Открытие Эрстеда
Внешне электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Заслуга окончательного слияния двух этих понятий принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу, разрабатывавшему единую теорию электромагнитных волн с 1850-х годов и до самой его безвременной кончины в 1879 году. Однако появлению уравнений Максвелла предшествовала целая череда открытий первой половины XIX века, начало которой положил датский физик Ханс Кристиан Эрстед.
Эрстеду были свойственны два качества, которые принято считать помехой для успешной карьеры исследователя, а именно, страстное увлечение философией и сильное желание донести науку до понимания масс. В начале своей стажировки в Париже, например, он серьезно подмочил свою научную репутацию, яростно защищая взгляды немецких философов-обскурантистов. На этом фоне и его доводы в пользу наличия связи между электричеством и магнетизмом были восприняты, по крайней мере, современниками, как очередное мистическое пустозвонство. Эрстед утверждал, например, что магнетизм возникает в результате неизбежного конфликта между положительным и отрицательным аспектом электричества.
Чем бы ученый ни руководствовался, но в 1820 году в Копенгагенском университете состоялась его лекция с демонстрацией, на которой он использовал только что изобретенную электрическую батарею в качестве источника тока. На этой лекции Эрстед продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом. Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, прежде всего Ампера (см. Закон Ампера), а также Био и Савара (см. Закон Био—Савара), на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.
За преданность Эрстеда делу популяризации науки и публичную демонстрацию только что открытого явления Американская ассоциация учителей физики назвала премию, присуждаемую учителю года, «медалью Эрстеда».
Датский физик. Родился в Рудкебинге в семье аптекаря. Начальное образование состояло преимущественно в изучении немецкого в приемной семье, в которой он какое-то время воспитывался, после чего Эрстед с одиннадцатилетнего возраста стал помогать отцу в аптеке, где на практике освоил аптечное дело. После переезда семьи в Копенгаген поступил в местный университет, в 1797 году получил диплом фармацевта, а еще через два года защитил докторскую диссертацию. Продолжил свое образование, переезжая из города в город и стажируясь в ведущих европейских лабораториях, где и познакомился с последними исследованиями электрических и магнитных явлений. После нескольких лет чтения публичных научно-популярных лекций в 1806 году получил преподавательскую должность в родном университете. В 1820 году Эрстед сделал своё уникальное открытие, наглядно демонстрирующее связь между электричеством и магнетизмом. С 1829 года работал директором Копенгагенского политехнического института.
Электромагниты
В 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер Мари Кур написал труд под названием «Письмо о магните». Основной целью Пьера Мари Кура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки не известно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось её разогнать до скорости 4,5 км/ч.
Необходимо упомянуть ещё об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведёт себя подобно постоянному магниту, а это значит – можно сконструировать электромагнит – устройство, мощность которого можно регулировать.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.
1) 1 — S, 2 — N 2) 1 — А, 2 — N 3) 1 — S, 2 — S 4) 1 — N, 2 — S
2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?
1) 1 — северному полюсу; 2 — южному 2) 1 — южному; 2 — северному полюсу 3) и 1, и 2 — северному полюсу 4) и 1, и 2 — южному полюсу
3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка
1) повернётся на 90° 2) повернётся на 180° 3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока 4) не изменит свое положение
4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?
5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?
1) вправо 2) влево 3) на нас из-за плоскости чертежа 4) от нас за плоскость чертежа
6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки
1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный 2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный 3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный 4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный
7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.
Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке
8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная
9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена
10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле. 2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле. 3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный. 4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов. 5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.
12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится. 2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо. 3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А. 4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз. 5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.
Часть 2
13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Многие важные законы электродинамики установлены экспериментально. Рассмотрим некоторые из них.
Двигатель
После открытия действия магнитного поля на проводник с током, Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 2), созданный в 1834 г. русским электротехником Б. С. Якоби.
Рис. 2. Двигатель
Рассмотрим упрощённую модель двигателя, которая состоит из неподвижной части, с закреплёнными на ней магнитами – статор. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов. Если подключить двигатель к источнику постоянного тока в цепь с вольтметром, то при замыкании цепи, рамка с током придёт во вращение.
