ученый передвигал магнит по катушке.

Во время проведения эксперимента, в катушке действительно появлялся электрический ток по причине изменения магнитного поля вокруг нее.

По наблюдениям Фарадея стрелка миллиамперметра отклонялась и указывала на то, что движение магнита порождает собой электрический ток. При остановке магнита стрелка показывала нулевую разметку, т.е. ток не циркулировал по цепи.

рис. 1 Изменение силы тока в катушке за счет передвижения реjcтата

Данное явление, при котором  ток возникает под действием переменного магнитного поля в проводнике, назвали явлением электромагнитной индукции.

2.Изменение направления индукционного тока

В своих последующих исследованиях Майкл Фарадей пытался выяснить, что влияет на направление возникающего индукционного электрического тока. Проводя опыты, он заметил, что изменяя числа мотков на катушке или полярность магнитов, направление электрического тока, которое возникает в замкнутой сети меняется.

3.Явление электромагнитной индукции

Для проведения опыта ученый взял две катушки, которые расположил близко друг к другу. Первая катушка, имеющая большое количество витков проволоки, была подсоединена к источнику тока и ключу, замыкающему и размыкающему цепь. Вторую такую же катушку он присоединил к миллиамперметру уже без подключения к источнику тока.

Проводя эксперимент, Фарадей заметил, что при замыкании электрической цепи возникает индуцированный ток, что видно по движению стрелки миллиамперметра. При размыкании цепи миллиамперметр также показывал, что в цепи есть электрический ток, но показания были прямо противоположными. Когда же цепь была замкнута и равномерно циркулировала ток, тока в электрической цепи согласно данным миллиамперметра не было.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Вывод из экспериментов

В результате открытия Фарадея была доказана следующая гипотеза: электрический ток появляется только при изменении магнитного поля. Также было доказано, что изменение числа витков в катушке изменяет значение силы тока (увеличение мотков увеличивает силу тока). Причем индуцированный электрический ток может появиться в замкнутой цепи только при наличии переменного магнитного поля.

От чего зависит индукционный электрический ток?

Основываясь на всем вышесказанном, можно отметить, что даже если есть магнитное поле, это не приведет к возникновению электрического тока, если данное поле не будет при этом переменным.

Так от чего же зависит величина индукционного поля?

  1. Число витков на катушке;
  2. Скорость изменения магнитного поля;
  3. Скорость движения магнита.

Магнитный поток является величиной, которая характеризует магнитное поле. Изменяясь, магнитный поток приводит к изменению индуцированного электрического тока.

рис.2 Изменение силы тока при перемещении а) катушки , в котором находится соленоид; б) постоянного магнита , внесением его в катушку

Закон Фарадея

Основываясь на проведенных опытах, Майкл Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Закон заключается в том, что, магнитное поле при своем изменении приводит к возникновению электрического тока, Ток же указывает на наличие электродвижущей силы электромагнитной индукции (ЭДС).

Скорость магнитного тока изменяясь влечет за собой изменение скорости тока и ЭДС.

Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции равна численно и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, который проходит через поверхность, ограниченную контуром

Индуктивность контура. Самоиндукция.

Магнитное поле создается в том случае, когда ток протекает в замкнутом контуре. Сила тока при этом влияет на магнитный поток и индуцирует ЭДС.

Самоиндукция – явление, при котором ЭДС индукции возникает при изменении силы тока в контуре.

Самоиндукция изменяется в зависимости от особенностей формы контура, его размеров и среды, его содержащей.

При увеличении электрического тока, ток самоиндукции контура может замедлить его. При его уменьшении, ток самоиндукции, напротив, не дает ему так быстро убывать. Таким образом, контур начинает обладать своей электрической инертностью, замедляющей любое изменение тока.

Применение индуцированного ЭДС

Явление электромагнитной индукции имеет применение на практике в генераторах, трансформаторах и двигателях, работающих на электричестве.

При этом ток для этих целей получают следующими способами:

  1. Изменение тока в катушке;
  2. Движение магнитного поля через постоянные магниты и электромагниты;
  3. Вращение витков или катушек в постоянном магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции Майкла Фарадея внесло большой вклад в науку и в нашу обыденную жизнь. Это открытие послужило толчком для дальнейших открытий в области изучения электромагнитных полей и имеет широкое применение в современной жизни людей.

Закон Фарадея – обзор

Пример 12.7

Прямоугольная петля, протянутая через поле B →

В предыдущем примере рассматривалась ситуация, когда изменение потока происходит из-за изменения поля во времени. Здесь мы рассматриваем ситуацию, когда поле постоянно во времени, но поток изменяется, потому что контур перемещается в область поля, так что площадь в поле изменяется. Таким образом, как показано на рисунке 12.13 (a), рассмотрим прямоугольную петлю (наша вторичная обмотка) с сопротивлением R , длиной a вдоль x и длиной l вдоль y .Он движется вдоль + x с постоянной скоростью v в области нулевого магнитного поля, пока не достигнет области однородного поля B , которая указывает на бумагу (-z∩). См. Рисунок 12.13 (а). Для конкретности возьмем B = 0,005 T, v = 2 м / с, l = 0,1 м и R = 0,1 Ом. (Если бы петлю просто бросили в поле, по закону Ленца петля замедлилась бы, поэтому необходима сила, чтобы петля двигалась с постоянной скоростью.) Найдите (а) магнитный поток, (б) ЭДС, (в) магнитную силу, действующую на петлю, и (г) мощность, необходимую, чтобы тянуть петлю с постоянной скоростью.

Рисунок 12.13. (а) Та же ситуация, что и на рисунке 12.11, но более подробно. (b) Отношение цепи-нормальности для части (a).

Решение: Чтобы найти магнитную силу, мы должны решить одновременно и ток, и скорость. (a) Возьмите d A → = n∩d A из бумаги (чтобы ds → вращался против часовой стрелки, чтобы согласоваться с анализом ЭДС движения, показанным ранее), как на рисунке 12.13 (б). Тогда

(12,5) ΦB = ∫B → ⋅n∩dA = ∫ B → ⋅z∩dA = −B∫dA = −BA = −Blx

, когда петля входит в область поля. (b) Пусть v = dx / dt . Из-за движения скорость изменения потока определяется как

(12,6) dΦBdt = −Blv,

, где v = dx / dt . Это приводит к ЭДС

(12.7) ε− = dΦBdt = Blv

, которая циркулирует вдоль ds → :: против часовой стрелки, что согласуется с качественным анализом примера 12.4. Аналогичный анализ проводится при выходе петли из поля.В поле поток остается на постоянном значении Bla , поэтому наведенная ЭДС отсутствует.

Для наших значений B, l и v , (12,7) дает ε = (0,005 T) (0,1 м) (2 м / с) = 1,0 × 10 −3 В. Принимая (12,7 ) является единственной действующей ЭДС, это вызывает ток

(12,8) I = εR = BlvR.

Для R = 0,1 Ом, (12,8) дает I = 1,0 × 10 −3 В / 0,1 Ом = 0,01 А. (c) Соответствующая магнитная сила F → на правом плече получается из

.

(12.9) F → = I ∫ ds → × B →.

(Напомним, что I – это индуцированный ток, а B → – приложенное поле.) Из (12.9), F → указывает влево, а из (12.9) и (12.7) он имеет величину

(12.10 ) F = IlB = v (Bl) 2R.

В нашем случае F = (0,01 A) (0,1 м) (0,006 T ) = 6,0 × 10 −6 Н. (d) Чтобы петля двигалась с постоянной скоростью v , внешняя сила (например, от нашей руки) величиной F должна быть приложена в противоположном направлении.Используя (12.10), эта внешняя сила обеспечивает мощность

(12.11) P = Fv = (vBl) 2R = (IR) 2R = I2R.

Это точно соответствует скорости джоулева нагрева. В нашем случае P = (0,01 A) 2 (0,1 Ом) = 1,0 × 10 −5 Вт. Таким образом, вся мощность, обеспечиваемая рукой ( Fv ), идет на нагрев ( I 2 R ) проволоки. Это генерирование электрического тока механической энергией означает, что контур представляет собой электрический генератор .Наконец, обратите внимание, что на верхнее и нижнее плечо также действуют равные и противоположные силы, которые стремятся сжимать петлю, что согласуется с анализом закона Ленца в примере 12.4. См. Рисунок 12.13 (а).

