Опыты эрстеда

Открытие Эрстеда

В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. Это событие было с энтузиазмом встречено представителями школы немецкой классической философии. Факты, указывающие на существование связи между электрическими и магнитными явлениями, были известны задолго до открытия Эрстеда. Еще в XVII веке наблюдали случаи перемагничения стрелки компаса после удара молнии.

Интерес представителей немецкой классической философии к открытию Эрстеда не был случайным. Сам Эрстед находился под сильным влиянием философии Шеллинга. Учение о целостности мира, о его развитии, о борьбе полярных сил, о всеобщей связи явлений чрезвычайно импонировало датскому физику. Не случайно в брошюре, посвященной своему открытию, он назвал процесс, происходящий в проволоке, соединяющей полюсы гальванического элемента, не электрическим током, а «электрическим конфликтом». Открытие Эрстеда шеллингианцы и гегельянцы рассматривали как успех своей философской системы. Они справедливо отмечали, что физика могла рассматривать химические, электрические и магнитные явления как независимые лишь до открытия гальванизма.

Исследования магнитного действия электрического тока привели Эрстеда к выводу, что «электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Далее следует еще более важное наблюдение: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, Эрстед подметил вихревой характер магнитного поля.

Исследования электромагнетизма

Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс и инициировало новые исследования. В сентябре 1820 года Араго показал, что провод с током притягивает железные опилки. Месяц спустя Жан Батист Био и Феликс Савар доложили об экспериментальном установлении закона действия прямого электрического тока на элементарный магнит. Пьер Симон Лаплас придал закону Био и Савара строгую математическую форму закона элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. Эта формула с тех пор практически не претерпела изменений и сегодня известна как закон Био-Савара-Лапласа для магнитной индукции элемента тока:

(10.1)

где k– коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения.

Наиболее значимый вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Андре Мари Ампер. В течение 1820 года он сделал ряд сообщений в Парижской Академии наук, посвященных исследованию этого нового явления. Ампер различает два основных понятия: электрический ток и электрическое напряжение. Под электрическим током Ампер понимал перенос электрического заряда по замкнутой «цепи проводящих и электродвижущих тел», а под его направлением – направление движения положительного заряда.

Е

Рис. 24. Станок Ампера

сли Эрстедом было установлено взаимодействие магнита с электрическим током, то Ампер впервые установил механическое взаимодействие двух проводников с током. С этой целью он исследовал поведение подвижных проволочных контуров прямоугольной формы, которые крепились в специальных приспособлениях (станках Ампера) на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища двух чашек с ртутью (рис. 24). Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках рамка могла свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь все время включенной в цепь с помощью ртутных контактов. Приближая к подвижной рамке другую, неподвижную, Ампер наблюдал взаимодействие токов. Он обнаружил, что токи, направленные одинаково, притягиваются друг к другу, а токи, направленные противоположно, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, Ампер изучал как взаимодействие двух токов, так и действие на подвижную рамку с током постоянного магнита. Результаты его исследований мы сегодня объединяем в одной формуле, задающей механическую силу, действующую на элемент проводника с током во внешнем магнитном поле

:

(10.2)

Ампер пришел к идее чисто токового происхождения явления магнетизма. Согласно его теории, все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в твердых телах круговых молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен плоскому магниту – так называемому магнитному листку. На этой основе он разработал представление о магните «как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита». Следующим логическим шагом, непосредственно следующим из предыдущего, был вывод, что спираль, обтекаемая постоянным электрическим током (соленоид), должна быть эквивалентна постоянному магниту. И Ампер сделал этот вывод. В 1822 году с помощью своего станка он экспериментально исследовал поведение соленоида в магнитном поле постоянного магнита и убедился в абсолютной справедливости своих теоретических выводов. Соленоид с током вел себя как прямой постоянный магнит, направление от южного полюса к северному в котором было связано с направлением обтекания током витков правилом правого винта. Когда Ампер убирал постоянный магнит, соленоид с током подобно магнитной стрелке компаса устанавливался в направлении магнитного меридиана Земли. Взаимодействие же двух соленоидов с током было абсолютно идентично взаимодействию двух прямых постоянных магнитов. Наконец, Амперу принадлежит идея усиления магнитного поля соленоида путем введения внутрь последнего железного сердечника из мягкого железа.