Способы обнаружения магнитного поля
Схема опыта для обнаружения магнитного поля:
- Закрепить параллельно и вертикально два гибких проводника. Для опыта можно взять проводники, состоящие из проволоки различной толщины и изготовленных из разных видов метала. Можно применить стальную, медную, алюминиевую, нихромовую проволоку.
- Присоединить полюса источников тока к их нижним концам. Проводники при этом не должны отталкиваться или приближаться друг к другу, поскольку кулоновские силы не проявляются при незначительной разности потенциалов зарядов проводников.
- Необходимо соединить проводники так, чтобы по ним пошел электрический ток.
- В первом варианте необходимо замкнуть концы проводников для возникновения в них токов противоположного направления. Проводники должны отталкиваться друг от друга.
- Во втором варианте необходимо замкнуть концы проводников для создания токов одного направления. Они должны притягиваться друг к другу.
Опыт позволяет обнаружить магнитное взаимодействие, то есть взаимодействие между электрическими зарядами, движущимися направленно.
Магнитное поле можно обнаружить по действию на электрический ток, то есть по действию на движущиеся заряды.
Опыт для определения характера действия магнитного поля на контур с током:
- Подвесить маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки, на сплетенные друг с другом тонкие гибкие проводники.
- Расположить вертикально провод на значительно большем расстоянии, чем размеры рамки.
- Рамку необходимо расположить так, чтобы при пропускании электрического тока через нее провод оказался в плоскости рамки.
- При изменении направления тока рамка должна поворачиваться на 180⁰.
Опыт показывает, что магнитное поле создается не только токами в проводниках, но так же его создает и любое направленное движение электрических зарядов.
Магнитное поле можно обнаружить по отклонению рядом находящейся магнитной стрелки на компасе, при пропускании через проводник электрического тока.
Магнитное поле также создается постоянными магнитами. Для его обнаружения необходимо на гибких проводниках подвесить между полюсами магнита плоскую рамку с током. Рамка должна поворачиваться до тех пор, пока ее плоскость не станет перпендикулярной линии, соединяющей полюсы магнита. Опыты позволяют увидеть ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током.
Правило Буравчика
Расположим рядом с проводником несколько магнитных стрелок и пустим в проводнике ток — стрелки сориентируются в магнитном поле проводника (рис. 3.1, а). Северный полюс каждой стрелки укажет направление вектора индукции магнитного поля в данной точке, а значит, и направление магнитных линий этого поля.
С изменением направления тока в проводнике изменится и ориентация магнитных стрелок (рис. 3.1, б). Это означает, что направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.
Рис. 3.1. Определение направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током с помощью магнитных стрелок
Определять направление линий магнитной индукции с помощью магнитной стрелки не всегда удобно, поэтому используют правило буравчика:
Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, а);
или иначе:
Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, б).
Рис. 3.2. Определение направления линий магнитного поля проводника с током с помощью правила буравчика
От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током
Вспомните: магнитное действие проводника с током первым обнаружил X. Эрстед в 1820 г. А вот почему это открытие не было сделано раньше? Дело в том, что с увеличением расстояния от проводника магнитная индукция созданного им поля быстро уменьшается. Поэтому, если магнитная стрелка расположена не вблизи проводника с током, магнитное действие тока почти незаметно.
Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик означает, что сила тока в проводнике направлена от нас
Магнитная индукция зависит также от силы тока: с увеличением силы тока в проводнике магнитная индукция созданного им магнитного поля увеличивается.
Магнитное поле катушки с током
Свернем изолированный провод в катушку и пустим по проводу ток. Если теперь вокруг катушки разместить магнитные стрелки, то к одному торцу катушки стрелки повернутся северным полюсом, а к другому — южным (рис. 3.4). Это означает, что около катушки с током существует магнитное поле.
Рис. 3.4. Исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок
Как и полосовой магнит, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Полюсы катушки расположены на ее торцах, и их легко определить с помощью правой руки:
Если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на северный полюс катушки, то есть направление вектора магнитной индукции внутри катушки (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Определение полюсов катушки с током с помощью правой руки
Сравнив магнитные линии постоянного полосового магнита и катушки с током, увидим, что они очень похожи (рис. 3.6). Заметим: магнитная стрелка, подвешенная катушка с током и подвешенный полосовой магнит ориентируются в магнитном поле Земли одинаково.
Подводим итоги:
Около проводника с током существует магнитное поле. Магнитная индукция поля, созданного током, уменьшается с увеличением расстояния от проводника и увеличивается с увеличением силы тока в проводнике.
Направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током можно определить с помощью магнитных стрелок или правила буравчика.
Катушка с током, как и постоянный магнит, имеет два полюса. Их можно определить с помощью правой руки: если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на ее северный полюс.
| Рекомендую подробно изучить предметы: |
|
| Ещё лекции с примерами решения и объяснением: |
- Шунт и добавочное сопротивление
- Электродвижущая сила
- Электрические измерительные приборы
- Электрическое поле Земли
- Закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением сопротивлений
- Сила и закон Ампера
- Закон взаимодействия прямолинейных параллельных проводников с током
- Сила Лоренца
Опыт — эрстед
Опыты Эрстеда и Фарадея создали основу, на которой построены законы Максвелла. Все наши так далеко идущие выводы основывались на внимательном изучении этих законов, выраженных на языке поля. Теоретическое открытие электромагнитной волны, распространяющейся со скоростью света, является одним из величайших достижений в истории науки.
Опыты Эрстеда доказали, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Фарадей ставит обратную задачу: нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток. В 1831 г. он экспериментально решил эту задачу.
Опыты Эрстеда доказали, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Фарадей ставит обратную задачу: нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток.
Опыты Эрстеда показывают, что движущийся электрический заряд создает магнитное поле. Следовательно, электрический заряд является источником не только электростатического, но и магнитного и, как выяснится в дальнейшем, электромагнитного полей. Есть основание считать все эти поля проявлением одного электромагнитного поля. Различие в проявлениях связано со скоростью движения заряда в данной системе отсчета.
Опыт Эрстеда, опыты Ампера и других исследователей показали, что магнитное поле возникает вокруг любых движущихся электрических зарядов. Вспоследствии, когда было установлено, что любое вещество состоит из атомов, в которых электроны движутся вокруг ядра, образуя круговые токи, стало ясно, что магнетизм, обнаруживающийся у ряда веществ, тоже обусловлен движущимися электрическими зарядами.
Опыты Эрстеда показали, что магнитное поле проводника с током имеет такую же природу, что и поле магнита.
Опыт Эрстеда показал, что электрические токи могут действовать на магниты, однако природа магнита в то время была совершенно таинственной. Ампер и другие вскоре открыли взаимодействие электрических токов друг с другом, проявляющееся, в частности, как притяжение между двумя параллельными проводами, по которым текут одинаково направленные токи. Это привело Ампера к гипотезе, что в магнитном веществе имеются постоянно циркулирующие электрические токи. Если такая гипотеза справедлива, то результат опыта Эрстеда можно объяснить взаимодействием гальванического тока в проволоке с микроскопическими токами, которые сообщают стрелке компаса особые свойства.
Сенсационность опытов Эрстеда состояла в том, что, во-первых, магнитная сила, как оказалось, обнаруживается не только вблизи постоянного магнита, но и вблизи движущихся электрических зарядов ( вблизи электрического тока), и во-вторых, сила оказалась не отталкивающей и не притягивающей, а поворачивающей. Магнитная сила, обнаруживаемая током, поворачивала магнитную стрелку поперек, ориентируя ее всякий раз перпендикулярно к направлению тока.
После опытов Эрстеда стало ясно, что между электрическими и магнитными явлениями существует взаимосвязь.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту неличину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля.
|
Опыт, обратный опыту Эрстеда. а ток выключен. б при включении тока проводник / стремится установиться перпендикулярно. |
В опыте Эрстеда мы видели, что ток действует на магнит. Существует ли обратное действие магнита на проводник с током.
Обобщением экспериментальных данных ( опыты Эрстеда, сила Ампера, закон Био — Савара, закон электромагнитной индукции) является предположение о взаимной перпендикулярности электрического и магнитного полей. Мы знаем, что направление электрической напряженности связано с изменением наводящего магнитного поля правилом левого винта.
Мы уже видели из опыта Эрстеда, как силовые линии магнитного поля закручиваются вокруг изменяющегося электрического поля. А из опыта Фарадея мы видели, как силовые линии электрического поля закручиваются вокруг изменяющегося магнитного поля.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.
1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S
2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?
1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу
3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка
1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение
4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?
1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа
6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки
1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный
7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.
Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке
8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная
9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена
10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.
12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.
Часть 2
13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.