Закон Фарадея

Закон Фарадея
Далее: Закон Ленца Up: Магнитная индукция Предыдущий: Магнитная индукция Явление магнитной индукции играет решающую роль в три очень полезных электрических устройства: электрогенератор , электрогенератор двигатель , и трансформатор .Без этих устройств современная жизнь была бы невозможно в нынешнем виде. Магнитная индукция была открыта в 1830 г. Английский физик Майкл Фарадей. Американский физик Джозеф Генри независимо друг от друга сделал то же открытие примерно в одно и то же время. Оба физиков заинтриговал тот факт, что электрический ток, протекающий вокруг цепь может генерировать магнитное поле. Наверняка, рассуждали они, если электрический ток может генерировать магнитное поле, тогда магнитное поле должно каким-то образом быть способным генерировать электрический ток.Однако потребовалось много лет бесплодных экспериментов. прежде, чем они смогли найти необходимый ингредиент, который позволяет магнитное поле для генерации электрического тока. Этот ингредиент изменение во времени .

Рассмотрим плоскую петлю из токопроводящего провода соответствующей площади поперечного сечения. Поместим эту петлю в магнитное поле, напряженность которого приблизительно равна равномерный по всей длине петли. Предположим, что направление магнитное поле образует угол с нормальным направлением к петля.Магнитный поток через петлю равен определяется как произведение площади петли и составляющей магнитное поле, перпендикулярное петле. Таким образом,

(191)

Если цикл оборачивается вокруг себя раз (, т.е. , если цикл имеет витков ) тогда магнитный поток через петлю просто умножить на магнитный поток на один виток:
(192)

Наконец, если магнитное поле неоднородно по петле или петля не лежать в одной плоскости, тогда мы должны оценить магнитный поток как поверхностный интеграл
(193)

Вот какая-то поверхность, к которой прикреплена.Если петля имеет витки, то поток в несколько раз превышает указанное выше значение. Единица измерения магнитного потока в системе СИ – вебер (Вб). Одна тесла эквивалентна один вебер на квадратный метр:
(194)

Фарадей обнаружил, что если магнитное поле проходит через петлю из проволоки изменяется во времени. , тогда вокруг петли наводится ЭДС. Фарадей смог наблюдать этот эффект, потому что ЭДС вызывает ток, циркулирующий в петле.Фарадей обнаружил, что величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля во времени. Он также обнаружил, что ЭДС генерируется, когда петля провода перемещается на . из области низкой напряженности магнитного поля в область высокой напряженности магнитного поля, и наоборот . ЭДС прямо пропорциональна скорость, с которой петля перемещается между двумя областями. Наконец-то, Фарадей обнаружил, что ЭДС генерируется вокруг петли, которая на вращается на . в однородном магнитном поле постоянной напряженности.В этом случае ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения петли. Фарадей в конце концов в состоянии предложить единый закон, который мог объяснить все его многочисленные и разнообразные наблюдения. Этот закон, известный как Закон магнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

ЭДС, индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения во времени магнитный поток, связывающий эту цепь.
Единицы СИ были зафиксированы таким образом, чтобы константа пропорциональности в этом закон единицы .Таким образом, если магнитный поток через цепь изменяется на сумму во временном интервале тогда генерируемая в цепи ЭДС равна
(195)

Есть много разных способов, которыми магнитный поток связывает электрическая цепь может изменение. Может измениться либо напряженность магнитного поля, либо направление магнитного поля. поле может измениться, или положение цепи может измениться, или форма цепь может измениться, или ориентация цепи может измениться.Закон Фарадея гласит, что все эти способы полностью эквивалент в части генерации ЭДС вокруг цепь касается.



Далее: Закон Ленца Up: Магнитная индукция Предыдущий: Магнитная индукция
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

8.2: Электромагнитная индукция – Физика LibreTexts

Когда электропроводящая структура подвергается воздействию изменяющегося во времени магнитного поля, в структуре индуцируется разность электрических потенциалов.Это явление известно как электромагнитная индукция . Удобное введение в электромагнитную индукцию дает закон Ленца. В этом разделе объясняется электромагнитная индукция в контексте закона Ленца и приводятся два примера.

Начнем с примера, изображенного на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), с цилиндрической катушкой. К выводам катушки прикреплен резистор, для которого мы можем определить разность электрических потенциалов \ (V \) и ток \ (I \).В этом конкретном случае обозначения знаков, указанные для \ (V \) и \ (I \), произвольны, но важно, чтобы они были согласованы, как только они будут установлены.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): эксперимент, демонстрирующий электромагнитную индукцию и закон Ленца. ((изменено) CC BY 4.0; Y. Qin)

Теперь давайте представим стержневой магнит, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Магнит центрируется вдоль оси катушки справа от катушки, а его северный полюс обращен к катушке. Магнит отвечает за плотность магнитного потока \ ({\ bf B} _ {imp} \).Мы называем \ ({\ bf B} _ {imp} \) магнитным полем под давлением , потому что это поле существует независимо от любой реакции, которая может быть вызвана взаимодействием с катушкой. Обратите внимание, что \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево внутри катушки.

Эксперимент состоит из трех тестов. В двух из этих тестов мы обнаружим, что ток течет (т. Е. \ (\ Left | I \ right |> 0 \)), и, следовательно, существует индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind } \) из-за этого тока. Это направление тока и, следовательно, направление \ ({\ bf B} _ {ind} \) внутри катушки, которое мы хотим наблюдать.Результаты обобщены ниже и в таблице \ (\ PageIndex {1} \).

  • Когда магнит неподвижен, неудивительно, что в катушке нет тока. Следовательно, магнитное поле не индуцируется, а полное магнитное поле просто равно \ ({\ bf B} _ {imp} \).
  • Когда магнит перемещается на к катушке , мы наблюдаем положительный ток по отношению к опорному направлению, указанному на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Этот ток создает индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind} \), которое указывает на справа , как предсказано магнитостатическими соображениями из правила правой руки.Поскольку \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево, кажется, что индуцированный ток противодействует увеличению величины общего магнитного поля.
  • Когда магнит перемещается на от катушки на , мы наблюдаем отрицательный ток по отношению к опорному направлению, указанному на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Этот ток дает \ ({\ bf B} _ {ind} \), который указывает на слева . Поскольку \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево, кажется, что индуцированный ток противодействует уменьшению величины полного магнитного поля.
Таблица \ (\ PageIndex {1} \): результаты эксперимента, связанного с рисунком \ (\ PageIndex {1} \)
Неподвижный постоянная \ (V = 0 \), \ (I = 0 \) нет
Движение к катушке увеличение \ (V> 0 \), \ (I> 0 \) Направление вправо
Движение от катушки убывающая \ (V <0 \), \ (I <0 \) Направление влево

Первый вывод, который можно сделать из этого эксперимента, заключается в том, что изменения в магнитном поле могут индуцировать ток.Это утверждение было сделано в первом абзаце этого раздела и является следствием закона Фарадея, который подробно рассматривается в разделе 8.3. Второй вывод, также связанный с законом Фарадея, является сутью этого раздела: индуцированное магнитное поле, то есть то, которое возникает из-за тока, индуцированного в катушке, всегда противодействует изменению приложенного магнитного поля. Обобщающий:

Закон Ленца гласит, что ток, который индуцируется изменением приложенного магнитного поля, создает индуцированное магнитное поле, которое противодействует (действует, уменьшая эффект) изменению общего магнитного поля.

Когда магнит движется, происходят три вещи: (1) индуцируется ток, (2) индуцируется магнитное поле (которое добавляет к приложенному магнитному полю), и (3) значение \ (V \) становится ненулевым. -нуль. Закон Ленца не определяет, какие из них непосредственно реагируют на изменение магнитного поля, а какие просто реагируют на изменения других величин. Закон Ленца может оставить у вас неверное впечатление, что это индуцируется \ (I \), и что \ ({\ bf B} _ {ind} \) и \ (V \) просто реагируют на этот ток.На самом деле индуцированная величина на самом деле равна \ (V \). Это можно проверить в приведенном выше эксперименте, заменив резистор на вольтметр с высоким сопротивлением, который покажет, что \ (V \) изменяется, даже если протекает незначительный ток. Текущий поток – это просто реакция на индуцированный потенциал. Тем не менее, неофициально принято говорить, что «\ (I \) индуцируется», даже если это происходит только косвенно через \ (V \).