Электрический ток порождает магнитное поле.

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».

Биографии: Ханс Кристиан ЭРСТЕД

Опыты Ампера и Эрстеда

Как известно из электростатики (лекции 1-2), что между электрическими зарядами возникает взаимодействие, осуществляемое посредством электрического поля.

Исследования показали, что между движущимися зарядами может возникнуть взаимодействие иной природы, не относящееся к электростатическому. Впервые экспериментально показали Эрстед и Ампер в 1820г.

Эрстед заметил, что проводник с током вызывает появление сил, действующих на магнитную стрелку (рис. 147).

а) б)

Рис.147 Рис.148

На рис 147 показана пунктирной линией ориентация магнитной стрелки параллельно проводнику в отсутствии электрического тока, и отклонение стрелки относительно проводника при присутствии тока (сплошная). Он дал этому явлению объяснение тем, что проводник с током вокруг себя создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитной стрелкой.

В 1820г. Ампер провел опыт с двумя параллельными проводниками с током (рис. 148) .

На основании опытов сделал вывод о том, что два параллельных тока притягивают друг друга (рис 148а), антипараллельные токи отталкиваются (рис 148б).

Как известно, за направление тока принимается направление движения положительных зарядов. Если рассматривать параллельные токи, то в них движутся положительные заряды. С точки зрения электростатики между положительными зарядами должны действовать силы отталкивания, однако опыт показывает, что они притягиваются. Следовательно, между движущимися зарядами, т.е. электрическими токами, возникает не электростатическое взаимодействие, а магнитное.

3.1.2. Магнитное поле токов. Вектор магнитной индукции. Силовые линии магнитного поля

Из опытов Эрстеда и Ампера следует, что между проводником с током и магнитной стрелкой возникает взаимодействие, которое отличается от электростатического взаимодействия между зарядами. В связи с этим возникает вопрос: Какова природа взаимодействия токов? Изменится ли пространство, если в него внесем проводник с током?

По теории близкодействия взаимодействие между токами осуществляется через магнитное поле, т.е. любой электрический ток вокруг себя создает магнитное поле. Оно взаимодействует с другим током, помещенным в это поле. Если в пространство внесем проводник с током, то оно изменяется, заполняется магнитным полем. Впервые понятие магнитного поля ввел Эрстед в 1820г. Опыт показывает, что магнитное поле создается движущимися зарядами.

Магнитное поле, как и электрическое – это вид материи и является объективной реальностью, существует вне нашего сознания. Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , которая измеряется Теслой = .

Опыт показывает, что магнитная индукция зависит от размеров и геометрической формы проводника с током, от расстояния, от среды, где находится ток, от силы тока. Магнитная индукция обладает принципом суперпозиции, который гласит:

Результирующая индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами, равна векторной сумме индукции полей, создаваемых каждым током, т.е.

, (351)

где — индукция магнитного поля, создаваемого i-ым током. Для графического изображения магнитного поля вводятся силовые линии.

Силовой линией (линией индукции) называется линия, проведенная в магнитном поле, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором магнитной индукции (рис.149).

Рис.149

Свойства силовых линий:

а) Силовые линии замкнутые. Направление силовых линий определяется правилом буравчика. Если при ввинчивании поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление движения рукоятки показывает направление силовых линий (на рис.150 силовые линии — пунктирные).

а) б)

Рис.150

б) Силовые линии между собой не пересекаются.

I1 I2

Рис.151

Рассмотрим пример. Пусть токи направлены перпендикулярно плоскости чертежа. Ток I1 – на нас, ток I2 – от нас. Определить направление вектора результирующей индукции поля в точке А (рис.151).

По правилу буравчика определяем направление силовых линий магнитных полей, создаваемых каждым током в точке А и проводим касательные. Тогда вектор перпендикулярен радиусу вектора , а — вектору (см. рис.151). Тогда результирующий вектор по принципу суперпозиции равен

+.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *