Електромагнетизмът е основополагащ природен принцип и движеща сила в ключови аспекти от материята, която ни заобикаля. В ранните етапи от появата му като концепция се е считало, че няма отношение към електричеството, но в някъде около XIX век представите се променят вследствие на поредица от проучвания, които доказват способността му да повлиява на движението на положителните и отрицателните заряди.

Има ли разлика между електромагнит и обикновен магнит? Краткият отговор е да. Електромагнитите проявяват свойствата си да привличат метални предмети само ако през тях преминава електричество. В това се крие и тяхното основно преимущество, а именно възможността потокът да бъде контролиран като големина и сила. Затова и към днешна дата намират толкова широко и важно приложение в сферата на индустрията и електроинженерството. 

Какви са по-важните етапи в историята на електромагнетизма? 

Първият момент, в който се е открила някаква зависимост между електричеството и магнитните сили, се е случил някъде около 1820 година, когато датският учен Ханс Кристиан Йорстед установил, че стрелката на компаса му се отклонява от изначалното си състояние, сочещо на север, когато в близост има активна батерия. Това го навело на мисълта, че магнитните полета се излъчват от всички страни на металния проводник, също както топлинните и светлинните. Но така и не могъл да разбере причината за явлението.

Някъде около десетилетие след Йорстед Майкъл Фарадей открил чрез експеримент с хвърчило, че обратното също е валидно и магнитно поле може да генерира електрически ток (Закон на Фарадей). Процесът, благодарение на който се случва това, се нарича електромагнитна индукция и възниква когато проводник навлезе в обсега на магнит.

Небезизвестният Андре-Мари Ампер доразвива идеята на Йорстед със следната теория - според него ако ток в проводник може да упражни сила върху стрелката на компас, то и два проводника биха помежду си биха имали подобни способности. Сред поредица от експерименти той успява да открие зависимостта, че паралелните заряди се привличат и обратно. Силата между два дълги прави паралелни тока е обратнопропорционална на разстоянието между тях и правопропорционална на интензитета на всеки. Следователно, с електричеството можем да свържем както магнитни, така и чисто електрически свойства. 

Так стигаме до 1864 година, когато Максуел успява да демонстрира фината връзка между двете сили, която за негова изненада се базира на скоростта на светлината. Вследствие на доразвиването на тази логика в хода на времето се откриват радиовълните, теорията за относителността и въобще голяма част от фундаментите на съвременната физика. 

Какви са основните понятия в теорията на електромагнетизма?

Електромагнетизмът, както вече стана ясно, е делът от физиката, който изучава взаимодействието между електрическото и магнитното поле. В него има няколко основни понятия:

• Заряд (положителен или отрицателен) - получава се, когато атомите, от които са изградени съответните вещества, приемат или отдават електрони;
• Електрическо поле - поле, което обгражда заредена частица или товар, получаващо се, когато две заредени частици статично упражняват сила една върху друга и си взаимодействат;
• Магнитно поле - появява се тогава, когато има поток на заряди, които се движат около други заредени частици;
• Магнит - тяло със собствено магнитно поле, притежаващо ясно дефинирани северен и южен полюс;
• Електромагнит - състои се от стандартен магнит, около който е навит проводник, през който може да премине ток. Могат да привличат предмети само ако по тях протича електричество;
• Електромагнитна индукция - генерирането на електричество с помощта на подвижно магнитно поле, чрез електромагнит.

Електромагнитно взаимодействие възниква само между заредени частици или неутрални такива, които в състава си имат зареден елемент (например неутронът и кварките). Силата на взаимодействие отслабва пропорционално на разстоянието - колкото по-далечни са елементите, толкова по-слаба е тя. 

Установено е, че когато през електромагнит протича електрически ток, около него се създава елипсовидно (кръгло) електромагнитно поле по цялата дължина на проводника. Посоката на въртене на магнитното поле се управлява от посоката на тока, като то е по-силно в центъра и по-слабо в краищата поради увеличаващото се разстояние между магнита и проводника. 

Коя е най-популярната концепция за определяне на посоката на тока и магнитното поле?

Най-разпространеният метод за дефинирането на посоката е т.нар. “правило на лявата ръка”, дефинирано от Флеминг по повод двигателите. Вече установихме, че когато проводник с електрически ток попадне под въздействието на магнитно поле, то върху него се упражнява сила. Именно посоката на тази сила, плюс тази на магнитното поле и тока, могат да бъдат дефинирани благодарение на това просто практическо правило. 

Установено е, че посоката на силата е перпендикулярна и на тази на магнитното поле, и на тази на тока. Това може да се онагледи чрез изображението по-долу, където палецът указва посоката на силата, показалецът - на магнитното поле, а средният пръст - тази на тока. 

На следващата картинка пък е показана част от проводник с дължина L, който е разположен вертикално в хомогенно магнитно поле със сила H, която се генерира от двата полюса север (N) и юг (S). Ако през проводника се пусне ток, то ситуацията би изглеждала така:

Задръжте лявата си ръка с палеца, показалеца и средния пръст напред и ще получите практическо векторно онагледяване на горната схема. 

Кои съвременни устройства работят на принципа на електромагнетизма?

Входен звънец

Механизмът на устройството се базира на движението на електрически заряди около електромагнит, чиито магнитни свойства привличат малко метално чукче към звънеца. По този начин веригата се отваря и затваря непрекъснато, а чукчето кара звънеца да издава звука, с който всички ние сме така добре запознати. 

Електрически трансформатори

Трансформаторите са цилиндрични приспособления, които служат за контролиране равнището на напрежението на променливия ток. Функцията се постига, като намотка е позиционирана около желязно ядро, чието електромагнитно поле позволява понижаване или повишаване интензитета на тока на изхода. 

Електрически мотори

Двигателите, както всички знаем, превръщат енергията в движение, благодарение на синхронизираната работа на ротора и статора. Именно роторът е подвижен елемент, който съдържа серия от намотки, разположени между фиксираните полюси на магнита. Движението му се поддържа постоянно чрез електромагнитно поле, което позволява чрез превключване да се активира обръщане, който мърда основното устройство напред.

Телефон

Магията, криеща се зад функционирането на това добре познато ни приспособление, не е нищо друго освен способността му да превръща звукови вълни в модулации на електромагнитно поле, които могат да бъдат предавани. Процесът се осъществявал чрез кабел, свързан към приемник, който от другата страна на веригата е бил способен по обратния начин да възпроизведе електромагнитната информация, превръщайки я в звук. 

Микровълнова фурна

Устройствата оперират на принципа на генерирането и концентрацията на електромагнитни вълни в определена храна. За наш ужас, те са подобни на радиовълните, но са с по-висока честота, която върти магнитните частици на ястията с много висока скорост, защото стремежът е двете полета да се изравнят. Това движение генерира и топлина.

Микрофон

Микрофоните работят благодарение на диафрагма, привлечена от електромагнит, чиято чувствителност към звукови вълни позволява да се конвертират в електрически сигнал. По този начин впоследствие могат да се предават или дешифрират дистанционно, както и да се съхраняват и възпроизвеждат на по-късен етап.

Осцилоскоп

Осцилоскопите са инструменти, които представят графично променящите се във времето електрически сигнали от конкретен източник. За целта те използват координатна ос на екран, чиито линии са продукт на измерването на напреженията от зададения електрически сигнал. Използват се в сферата на медицината за измерване на функциите на сърцето, мозъка и други органи.