Итак, если закон Ленца – это просто наблюдение, а не объяснение лежащей в основе физики, тогда для чего он нужен? Закон Ленца часто бывает полезен для быстрого определения направления тока в практических задачах электромагнитной индукции, не прибегая к математике, связанной с законом Фарадея.Вот пример:

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Электромагнитная индукция через трансформатор

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана простейшая схема, состоящая из батареи и переключателя слева, вольтметра справа и трансформатора, соединяющего их.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Электромагнитная индукция через трансформатор. (CC0 1.0 (измененный))

Чтобы следовать этому примеру, необязательно знать трансформаторы; Достаточно сказать, что рассматриваемый здесь трансформатор состоит из двух катушек, намотанных вокруг общего тороидального сердечника, который служит для сдерживания магнитного потока.Таким образом, поток, генерируемый одной катушкой, передается другой катушке с незначительными потерями.

Эксперимент начинается с переключателя слева в разомкнутом состоянии. Таким образом, в катушке слева нет тока и магнитного поля. Вольтметр показывает 0 В. Что происходит при включении переключателя?

Решение

Замыкание переключателя создает ток в катушке слева. Учитывая указанную полярность батареи, этот ток течет против часовой стрелки через цепь слева, при этом ток поступает в левую катушку через нижний вывод.Учитывая указанное направление обмотки в левой катушке, магнитное поле \ ({\ bf B} _ {imp} \) направлено против часовой стрелки через тороидальный сердечник. Катушка справа «видит» увеличение \ ({\ bf B} _ {imp} \) от нуля до некоторого большего значения. Поскольку вольтметр предположительно имеет высокий входной импеданс, протекает незначительный ток. Однако, если бы ток мог течь, закон Ленца предписывает, что он будет индуцироваться течением против часовой стрелки вокруг цепи справа, поскольку индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind} \) тогда будет направлено по часовой стрелке, чтобы противодействовать увеличению \ ({\ bf B} _ {imp} \).Следовательно, потенциал, измеренный в нижней части правой катушки, будет выше, чем потенциал в верхней части правой катушки. На рисунке показано, что вольтметр измеряет потенциал на своем правом выводе относительно его левого вывода, поэтому стрелка будет отклоняться вправо. Это отклонение будет временным, поскольку ток, обеспечиваемый батареей, становится постоянным при новом ненулевом значении и \ ({\ bf B} _ {ind} \) реагирует только на изменение в \ ({\ bf B } _ {имп} \). Показание вольтметра будет оставаться равным нулю, пока переключатель остается замкнутым, а ток остается постоянным.

Вот несколько следующих упражнений, чтобы проверить ваше понимание того, что происходит: (1) Теперь откройте переключатель. Что происходит? (2) Повторите первоначальный эксперимент, но перед началом поменяйте местами клеммы аккумулятора.

Наконец, стоит отметить, что закон Ленца также может быть выведен из принципа сохранения энергии. Аргумент состоит в том, что если индуцированное магнитное поле усиливает изменение приложенного магнитного поля, то суммарное магнитное поле увеличится.Это привело бы к дальнейшему увеличению индуцированного магнитного поля, что привело бы к положительной обратной связи. Однако положительная обратная связь не может поддерживаться без внешнего источника энергии, что приводит к логическому противоречию. Другими словами, принцип сохранения энергии требует отрицательной обратной связи , описываемой законом Ленца.

Авторы и авторство

Электромагнитная индукция: определение и переменные, влияющие на индукцию – Видео и стенограмма урока

Электромагнитная индукция

Буквально на днях я был в магазине, покупая продукты.Я попытался заплатить своей кредитной картой, но когда я провел картой через платежный терминал, появилось сообщение о том, что карта не может прочитать мою карту. Попробовав еще пару раз, кассир наконец предложил мне помочь. Она взяла мою карточку и очень быстро пропустила ее через кардридер и… вуаля! Это сработало! Может показаться, что ей просто повезло, но оказалось, что это сработало по очень научной причине. Однако нам нужно узнать об электромагнитной индукции, прежде чем все это обретет смысл.

В начале 19 века ученый по имени Майкл Фарадей опубликовал несколько работ по электромагнитной индукции , которая представляет собой способность изменяющегося магнитного поля индуцировать напряжение в проводнике. Чтобы лучше понять это явление, Фарадей провел ряд экспериментов. В одном из этих экспериментов использовались катушка с проволокой, постоянный магнит и устройство для определения напряжения в проводе. Когда магнит пропускали через катушку с проволокой, в проволоке индуцировалось напряжение, но оно исчезало, когда магнит переставал двигаться.Фарадей обнаружил, что на величину индуцированного напряжения в катушке влияют два фактора.

Фарадей провел множество экспериментов с магнитными полями и проводниками.

Первым фактором было количество витков провода в катушке, которое увеличивало количество провода, подвергающегося воздействию магнитного поля. Результаты экспериментов Фарадея показали, что индуцированное напряжение увеличивается прямо пропорционально количеству витков в электрической катушке.Другими словами, удвоение количества витков привело к удвоению индуцированного напряжения.

Вторым фактором была скорость изменения магнитного поля. Есть несколько способов изменить магнитное поле. Один из способов – изменить силу поля, создаваемого магнитом. Если мы используем электромагнит для создания магнитного поля, мы можем включать и выключать магнит или просто изменять ток, чтобы изменить силу поля. Второй способ – переместить поле относительно проводника.Мы могли бы сделать это, перемещая катушку в поле или перемещая магнит вокруг катушки – неважно, что, пока существует относительное движение.

Закон Фарадея появился в результате его экспериментов. Он просто утверждает, что величина индуцированного напряжения пропорциональна как количеству витков провода, так и скорости, с которой изменяется магнитное поле. Один из наиболее важных моментов, который следует вынести из этого утверждения, заключается в том, что индуцированное напряжение является результатом изменения магнитного поля.Другими словами, простое удерживание магнита рядом с проводом не приведет к возникновению напряжения. Поле должно как-то меняться.

(PDF) Об электромагнитной индукции в электрических проводниках

Когда ток индуцируется в переменном магнитном поле, общее напряжение индукции

уменьшается из-за эффекта самоиндукции. Следует также отметить, что наведенная ЭДС является демонстрацией явления ЭМП или неоднородностей в структуре проводника

или неравномерности влияния магнитных сил вдоль исследуемой цепи.Если вся цепь

находится в зоне переменного магнитного поля и падение потенциала измеряется в ее точках

, последнее зависит от степени однородности поля и распределения удельного сопротивления

вдоль цепи. В случае полной однородности (например, замкнутый контур с полной симметрией близкого к нему магнитного поля

) падение потенциала отсутствует. Магнитные силы в свою очередь будут генерировать только

индукционных токов.В этом случае характеристикой EMI-эффекта является величина

индуктивного тока, умноженная на электрическое сопротивление.

Оценим величину индуктивного тока в цепи с низкими напряжениями.

Воспользуемся положением модели Друде, описывающей движение электронного газа в проводнике

[15]. При движении свободные электроны испытывают вязкое трение от атомов проводника

. К носителям тока можно применить второй закон Ньютона, как метод Максвелла

(1), но с учетом вязкого трения и выражения, полученного для суммарной магнитной силы

переменного магнитного поля.Итак, выражение движения носителя тока

в проводнике:









(9 )

Здесь m – масса носителя тока, v (t) – его скорость в момент времени t, α – коэффициент трения

(который пропорционален проводимости проводника). Решая дифференциальное уравнение

(9) в проекции на касательную к проводнику для некоторой функции неоднородности (магнитная сила

), получаем выражение для v (t).Подставим его в известное выражение для плотности тока в проводнике

и получим оценку индуктивного тока:



В проводнике n концентрация носителей тока.

Вторая причина явления EMI – это силы Лоренца, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле

. В отличие от магнитных сил, описанных выше, силы Лоренца не перемещают заряды

, а искривляют их траекторию.В этом случае явление EMI ​​наблюдается в так называемых «униполярных» генераторах

. Первым генератором униполярной индукции был диск Фарадея-Араго

[1], производящий напряжение в несколько мВ при больших размерах. Однако основным механизмом

генерации наведенной ЭДС в диске является описанный выше механизм. Это потому, что

, когда диск вращается, электроны испытывают влияние переменного магнитного поля (магнит

находится рядом с краем диска).Одним из первых униполярных генераторов ЭМИ только за счет сил Лоренца

является вторая экспериментальная установка Даса Гупта [16]. ЭДС генерируется в проводящем диске

, расположенном коаксиально с дисковым магнитом, когда диск вращается отдельно или вместе с магнитом. ЭДС, индуцированная

в униполярных генераторах, значительно меньше, чем ЭДС, генерируемая под действием магнитных сил

(6) в катушках. Однако униполярные генераторы производят большой ток, который ограничивает

их использования в технике [16].Таким образом, наведенная ЭДС с механизмом сил Лоренца составляет

Электромагнитная индукция и переменный ток -AC

.

Электромагнитная индукция и переменный ток

Когда есть изменяющееся магнитное поле вокруг замкнутой цепи, как показано на анимации, в цепи индуцируется электрический ток.

Это явление известно как Электромагнитная индукция.

Чем больше скорость изменения магнитного поля, тем больше электрический ток / напряжение.

Итак, чтобы увеличить величину тока или напряжения, можно сделать следующее:

  1. Можно использовать сильные магниты
  2. Можно использовать больше магнитов
  3. Количество оборотов соленоида можно увеличить
  4. Либо магнит, либо катушка, либо и то, и другое могут перемещаться быстрее
  5. В соленоид можно вставить сердечник из мягкого железа.

И величина, и направление генерируемого таким образом тока / напряжения меняются со временем.

Поэтому он называется Переменный ток – AC. С другой стороны, ток, генерируемый батареей, называется Постоянным током – dc ; ни направление, ни величина не меняются со временем.

Число циклов переменного тока называется частотой (f) . Измеряется в Гц – Гц. В Великобритании частота переменного тока составляет 50 Гц.

Период (T) определяется как , обратная величине частоты – 1 / f .
Т = 1 / ф.

Например,

Рассчитайте период переменного тока в Великобритании.
T = 1 / f = 1/50 = 0,02 секунды.

Пиковый ток и среднеквадратичное значение переменного тока

Поскольку величина переменного тока изменяется со временем, мощность, рассеиваемая устройством, также колеблется пропорционально току.
Следовательно, необходимо учитывать среднее значение мощности.
Мощность при нулевом токе = 0
Мощность при максимальном токе = VI max = I 2 max R
Итак, средняя мощность = (0 + I 2 max R) / 2 = (I 2 max R) / 2
Значение переменного тока, которое соответствует средней мощности, называется среднеквадратичным значением – среднеквадратичным значением – тока, I среднеквадратичным значением .
I 2 rms R = (I 2 max R) / 2
I 2 rms = I 2 max
I rms = I max / √2
Это эффективное значение переменного тока.

Например,

Пиковое значение переменного тока составляет 6 А. Найдите среднеквадратичное значение переменного тока, пикового напряжения и среднеквадратичное значение напряжения, если оно проходит через сопротивление 5 Ом.
I rms = I max / √2 = 6 / √2 = 4.24А
V макс. = I макс. x R = 6×5 = 30 В.
V rms = I rms x R = 4,24 X 5 = 21,2 В.

Роль диода в цепи

Диод пропускает ток через цепь только в одном направлении – с прямым смещением. При обратном подключении тока в цепи не будет – обратное смещение. Вышеуказанное На анимации показано, как на ток влияет полярность диода.

Важно подключить резистор с очень высоким сопротивлением последовательно с диодом, чтобы защитить его от сильного тока.

Когда диод присутствует в цепи, он отсекает отрицательные части цикл переменного тока. Итак, мы получаем только положительные половины циклов. Это называется полуволновым выпрямлением .

Полноволновое выпрямление

Когда в цепи присутствует набор из четырех диодов, как показано выше, он отключается. отрицательные части цикла переменного тока, не оставляя пробелов в Напряжение.текущие циклы. Итак, мы получаем только положительные половины циклов без зазоров. Это называется полноволновым выпрямлением .
Например,
Зарядное устройство для мобильного телефона имеет схему для полуволновое выпрямление в нем. Аккумулятор мобильного телефона является источником постоянного тока, заряжается от источника переменного тока. Таким образом, набор диодов обеспечивает правильную полярность. поддерживается в процессе зарядки.

Сверхпроводимость

Когда температура некоторых металлов понижается до очень низкого уровня, они теряют их удельное сопротивление резко.Это явление называется сверхпроводимостью . Температура, при которой это происходит, называется критической температурой из особого металла. Критическая температура зависит от вещество. Потеря сопротивления означает отсутствие потерь энергии через вещество, которое нам очень полезно. Однако стоимость снижения температура по-прежнему сильно перевешивает любые потенциальные выгоды. Самая высокая температура при которой это происходит в настоящее время, составляет -180 0 C, что все еще слишком низко в практические термины для достижения какой-либо значимой выгоды.

В настоящее время жидкий азот можно использовать для получения низкой температуры, необходимой для сверхпроводимость. Однако мы все еще далеки от использования этой технологии на массовый масштаб.

Следующий Предыдущий

Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на циркадную систему: текущий уровень знаний

Одним из побочных эффектов работы каждого электрического устройства является электромагнитное поле, генерируемое рядом с его рабочим местом.Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами. Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на физиологические и патологические процессы, происходящие в клетках, тканях и органах. Многочисленные эпидемиологические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое линиями электропередачи и устройствами с электрическим приводом, а также высокочастотное электромагнитное излучение, излучаемое электронными устройствами, потенциально отрицательно влияет на циркадную систему.С другой стороны, несколько исследований не обнаружили влияния этих полей на хронобиологические параметры. В соответствии с текущим уровнем знаний, некоторые ранее предложенные гипотезы, в том числе гипотеза о ключевой роли нарушения секреции мелатонина в патогенезе заболеваний, вызванных электромагнитным полем, нуждаются в пересмотре. В этой статье рассматриваются данные о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола – двух основных маркеров циркадной системы, а также сна.Он также предоставляет основную информацию о характере, классификации, параметрах и источниках этих полей.

1. Введение

Одним из побочных эффектов работы любого электрического устройства является электромагнитное поле, возникающее рядом с его рабочим местом. Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами. Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на организмы.Все устройства с электропитанием и линии передачи генерируют низкочастотное (обычно 50 или 60 Гц) поле, которое имеет квазистационарный характер, и две его составляющие – электрическое и магнитное поле – можно анализировать отдельно. Считается, что это поле оказывает потенциально негативное воздействие на организмы, хотя механизм его биологического действия остается неизвестным. С другой стороны, электронные устройства, такие как мобильные телефоны, телевизоры или радиопередатчики, излучают электромагнитное излучение с высокими частотами (от 300 МГц до 300 ГГц).Излучение высокой энергии этого типа вызывает тепловой эффект, который может повышать температуру тканей и органов, а также вызывать серьезные повреждения клеток. Международное агентство по исследованию рака (IARC) в 2002 году классифицировало чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое электрическими устройствами, как возможное канцерогенное для человека [1]. В 2011 году радиочастоты электромагнитных полей были квалифицированы МАИР и ВОЗ как потенциально повышающие риск развития злокачественной опухоли головного мозга [2].

Видимая часть электромагнитного излучения с относительно узкой полосой частот от 389 до 789 ТГц играет ключевую роль в регуляции суточных ритмов, влияя на активность супрахиазматического ядра через меланопсин-положительные ганглиозные клетки сетчатка [3]. Тем не менее, несколько отчетов предоставили доказательства того, что электрические и магнитные поля также влияют на циркадную систему. Было высказано предположение, что дефицит секреции мелатонина может быть ответственным за онкогенное действие электромагнитного поля [4].

Целью статьи был обзор данных о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола, двух основных маркеров циркадной системы, а также на сон. Мы также включили информацию о природе, физических параметрах, классификации и источниках полей, которая может быть полезна биологам и врачам.

2. Природа электрических, магнитных и электромагнитных сил

В физических науках электромагнитное поле – это состояние пространства, характеризующееся электродинамической природой сил, действующих на электрически заряженные объекты.В этом контексте электромагнитное поле можно представить как состоящее из двух независимых компонентов [5]: (i) электрическое – представленное состоянием пространства, известным как электрическое поле, в котором кулоновские силы действуют на неподвижные электрически заряженные объекты, (ii) магнитное – представленное состоянием пространства, известным как магнитное поле, в котором силы Лоренца действуют на нестационарные (движущиеся) электрически заряженные объекты (представляющие электрические токи). Может быть интересно отметить, что согласно специальной теории относительность, электрическое и магнитное поля – это два аспекта одного и того же явления в зависимости от выбранной системы отсчета наблюдения – электрическое поле в одной системе отсчета может восприниматься как магнитное поле в другой системе отсчета.

В пределах своего воздействия электромагнитные поля могут воздействовать на физические объекты, включая живые организмы. Эффекты этого влияния зависят от многих факторов. Среди них наиболее важными являются [5] (i) напряженность поля – в случае электрического поля его напряженность выражается в вольтах на метр (В / м), а в случае магнитного поля (МП) – в интенсивность выражается в амперах на метр (А / м), (ii) расстояние до объекта выражается в метрах (м), (iii) частота излучаемой энергии – в случае полей, зависящих от времени, она выражается в герцах (Гц) , в то время как для полей, не зависящих от времени, их частота равна 0, (iv) поверхностная плотность мощности (удельная мощность), представляющая интенсивность излучаемой энергии (мощности) с площадью по всей этой излучаемой энергии, выраженная в ваттах на квадратный метр (Вт / м 2 ).

Здесь стоит упомянуть, что напряженность магнитного поля выражается в амперах на метр (А / м) в соответствии со стандартами SI. Однако в литературе и научной практике очень часто вместо этого используется индукция магнитного поля, которая выражается в теслах (Тл). Эти величины – и – взаимосвязаны через магнитную проницаемость среды.

3. Электромагнитные поля в среде обитания живых организмов

Электромагнитное излучение и поля сопровождают живые организмы с самого начала жизни на Земле.Однако их нынешнюю интенсивность и повсеместность следует отнести, прежде всего, к человеческой деятельности – технологическим достижениям в современном машиностроении, связанным с разработкой и практическим использованием систем передачи электроэнергии, электрического оборудования и телекоммуникаций.

Источники электромагнитного излучения и полей можно разделить на естественные и неестественные. К естественным источникам относятся небесные тела, такие как звезды и магнитары, Земля и биологические процессы, связанные с потоком электрических импульсов в живых организмах (рис. 1).Электромагнитное излучение, которое достигает поверхности Земли из космоса в виде микроволнового фонового излучения, является следствием Большого взрыва и эволюции Вселенной в самые первые секунды ее существования. Этот тип излучения характеризуется распределением тепловой энергии как наиболее совершенное черное тело в природе и имеет почти идеальный планковский спектр при температуре около 2,7 К, в то время как максимум его поверхностной плотности мощности соответствует длине волны 272 ГГц [6 ]. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, имеет относительно небольшую поверхностную плотность мощности около 3 мкм Вт / м 2 [6] и состоит из отличительных полос частот, так называемых атмосферных окон, представляющих те полосы частот, которые не поглощаются атмосфера Земли.Их можно перечислить как (i) радиоокно – представленное длинами электромагнитных волн от 15 МГц до 300 ГГц, (ii) оптическое окно – представленное длинами электромагнитных волн от 150 ТГц до 1000 ТГц, (iii) микроволновое окно – представленное электромагнитными длинами волн от 23,1 ТГц до 37,5 ТГц. Магнитное поле Земли – это еще одно естественное поле, исходящее из ядра планеты, которое простирается до обширного пространства, окружающего Землю, известного как магнитосфера. Важным источником сильных электромагнитных полей являются атмосферные разряды, известные как молния.Быстрые выбросы радиации, которые сопровождают эти природные явления, характеризуются высокой плотностью мощности и высокими частотами. В живых организмах электромагнитные поля возникают из-за передачи сигналов в нервной системе и из структур, автономно генерирующих электрические импульсы (например, сердца).


История неестественных источников электромагнитного излучения и полей относительно коротка и охватывает только последние сто лет. Неестественные источники электромагнитного излучения или полей относятся к двум группам.Первая группа включает ионизирующее излучение, характеризующееся относительно высокой энергией, которое может приводить к ионизации частиц вещества. Присутствие этого вида излучения имеет в первую очередь естественные причины (статистическая годовая доза облучения составляет около 2,4 мЗв). Однако неприродные источники ионизирующего излучения, такие как технические устройства, в которых используются различные радиоактивные изотопы, в настоящее время считаются наиболее важными проблемами в охране здоровья населения. Вторая группа – это неионизирующее излучение с энергией, которая слишком мала для ионизации частиц вещества.Обычными источниками этого вида излучения являются все средства, используемые для производства, передачи и использования электроэнергии (высоковольтные линии электропередач, подстанции, двигатели, генераторы, промышленные и бытовые приборы, домашняя электропроводка и т. Д.). Очень важные источники электромагнитного излучения включают телекоммуникационные системы (радио, телевидение, Интернет и Wi-Fi), а также медицинские устройства, используемые для диагностики или терапии.

Согласно Европейской комиссии, неионизирующее излучение можно разделить на несколько уровней [7]: (i) статические поля, (ii) поля крайне низкой частоты (поля СНЧ), (iii) поля промежуточной частоты (поля ПЧ), ( iv) радиочастотные поля (радиочастотные поля).Чтобы проиллюстрировать соображения авторов, типичные источники электромагнитных полей / излучения, влияющих на живые организмы и упомянутые выше, перечислены и описаны в таблице 1.


Уровень Диапазон частот Излучение источник

Статический 0 Гц Земля, видеоэкраны, магнитно-резонансная томография и другое диагностическое / научное оборудование, электролиз, сварка

Поля крайне низкой частоты 0–300 Гц Линии электропередачи, домашняя проводка, автомобильные электродвигатели , электропоезда и трамваи, сварочные аппараты

Промежуточная частота 300 Гц – 100 кГц Видеоэкраны, противоугонные устройства, используемые в автомобилях, домах, магазинах, кардридеры, металлодетекторы, магнитно-резонансная томография , сварочные устройства

Радиочастота 100 кГц – 300 ГГц Радио, телевидение, мобильные телефоны, микроволновые печи, радары и радиопередатчики, магнитно-резонансная томография

4.Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции мелатонина

Мелатонин является основным гормоном системы циркадного ритма у всех позвоночных, включая человека [8]. Суточный ритм его секреции в шишковидной железе млекопитающих управляется супрахиазматическим ядром – центральным эндогенным осциллятором, непосредственно связанным с сетчаткой [8–10]. В физиологических условиях регуляторные механизмы обеспечивают правильное включение этого ритма в цикл свет-темнота, и, следовательно, повышенная секреция мелатонина в ночное время может служить для всех клеток организма часами и календарем [8, 11, 12].Мелатонин играет ключевую роль в контроле многих физиологических процессов, происходящих в суточных или сезонных ритмах, таких как сон, обмен веществ и размножение [13]. Более того, мелатонин также участвует в регуляции иммунной системы [14], сердечно-сосудистой системы [15] и развития рака [13, 16, 17]. Это также очень мощный поглотитель свободных радикалов [18].

Следует отметить, что уровень секреции мелатонина заметно различается у разных людей, как у людей [19, 20], так и у животных [21, 22].Основываясь на измерениях мелатонина в моче, человеческая популяция может быть разделена на выделителей мелатонина с низким и высоким содержанием мелатонина [19, 20]. Исследование на овцах продемонстрировало, что индивидуальная изменчивость уровня мелатонина в плазме находится под строгим генетическим контролем и связана с массой шишковидной железы и секрецией мелатонина, но не с катаболизмом гормонов [21]. Индивидуальные суточные профили мелатонина плазмы хорошо воспроизводятся в последовательные дни, недели и месяцы как у людей, так и у животных [20, 22].Уровень ночной секреции мелатонина снижается с возрастом [23].

Несколько факторов, например световое загрязнение в ночное время или перемещение по часовым поясам, могут привести к нарушению ритма секреции мелатонина и циркадной дезорганизации, что, несомненно, оказывает негативное влияние на различные аспекты здоровья [13, 14, 16, 24, 25].

Секреция мелатонина шишковидной железой обычно считается особенно чувствительной к воздействиям электрического, магнитного и электромагнитного поля.Влияние этих полей на активность пинеальной железы было проанализировано в эпидемиологических исследованиях [26–41] и экспериментальных исследованиях, проведенных с использованием различных моделей in vivo, [42–94] и in vitro, [95–100].

4.1. Эпидемиологические исследования

Эпидемиологические исследования предоставили интересные и очень важные данные о влиянии электромагнитных полей на мелатонин и его метаболит – 6-сульфатоксимелатонин – у людей. Многие из этих исследований касались эффектов чрезвычайно низкочастотного магнитного поля (ELF-MF), которое генерируется внешними линиями электропередачи высокого и среднего напряжения, внутренним источником электропитания и электрическими приборами [25].

Связь между воздействием магнитных полей с частотой 16,7 Гц и здоровьем человека интенсивно изучалась у железнодорожников [26, 101, 102]. Pfluger и Minder [26] сравнили, используя план повторных измерений, выделение 6-сульфатоксимелатонина с мочой у 108 швейцарских железнодорожников мужского пола между периодами отдыха и днями после начала работы на двигателях с электрическим приводом или выполнения других задач. Исследование показало, что экскреция 6-сульфатоксимелатонина с мочой была ниже в рабочие дни, чем в дни отдыха, у водителей двигателей, подвергавшихся воздействию 16.Магнитное поле 7 Гц со средней напряженностью 20 мк Тл, но не среди других рабочих. Следует отметить, что эпидемиологические исследования швейцарских железнодорожников продемонстрировали значительно повышенную (на 0,9% на мк Т-год кумулятивного воздействия) смертность от лейкемии [101]. Статистические данные также предполагают связь между профессиональным воздействием магнитного поля с частотой 16,7 Гц и риском болезни Альцгеймера [102].

Люди широко подвергаются воздействию магнитных полей с частотой 50 Гц (в Европе) или 60 Гц (в Северной Америке), создаваемых источниками электропитания и электрическими устройствами, обычно используемыми в домах и на рабочих местах.Уменьшение экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой наблюдалось у электриков, подвергавшихся воздействию магнитных полей с частотой 60 Гц [27–29]. Значительные изменения были отмечены после второго дня рабочей недели, и эффект воздействия магнитного поля был наиболее заметным у субъектов с низким уровнем освещенности на рабочем месте [28]. Кроме того, было продемонстрировано, что снижение экскреции 6-сульфатоксимелатонина происходило у рабочих, подвергавшихся воздействию более двух часов и в трехфазной среде [29].У людей, работающих в однофазной среде, изменений не обнаружено. Слабое влияние профессионального воздействия низкоинтенсивного магнитного поля на экскрецию 6-сульфатоксимелатонина также наблюдалось у работающих женщин [30].

Davis et al. [31] предположили, что домашнее воздействие магнитного поля 60 Гц снижает активность пинеальной железы у женщин, в первую очередь у женщин, принимающих лекарства. Уровень экскреции 6-сульфатоксимелатонина был ниже у младенцев, содержащихся в инкубаторах, и повышался, когда их переводили в место, свободное от электрических устройств [103].Анализ, проведенный Юутилайненом и Кумлином [32], предполагает, что воздействие магнитного поля с частотой 50 Гц может усиливать эффекты воздействия ночного света на выработку мелатонина; однако исследование проводилось на относительно небольшой группе субъектов.

Следует подчеркнуть, что небольшое количество эпидемиологических исследований не выявило влияния воздействия КНЧ-МФ на секрецию мелатонина [33–37]. Gobba et al. [33] отметили схожие уровни экскреции 6-сульфатоксимелатонина в двух группах рабочих, подвергавшихся воздействию полей ≤0.2 μ T и> 0,2 μ T. Никакой связи между воздействием магнитного поля 60 Гц в жилых помещениях и экскрецией 6-сульфатоксимелатонина не наблюдалось у взрослых в возрасте 50–81 лет [34]. Touitou et al. [35] показали, что длительное воздействие КНЧ-МФ не изменяет уровень и суточную секрецию мелатонина. Эти данные предполагают, что магнитные поля не обладают кумулятивным действием на секрецию мелатонина у людей.

В отличие от ELF-MF, в эпидемиологических исследованиях гораздо меньше внимания уделялось влиянию электромагнитных полей промежуточного диапазона частот (от 300 Гц до <10 МГц) и радиочастотного диапазона (от 10 МГц до 300 ГГц).Не было обнаружено изменений в экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой у женщин, проживающих рядом с передатчиками радио- и телевещания [38]. Использование мобильного телефона более 25 минут в день снижает уровень секреции мелатонина [39]. Радиовещательные передатчики с коротковолновыми электромагнитными полями (6–22 МГц) снижали секрецию мелатонина на 10% [40]. Исследование, проведенное с участием 50 техников по обслуживанию электронного оборудования, подвергшихся воздействию различных видов полей, выявило значительно более низкие уровни мелатонина в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [41].

4.2. Экспериментальные исследования на добровольцах

В отличие от эпидемиологических исследований, большинство исследований, проведенных на добровольцах, не выявили влияния КНЧ-МФ на уровни мелатонина и / или 6-сульфатоксимелатонина [42–51]. В исследовании Warman et al. [42], 2-часовое воздействие поля 50 Гц с интенсивностью 200–300 мк Тл не вызывало значительных изменений в повышении уровня мелатонина в ночное время. Точно так же воздействие на добровольцев в течение одной ночи полем 50 Гц с интенсивностью 20 мк Тл не влияло на уровень мелатонина в плазме [43].Selmaoui et al. [44] продемонстрировали, что острое ночное воздействие непрерывного или прерывистого 50 Гц линейно поляризованного магнитного поля силой 10 мк Тл не влияет на секрецию мелатонина у человека. В серии экспериментов, проведенных Graham et al. [45–49], ночная секреция и метаболизм мелатонина не изменились у людей при воздействии КНЧ-МП с интенсивностью в пределах профессионального диапазона воздействия в течение одной или нескольких ночей. Не было обнаружено изменений мелатонина в слюне после воздействия на добровольцев 16.Электромагнитное поле 7 Гц [50, 51]. В отличие от данных, представленных выше, Davis et al. [52] продемонстрировали, что воздействие магнитного поля от 0,5 до 1 мк Тл, превышающего уровни окружающей среды в течение 5 ночей подряд, снижает выведение 6-сульфатоксимелатонина у женщин.

4.3. Экспериментальные исследования на животных

Большинство из экспериментов in vivo , посвященных влиянию воздействия магнитного поля на активность пинеальной железы, было проведено на лабораторных грызунах [53–85].

В исследованиях воздействия СНЧ-МФ были получены весьма изменчивые результаты. Непрерывное воздействие магнитного поля 10 мкм Тл 50 Гц на крыс Sprague-Dawley в течение 91 дня снижало уровень мелатонина в крови [53]. Однако в другом исследовании той же группы не удалось продемонстрировать стойкий эффект воздействия магнитного поля 100 мк Т 50 Гц на уровень мелатонина у крыс, поскольку не наблюдалось его снижения или отсутствия изменений [54]. Снижение активности пинеальной железы в ответ на КНЧ-МФ было отмечено также в ряде других экспериментов, проведенных на лабораторных крысах [55–63] и джунгарских хомяках [64, 65].С другой стороны, повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина наблюдалась у крыс Sprague-Dawley, подвергшихся воздействию магнитного поля с частотой 50 Гц и интенсивностью 100 мк Тл в течение 24 часов [66]. Аналогичным образом Dyche et al. [67] продемонстрировали, что у крыс-самцов, подвергшихся воздействию магнитного поля 100 мкм Тл в течение 1 месяца, наблюдается несколько повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина. Повышенная секреция мелатонина после воздействия слабого магнитного поля также была обнаружена у джунгарского хомяка Niehaus et al.[68]. В других исследованиях, проведенных на крысах и хомяках, изменений секреции мелатонина в ответ на магнитное поле с частотой 50/60 Гц не наблюдалось [69–77]. Об отсутствии влияния ELF-MF на активность пинеальной железы также сообщалось у мышей [78].

Исследования на грызунах предоставили интересные данные о влиянии радиочастотного диапазона электромагнитного поля на активность пинеальной железы. Воздействие на крыс электромагнитного поля частотой 900 МГц и удельной адсорбцией 0.9 Вт · кг −1 (мобильный телефон) в течение 2 часов в день и повторения в течение 45 дней приводили к статистически значимому снижению содержания мелатонина в пинеальной железе [81]. Кроме того, поле с частотой 1800 МГц и мощностью 200 Вт · см −2 (2 часа в сутки в течение 32 дней; 0,5762 Вт · кг −1 ) нарушало ритм секреции мелатонина у крыс [82]. Однако в другом эксперименте животных подвергали аналогичному воздействию в течение 30 минут в день, 5 дней в неделю в течение 4 недель, и никаких изменений уровня мелатонина в сыворотке крови крыс не было отмечено [83].Точно так же воздействие на джунгарских хомяков электромагнитным полем с частотами 383, 900 и 1800 МГц (80 мВт · кг -1 ) в течение 60 дней (24 часа в сутки) не приводило к изменениям секреции мелатонина. [84].

Исследования воздействия электрических и магнитных полей на негрызуны проводились лишь от случая к случаю [86–94]. Воздействие на молочный скот вертикального электрического поля 10 кВ / м и однородного горизонтального магнитного поля 30 мкм Тл в течение 28 дней не изменяло ночной уровень мелатонина в крови [86].Аналогичным образом никаких изменений секреции мелатонина не наблюдалось в других экспериментах, проведенных на дойных коровах [87, 88] и ягнятах [89, 90]. Исследования американских пустельг показали, что длительное воздействие электромагнитных полей (60 Гц, 30 мк Тл, 10 кВ · м -1 ) вызывает изменения секреции мелатонина [91]. Магнитное поле увеличивало уровень мелатонина в шишковидной железе и сыворотке крови форели в ночное время [92].

4.4.
In vitro Исследования

In vitro исследования влияния электромагнитных полей на секрецию мелатонина были проведены на шишковидной железе джунгарских хомяков [95, 100] и крыс [96–99].Результаты экспериментов с шишковидной железой хомяка в культуре суперфузионных органов показали, что КНЧ-МФ с интенсивностью 86 мк Т и частотой 16,67 или 50 Гц вызывают снижение секреции мелатонина, активируемое изопротеренолом [95]. Снижение стимулируемой изопротеренолом секреции мелатонина и активности арилалкиламино-N-ацетилтрансферазы также было обнаружено в исследованиях пинеалоцитов крыс после воздействия КНЧ-МФ [96, 97]. Напротив, Lewy et al. [98] отметили повышенную активность ферментов, синтезирующих мелатонин, в то время как Tripp et al.[99] не обнаружили изменений секреции мелатонина в пинеалоцитах крыс в ответ на КНЧ-МФ.

Влияние воздействия электромагнитного поля с частотой 1800 МГц на секрецию мелатонина шишковидной железой джунгарского хомячка было исследовано [100] на той же экспериментальной установке, которая использовалась в экспериментах с КНЧ-МФ [95]. Это исследование продемонстрировало, что как непрерывные, так и импульсные сигналы при определенном уровне адсорбции 800 мВт · кг -1 , продолжительностью семь часов, увеличивают уровень секреции мелатонина, стимулированной изопротеренолом [100].

5. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции кортизола

Кортизол является важным стероидным гормоном, вырабатываемым надпочечниками. Подобно мелатонину, он демонстрирует постоянный и воспроизводимый суточный ритм в физиологических условиях [104–107]. Debono et al. [105] в исследовании 33 здоровых людей с 20-минутным интервалом профилирования кортизола в течение 24 часов показали, что концентрация кортизола достигает самых низких уровней около полуночи.Затем он начал расти в 02: 00–03: 00, а пик пришелся примерно на 08:30. Затем уровень кортизола медленно снизился до надира. Максимальный уровень кортизола в крови человека составлял приблизительно 399 нмоль / л, в то время как надирный уровень кортизола был <50 нмоль / л. Как и многие другие физиологические процессы в организме, происходящие в суточных циклах, ритм секреции кортизола регулируется супрахиазматическим ядром, расположенным в гипоталамусе.

Кортизол управляет голодом и аппетитом, стрессом, воспалительной реакцией и многими другими функциями [108–110].Важность кортизола особенно очевидна, когда он становится недостаточным в состоянии, известном как надпочечниковая недостаточность [111]. Было высказано предположение, что кортизол действует как вторичный посредник между центральными и периферическими часами и может быть важным фактором синхронизации циркадных ритмов тела [111]. Изменения ритмической продукции и уровня кортизола приводят к значительным побочным эффектам [108, 112]. У детей с аутизмом часто наблюдаются большие различия в дневных моделях кортизола и значительное повышение уровня кортизола в слюне в ответ на несоциальный стрессор [113].

Люди и животные живут в среде с электромагнитными полями различного происхождения. Они подвергаются воздействию электромагнитного поля естественного происхождения, такого как магнитная сила Земли и искусственного происхождения, которое возникает в результате деятельности человека. Изменения магнитного поля Земли влияют на все живые существа на планете. Кроме того, электрические и магнитные поля, которые существуют везде, где генерируется или передается электричество, кажутся очень важными для подвергшихся воздействию организмов.

5.1. Экспериментальные исследования на животных

Результаты исследований влияния электромагнитного поля на секрецию кортизола у животных очень разнообразны. У морских свинок КНЧ-МП вызывало изменения уровня кортизола, которые зависели от частоты и интенсивности поля [114]. Воздействие на животных в течение 2 и 4 часов в день в течение 5 дней поля с частотой 50 Гц и 0,207 мк Т показало значительное снижение уровня кортизола [114]. Однако в группах, подвергнутых воздействию поля 5 Гц и 0.013 μ T, никаких значительных изменений кортизола через 2 или 4 часа воздействия не наблюдалось [114]. У швейцарских мышей, непрерывно подвергавшихся воздействию низкочастотного (50 Гц) поля в течение 350 дней, снижение уровня кортизола наблюдалось на 190 день эксперимента [115]. На 90-е и 350-е сутки воздействия значимых различий отмечено не было [115]. Повышение уровня кортизола наблюдалось у крыс, подвергавшихся воздействию однородных магнитных полей 10 −3 Тл и 10 −2 Тл по 1 часу каждый день в течение десяти дней [116].Воздействие на самок хомяков мобильных телефонов, работающих на частоте 950 МГц в течение короткого (10 дней, 3 часа ежедневно) и длительных (60 дней, 3 часа ежедневно) периодов, вызывало значительное повышение уровня кортизола по сравнению с контрольной группой [117].

Сообщалось также об отсутствии влияния электромагнитного поля на концентрацию кортизола. Burchard et al. [118] не показали изменений в концентрации кортизола, что могло быть связано с воздействием на дойных коров электрического и магнитного полей (вертикальное электрическое поле 10 кВ и горизонтальное магнитное поле 30 мТл).У овцематок также не сообщалось об эффекте воздействия магнитного поля 60 Гц в течение 43 недель на уровень кортизола в сыворотке [119]. Отсутствие влияния электромагнитного поля на концентрацию кортикостерона, независимо от характеристик и продолжительности воздействия, было обнаружено также в экспериментах на крысах [120, 121].

5.2. Исследования на людях

Исследования влияния магнитной силы Земли на человеческое тело показали, что уровни кортизола в сыворотке зависят от направления головы во время сна по отношению к Северному и Южному магнитным полюсам [122].Биологический эффект воздействия антропогенных электромагнитных полей на человека был предметом нескольких исследований [123–127]. Стоматология – одна из категорий профессий, в которых часто наблюдается повышенный уровень ELF-MF. Воздействие на стоматологов полей, излучаемых кавитронами, вызывало снижение уровня кортизола в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [123]. Низкочастотные магнитные поля применяются в физиотерапии (магнитотерапия и магнитостимуляция). Исследования длительного применения этих процедур предполагают регулирующее влияние магнитных полей на концентрацию кортизола [124].Однако следует подчеркнуть, что многочисленные исследования не обнаружили влияния магнитных полей 50/60 Гц (1–20 мк Тл) и радиочастотных электромагнитных полей на уровень кортизола, независимо от времени эксперимента, возраста или возраста. пол особей или время отбора проб [125–127].

6. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на сон

Суточные ритмы генерируются внутренней системой биологических часов, которые синхронизируются с 24-часовым днем ​​за счет факторов окружающей среды, в первую очередь цикла свет-темнота.Многие ритмы очевидны и легко распознаются, например, цикл сна и бодрствования, двигательная активность и пищевое поведение.

Цикл сна-бодрствования, вероятно, является основным выходным ритмом циркадных часов, потому что регуляция многих форм поведения и физиологической активности зависит от того, спит ли организм или бодрствует. Предполагается, что расстройства сна – часто встречающиеся клинические симптомы – частично связаны с воздействием электромагнитного поля. В последние годы появляется все больше экспериментальных и эпидемиологических данных о влиянии неионизирующих электромагнитных полей на физиологию мозга и сон [40, 128–144].

Сон – это эндогенный самостоятельный церебральный процесс. Можно измерить определенные и различимые фазы сна. Низкочастотная активность (<10 Гц) и частотная активность веретена сна (приблизительно 12-15 Гц) - это две тихие характеристики сна с небыстрым движением глаз (NREM), которые можно количественно измерить и использовать в качестве маркеров процессов регуляции сна [145]. Несколько экспериментов показали, что спектральная мощность электроэнцефалографии (ЭЭГ) в альфа (8–12 Гц) и веретено (12–14 Гц) частотах увеличивается как во время, так и после воздействия импульсно-модулированного радиочастотного поля [128–133].Недавно также наблюдалось увеличение дельта-мощности (<4,5 Гц) [129]. Mann и Röschke [134] сообщили о снижении скорости сна с быстрым движением глаз (REM) и изменениях спектральной мощности ЭЭГ во время REM-сна в ответ на высокочастотное электромагнитное поле, излучаемое цифровыми мобильными радиотелефонами. Regel et al. [130] провели исследование влияния воздействия радиочастотного электромагнитного поля путем изменения интенсивности сигнала в трех экспериментальных сессиях. Анализ ЭЭГ сна выявил дозозависимое увеличение мощности в частотном диапазоне веретена во время медленного сна.Это дало первые признаки дозозависимой связи между интенсивностью поля и его влиянием на физиологию мозга. Huber et al. [137] также продемонстрировали увеличение мощности в диапазоне частот быстрого шпинделя ЭЭГ во время воздействия импульсного радиочастотного поля, но не дозозависимым образом. Следует также подчеркнуть, что во многих исследованиях [135, 139–141] не удалось показать каких-либо эффектов воздействия радиочастотного поля на сон или ЭЭГ во сне.

Несмотря на несколько сообщений, показывающих влияние импульсно-модулированного радиочастотного электромагнитного поля на ЭЭГ во сне, механизм этих изменений, вызванных воздействием, все еще неясен.Кроме того, нет подтверждающих доказательств того, что этот эффект связан с такими последствиями для здоровья, как изменение качества сна [128–130, 136].

На сегодняшний день проведено несколько контролируемых лабораторных исследований ЭЭГ сна в низкочастотных электрических и магнитных полях. Åkerstedt et al. [143] провели двойное слепое плацебо-контролируемое исследование с участием 18 здоровых людей, чтобы изучить влияние магнитного поля частотой 50 Гц на сон. Результаты показали, что эффективность сна, медленный сон и медленная активность, а также субъективная глубина сна были значительно снижены под воздействием СНЧ-МФ.Хотя эти результаты предполагают интерференцию низкочастотного поля, авторы подчеркивают, что эти изменения все еще находятся в пределах нормы. В двойном слепом лабораторном исследовании Graham et al. [144] исследовали влияние магнитного поля 60 Гц на сон во время непрерывного, прерывистого или фиктивного воздействия. Они продемонстрировали, что периодическое воздействие приводит к явному искажению сна и изменению архитектуры сна по сравнению с фиктивными условиями и непрерывным воздействием. Следует подчеркнуть, что напряженность поля в обоих цитируемых исследованиях [143, 144] была ниже той, которая используется для медицинских диагностических целей, таких как магнитно-резонансная томография.

Анализ эпидемиологических данных, касающихся качества сна и цикла мелатонина, собранных в течение десяти лет в районе коротковолновой (6–22 МГц) радиовещательной станции, предоставил доказательства того, что воздействие электромагнитного поля влияет только на тех, кто плохо спит, и это может быть группой людей, чувствительных к такому воздействию [40]. Это явление было описано как гиперчувствительность к электромагнитным полям, EHS. Это также наблюдалось в нескольких других сообщениях [146, 147].

Хотя биологическое объяснение связи между воздействием радиочастотного электромагнитного поля и ухудшением качества сна не было идентифицировано, предполагается, что в этом процессе может быть задействовано подавление ночной секреции мелатонина [148].Два относительно недавних исследования предполагают связь между снижением секреции мелатонина в ночное время и увеличением использования мобильных телефонов, излучающих радиочастотное поле [39, 149]. Однако четыре перекрестных испытания [127, 141, 150, 151] не обнаружили корреляции между воздействием мобильного телефона и секрецией мелатонина. Гипотеза о связи между циклом мелатонина и воздействием электромагнитного поля требует дальнейшего изучения [152].

7. Выводы

Результаты исследований влияния электрических, магнитных и электромагнитных полей на секрецию мелатонина и кортизола, а также на сон во многом противоречивы.Неблагоприятные данные, связанные с влиянием этих физических факторов на секрецию обоих «циркадных» гормонов, были получены во всех группах исследований, включая эпидемиологические исследования, исследования на добровольцах и исследования на животных. Более того, исследования in vitro на шишковидной железе грызунов также дали противоречивые результаты. Источники расхождений остаются неизвестными; однако такие факторы, как неправильная оценка уровня воздействия, влияние других факторов, таких как свет и лекарства, различия в фазах циркадного ритма во время воздействия и индивидуальная изменчивость чувствительности к электромагнитным полям, по-видимому, заслуживают особого внимания.Идея о том, что некоторые люди более чувствительны к электромагнитному полю, чем другие, из-за генетического фона и / или текущего состояния здоровья, кажется очень привлекательной и должна стать предметом дальнейших исследований. Следует отметить, что противоречивые результаты были также получены в исследованиях, посвященных другим воздействиям электрических, магнитных и электромагнитных полей на организм, включая их опухолево-промотирующее действие [153–157].

Несмотря на расхождения в представленных результатах, КНЧ-СЧ и радиочастотное электромагнитное поле следует рассматривать как факторы, возможно влияющие на функцию циркадной системы, поскольку значительное количество исследований продемонстрировало изменения в секреции мелатонина и кортизола, а также во сне после экспозиция в этих областях.Из-за широко распространенного воздействия на людей и животных КНЧ-СЧ и радиочастотного электромагнитного поля исследования их биологических эффектов должны быть продолжены. Важным и до сих пор нерешенным вопросом является взаимосвязь между физическими характеристиками и биологическими эффектами полей, а также механизмами воздействия полей на циркадную систему.

В свете существующей литературы гипотеза, указывающая на нарушение секреции мелатонина, как одного из основных факторов, ответственных за канцерогенные эффекты электрических, магнитных или электромагнитных полей [158, 159], не подтверждается эпидемиологическими и экспериментальные данные.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *