1. Коментарі викладача Магнітна дія електричного струму спостерігається завжди, коли існує електричний...
2. Електронна модель Хендріка Лоренца
3. Перевірка гіпотези Лоренца - принцип роботи електронно-променевої трубки
4. Досліди з осцилографом
5. електромагніти
6. Взаємодія провідників зі струмом
7. Закон дії магнітного поля на провідник зі струмом
8. двигун
9. електромагніті
10. телеграф
11. гармата Гауса
12. відкриття Лоренца
13. Домашня робота.

Коментарі викладача

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Магнітна дія електричного струму спостерігається завжди, коли існує електричний струм. Виявляється магнітне дію, наприклад, в тому, що між провідниками з струмом виникають сили взаємодії, які називаються магнітними силами. Щоб вивчити магнітне дію струму, скористаємося магнітною стрілкою. (Вона, як відомо, є головною частиною компаса.) Нагадаємо, що у магнітної стрілки є два полюси - північний і південний. Лінію, що з'єднує полюси магнітної стрілки, називають її віссю.

Магнітну стрілку ставлять на вістря, щоб вона могла вільно повертатися.

Розглянемо тепер досвід, який показує взаємодію провідника зі струмом і магнітної стрілки. Така взаємодія вперше виявив в 1820 р датський вчений Ханс Крістіан Ерстед. Його досвід мав велике значення для розвитку вчення про електромагнітні явища.

Ерстед Ханс Крістіан (1777-1851)
Датський фізик. Виявив дію електричного струму на магнітну стрілку, що при вело до виникнення нової галузі фізики - електромагнетизму.

Дослід Ерстеда

Розташуємо провідник, включений в ланцюг джерела струму, над магнітною стрілкою паралельно її осі (рис.). При замиканні ланцюга магнітна стрілка відхиляється від свого початкового положення (на малюнку показано пунктиром). При розмиканні ланцюга магнітна стрілка повертається в своє початкове положення. Це означає, що провідник зі струмом і магнітна стрілка взаємодіють один з одним.

Мал. Взаємодія провідника зі струмом і магнітної стрілки

Виконаний досвід наводить на думку про існування навколо провідника з електричним струмом магнітного поля. Воно і діє на магнітну стрілку, відхиляючи її.

Магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом, т. Е. Навколо рухомих електричних зарядів. Електричний струм і магнітне поле невіддільні одна від одної.

Таким чином, навколо нерухомих електричних зарядів існує тільки електричне поле, навколо рухомих зарядів, т. Е. Електричного струму, існує і електричне, і магнітне поле. Магнітне поле з'являється навколо провідника, коли в останньому виникає струм, тому струм слід розглядати як джерело магнітного поля. У цьому сенсі треба розуміти вирази «магнітне поле струму» або «магнітне поле, створене струмом».

Існування магнітного поля навколо провідника з електричним струмом можна виявити різними способами. Один з таких способів полягає в використанні дрібних залізних тирси.

У магнітному полі тирса - маленькі шматочки заліза - намагнічуються і стають магнітними стрілочками. Ось кожної стрілочки в магнітному полі встановлюється вздовж напрямку дії сил магнітного поля.

На малюнку зображена картина магнітного поля прямого провідника зі струмом. Для отримання такої картини прямий провідник пропускають крізь лист картону. На картон насипають тонкий шар залізної тирси, включають струм і тирсу злегка струшують. Під дією магнітного поля струму залізні ошурки рас покладаються навколо провідника не безладно, а по концентричних колах.

Мал. Картина магнітного поля провідника зі струмом

Лінії, уздовж яких в магнітному полі розташовуються осі маленьких магнітних стрілок, називають магнітними лініями магнітного поля.

Напрямок, який вказує північний полюс магнітної стрілки в кожній точці поля, прийнято за напрямок магнітної лінії магнітного поля.

Ланцюжки, які утворюють в магнітному полі залізні ошурки, показують форму магнітних ліній магнітного поля.

Магнітні лінії магнітного поля струму представляють собою замкнуті криві, що охоплюють провідник.

За допомогою магнітних ліній зручно зображувати магнітні поля графічно. Так як магнітне поле існує у всіх точках простору, що оточує провідник з струмом, то через будь-яку точку можна провести магнітну лінію.

Мал. Розташування магнітних стрілок навколо провідника зі струмом

На малюнку а показано розташування магнітних стрілок навколо провідника зі струмом. (Провідник розташований перпендикулярно площині креслення, ток в ньому спрямований від нас, що умовно позначено кружком з хрестиком.) Осі цих стрілок встановлюються уздовж магнітних ліній магнітного поля прямого струму. При зміні напрямку струму в провіднику все магнітні стрілки повертаються на 180 ° (рис. Б; в цьому випадку струм в провіднику спрямований до нас, що умовно позначено кружком з крапкою). З цього досвіду можна зробити висновок, що напрямок магнітних ліній магнітного поля струму пов'язано з напрямком струму в провіднику.

Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд

«Моделі ефірів»

Якби Андре Марі Ампер (рис. 1) знала про дію електричного струму, то просунувся набагато далі в своїх відкриттях.

Мал. 1. Андрі Марі Ампер

Як і багато вчених того періоду Ампер дотримувався «моделі ефіру»: електричний струм - ефір, якась рідина, яка протікає по провідникам. Саме звідси і сам термін «електричний струм» - то, що тече. Тільки в самому кінці XIX століття - на початку ХХ моделі ефірів стали відходити, а на зміну їм стали з'являтися нові моделі більш адекватно відображають спостережувані явища. Зокрема були відкриті катодні промені, була виявлена ​​радіоактивність, проведені дослідження Фарадея по електролізу - все це наводило на думку про існування заряджених частинок, які якось рухаються.

Електронна модель Хендріка Лоренца

Серйозну модель запропонував учений Хендрік Лоренц (рис. 2) так звану «електронну модель». При утворенні кристалічної решітки металів, від кожного атома металу відривається по одному зовнішньому електрону, таким чином, в вузлах кристалічної решітки знаходяться позитивні іони, а в обсязі цих грат майже вільно можуть рухатися електрони (рис. 3).

Мал. 2. Хендрік Лоренц

Така модель є досить стійкою, тому що діють електростатичні сили між позитивно зарядженої гратами і електронним оточенням. Саме тому метали досить міцні для розрядження, але в той же час, кування.

Мал. 3. Кристалічні ґрати

Модель, запропонована Лоренцо, хороша хоча б тим, що досить легко пояснювала виникнення електричного струму в металах. При звичайних умовах ці електрони перебувають в хаотичному русі навколо кристалічної решітки. І тільки при подачі різниці потенціалів на кінці провідника, коли всередині провідника з'являється електричне поле, крім цієї хаотичної складової з'являється інша - упорядкована складова або спрямований рух. Саме цей рух, відповідно до моделі Лоренца, є електричний струм.

Так, з боку магнітного поля на провідник зі струмом (I), діє сила Ампера перпендикулярна напряму струму і напрямку лінії магнітного поля. (Рис. 4)

Мал. 4. Направлений рух

«Якщо електричний струм являє собою спрямований рух зарядів, то чи не буде з боку магнітного поля діяти така ж сила» - приблизно, так міркував Лоренц. У вираз для сили Ампера (1.1.) Замість сили струму підставимо визначення сили струму - відношення перенесеного заряду в провіднику до часу, за яке було здійснено дане перенесення.

(1.1)

(1.2)

Також зауважимо, що ставлення елемента довжини провідника до інтервалу часу - швидкість руху заряду.

(1.3)

Тоді вираз набуває вигляду (6.4.). Модуль сили дорівнює добутку величини магнітної індукції поля на кількість стерпного через провідник заряду на швидкість частинок, які переносять заряд і на синус кута між напрямком руху заряду і напрямком вектора магнітної індукції.

(1.4)

Врахуємо, що носіями електричного струму в провіднику є електрони, величина зарядів яких однакова. Тому можна записати, що сукупний заряд, стерпний через поперечний переріз провідника - твір елементарного заряду на кількість електронів переносяться через поперечний переріз провідника.

(1.5)

(1.6)

Висновок наведеної формули був суто формальним, однак, навіть такий висновок дозволяв припустити, що не тільки на провідник зі струмом, а й на окремий заряд в магнітному полі буде діяти сила з боку цього поля. Припустимо, що число зарядів дорівнює одиниці і цей заряд рухається не всередині кристалічної решітки, а у вільному просторі. Виникає питання: що станеться з цим зарядом, якщо він увійде в область, де існує однорідне магнітне поле? Згідно з нашою гіпотезою, на частку, що рухається в однорідному магнітному полі, повинна діяти сила, яка перпендикулярна швидкості цієї частки (оскільки саме так буде направлений електричний струм, пов'язаний з рухом цих частинок) і перпендикулярна лініям магнітного поля. Величина цієї сили буде визначатися так:

Перевірка гіпотези Лоренца - принцип роботи електронно-променевої трубки

Відкриття катодних променів, а також радіоактивності дозволили перевірити експериментально гіпотезу Лоренца. Скористаємося електронно-променевою трубкою (рис. 5)

Мал. 5. Електронно-променева трубкою

У вакуумній трубці розміщені дві пластини: анод і катод. На катод подається негативний потенціал, на анод - позитивний. Для того щоб в трубці виникли вільні електрони, катод нагрівається ниткою розжарення. Вільні електрони металевого катода поблизу його поверхні можуть залишати цю поверхню, володіючи високою кінетичної енергією за рахунок нагрівання - явище термоелектронної емісії. Вільні електрони, які покинули поверхню катода, потрапляють в зону дії електричного поля між анодом і катодом. Лінії напруженості цього поля спрямовані від анода до катода. Електрони, будучи негативно зарядженими частинками, рухаються від катода до анода - проти лінії напруженості поля. Так в трубці виникає електричний струм, спрямований від анода до катода. Якщо використовувати анод, покритий спеціальним матеріалом, який світиться при попаданні на нього заряджених частинок, можна поспостерігати місце попадання електронів по світловому плямі. Саме так і працює електронно-променева трубка. При подачі напруги на анод і катод ми бачимо невелике зелене пляма на аноді - це місце бомбардування екрану електронами.

Досліди з осцилографом

Якщо скористатися осцилографом (рис.6), то буде показано світлову пляму, а світиться лінія. Коли одним з полюсів підводять до горизонтальної лінії, що знаходиться на осцилографі - вона відхиляється від свого початкового значення в напрямку перпендикулярному напрямку швидкості і напрямку ліній магнітного поля, оскільки магнітне поле направлено від північного полюса до південного. Це на якісному рівні підтверджує гіпотезу.

Спробуємо отримати не тільки якісні, а й кількісні результати. Для цього будемо перевіряти залежність сили діє з боку магнітного поля від різних факторів. Зокрема від швидкості руху електронів. Яким чином можна поміняти швидкість руху електронів в осцилографі? За допомогою регулювання яскравості лінії на осцилографі можна змінити швидкість руху електронів в осцилографі. Чим яскравіше лінія - тим швидше рухається електрони всередині трубки. Якщо піднести магніт до осцилографа північним полюсом і міняти швидкість руху електронів - то в міру зменшення яскравості - спотворення лінії також буде зменшуватися. Це означає, що сила, що діє з боку магнітного поля на електрони, при зменшенні швидкості електронів теж зменшується. Більш точні вимірювання дадуть нам пряму пропорційність між силою, що діє з боку магнітного поля на рухомі заряди та швидкістю цих зарядів. Сила, що діє на заряди з боку магнітного поля, пропорційна індукції - якщо піднести кілька магнітів до осцилографа, то спотворення буде набагато сильніше. Величина сили діє з боку магнітного поля на рухомий заряд залежить від взаємного напрямку вектора магнітної індукції і вектора швидкості руху частинок - при тому, що піднесло магнітів до осцилографа південним полюсом - лінія буде спотворюватися в протилежному напрямку.

Мал. 6. Осциллограф

електромагніти

Узагальнимо висновки з проведених експериментів. На рухомий в магнітному полі заряд (q) з боку магнітного поля діє сила (F), напрямок якої залежить від взаємного напрямку вектора швидкості руху ( ) Заряду і вектора магнітної індукції поля (В). Величина сили пропорційна швидкості руху заряду і модулю магнітної індукції. Напрямок сили визначається за правилом «Лівою руки» (рис. 4).

(1.7)

Таким чином, отримане раніше вираз для сили, описує взаємодію магнітного поля з рухомим в цьому полі електричним зарядом. Відкриття сили дії магнітного поля на рухомий в ньому заряд стало можливим тільки завдяки поліпшенню уявлень про будову речовини, електричному струмі в металах, русі заряджених частинок. І величезну роль у всіх цих завданнях зіграв Лоренц, тому відкрита сила і отримала назву - сила Лоренца.

Застосування сил Ампера і Лоренца в науці і техніці. Амперметр, телеграф, електромагніти, мас-аналізатори

Взаємодія провідників зі струмом

Виділимо основні відкриття Ампера в області електромагнетизму:

1. Взаємодії провідників зі струмом

Два паралельних провідника зі струмами притягуються один до одного, якщо струми в них сонаправлени і відштовхуються, якщо струми в них протівонаправлени.

Закон Ампера говорить:

Сила взаємодії двох паралельних провідників пропорційна добутку величин струмів в провідниках, пропорційна довжині цих провідників і обернено пропорційна відстані між ними.

(1.1.)

F - сила взаємодії двох паралельних провідників,

I1, I2 - величини струмів в провідниках,

Δℓ - довжина провідників,

r - відстань між провідниками.

Відкриття цього закону дозволило ввести в одиниці виміру величину сили струму, якої до того часу не існувало. Так, якщо виходити з визначення сили струму як відношення кількості заряду перенесеного через поперечний переріз провідника за одиницю часу, то ми отримаємо принципово не вимірювану величину, а, саме, кількість заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника. На підставі цього визначення не зможемо ввести одиницю вимірювання сили струму. Закон Ампера дозволяє встановити зв'язок між величинами сил струму в провідниках і величинами, які можна виміряти дослідним шляхом: механічної силою і відстанню. Таким чином, отримана можливість ввести в розгляд одиницю сили струму - 1 А (1 ампер).

Струм в один ампер - це такий струм, при якому два однорідних паралельних провідника, розташовані в вакуумі на відстані один метр один від одного взаємодіють з силою 2 ∙ 10-7 Ньютона.

Закон взаємодії струмів - два знаходяться в вакуумі паралельних провідника, діаметри яких багато менше відстаней між ними, взаємодіють з силою прямо пропорційною добутку струмів в цих провідниках і обернено пропорційною відстані між ними.

Закон дії магнітного поля на провідник зі струмом

Закон дії магнітного поля на провідник зі струмом виражається, перш за все, в дії магнітного поля на виток або рамку з струмом. Так, на виток зі струмом в магнітному полі діє момент сили, яка прагне розвернути цей виток таким чином, щоб його площина стала перпендикулярна лініям магнітного поля. Кут повороту витка прямопропорционален величиною струму в витку. Якщо зовнішнє магнітне поле в витку постійно, то значення модуля магнітної індукції також величина постійна. Площа витка при не дуже великих токах також можна вважати постійної, отже, справедливо те, що сила струму дорівнює добутку моменту сил, що розгортаються виток зі струмом на деяку постійну, при незмінних умовах, величину.

(1.2.)

I - сила струму,

М - момент сил, які розгортаються виток зі струмом.

Отже, з'являється можливість вимірювати силу струму за величиною кута повороту рамки, яка реалізована в вимірювальному приладі - амперметр (рис.1).

Мал. 1. Амперметр

двигун

Після відкриття дії магнітного поля на провідник зі струмом, Ампер зрозумів, що це відкриття можна використовувати для того, щоб змусити провідник рухатися в магнітному полі. Так магнетизм можна перетворити в механічний рух - створити двигун. Одним з перших, що працюють на постійному струмі, був електродвигун (рис. 2), створений в 1834 р російським іелектротехніком Б. С. Якобі.

Мал. 2. Двигун

Розглянемо спрощену модель двигуна, яка складається з нерухомої частини, із закріпленими на ній магнітами - статор. Усередині статора може вільно обертатися рамка з провідного матеріалу, яка називається ротором. Для того щоб по рамці міг протікати електричний струм, вона з'єднана з клемами за допомогою ковзних контактів. Якщо підключити двигун до джерела постійного струму в ланцюг з вольтметром, то при замиканні ланцюга, рамка зі струмом прийде в обертання.

електромагніті

1269 року французький Натураліст П'єр Марі Кур написавши працю під назв "Лист про магніті". Основною метою П'єра Марі Кура було створення вічного двигуна, в якому він збирався використовувати дивовижні властивості магнітів. Наскільки успішними були його спроби не відомо, але достовірно те, що Якобі використовував свій електродвигун для того, щоб привести в рух човен, при цьому йому вдалося її розігнати до швидкості 4,5 км / год.

Необхідно згадати ще про один пристрої, що працює на основі законів Ампера. Ампер показав, що котушка зі струмом поводиться подібно постійному магніту, а це значить - можна сконструювати електромагніт - пристрій, потужність якого можна регулювати.

телеграф

Саме Амперу прийшла ідея про те, що комбінацією провідників і магнітних стрілок можна створити пристрій, який зраджує інформацію на відстань. Ідея телеграфу виникла в перші ж місяці після відкриття електромагнетизму. Однак широке поширення електромагнітний телеграф придбав після того, як Самюель Морзе створив більш зручний апарат і, головне, розробив двійкову абетку, що складається з крапок і тире, яка так і називається "Азбука Морзе" (рис. 3).

Мал. 3. Азбука Морзе

гармата Гауса

Математик Гаусс, коли познайомився з дослідженнями Ампера, запропонував створити оригінальну гармату (рис. 4), що працює на принципі дії магнітного поля на залізну кульку - снаряд.

Мал. 4. Гармата Гауса

Необхідно звернути увагу на те, в яку історичну епоху були зроблені ці відкриття. У першій половині XIX століття Європа семимильними кроками йшла по шляху промислової революції - це благодатний час для науково-дослідних відкриттів і швидкого впровадження їх в практику. Ампер, безсумнівно, вніс вагомий вклад в цей процес, давши цивілізації електромагніти, електродвигуни і телеграф, які до сих пір знаходять широке застосування.

відкриття Лоренца

Виділимо основні відкриття Лоренца.

Лоренц встановив, що магнітне поле діє на рухому в ньому частку, змушуючи її рухатися по дузі кола:

(1.3.)

Оскільки сила Лоренца - доцентрова сила, перпендикулярна напряму швидкості. Перш за все, відкритий Лоренцем закон, дозволяє визначати таку найважливішу характеристику як відношення заряду до маси - питома заряд.

(1.4.)

Значення питомої заряду - величина унікальна для кожної зарядженої частинки, що дозволяє їх ідентифікувати, будь-то електрон, протон або будь-яка інша частка. Таким чином, вчені отримали потужний інструмент для дослідження. Наприклад, Резерфорд зумів провести аналіз радіоактивного випромінювання і виявив його компоненти, серед яких присутні альфа-частинки - ядра атома гелію і бета-частинки - електрони. У ХХ столітті з'явилися прискорювачі, робота яких заснована на тому, що заряджені частинки прискорюються в магнітному полі. На цьому принципі розроблений Великий адронний коллайдер. Завдяки відкриттям Лоренца наука отримала принципово новий інструмент для фізичних досліджень, відкриваючи дорогу в світ елементарних частинок.

Для того щоб охарактеризувати вплив ученого на технічний прогрес згадаємо про те, що з виразу для сили Лоренца випливає можливість розрахувати радіус кривизни траєкторії частинки, яка рухається в постійному магнітному полі. При незмінних зовнішніх умовах цей радіус залежить від маси частинки, її швидкості та заряду. Таким чином, отримуємо можливість класифікувати заряджені частинки за цими параметрами і, отже, можемо проводити аналіз будь-якої суміші. Якщо суміш речовин в газоподібному стані іонізувати, розігнати і направити в магнітне поле, то частки почнуть рухатися по дугам кіл з різними радіусами - частинки будуть залишати поле в різних точках і залишається тільки зафіксувати ці точки вильоту, що реалізується за допомогою екрану, покритого люмінофором, який світиться при попаданні на нього заряджених частинок. Саме за такою схемою працює мас-аналізатор. Мас-аналізатори широко застосовують у фізиці й хімії для аналізу складу сумішей.

Це ще не всі технічні пристрої, які працюють на основі розробок і відкриттів Ампера і Лоренца, адже наукове знання рано чи пізно перестає бути виключною власністю вчених і стає надбанням цивілізації, при цьому воно втілюється в різних технічних пристроях, які роблять наше життя більш комфортним.

Домашня робота.

Завдання 1. Відповідай на питання.

1. Які явища спостерігаються в ланцюзі, в якій існує електричний струм?
2. Які магнітні явища вам відомі?
3. У чому полягає дослід Ерстеда?
4. Який зв'язок існує між електричним струмом і магнітним полем?
5. Чому для вивчення магнітного поля можна використовувати залізну тирсу?
6. Як розташовуються ошурки в магнітному полі прямого струму?
7. Що називають магнітною лінією магнітного поля?
8. Для чого вводять поняття магнітної лінії поля?
9. Як на досвіді показати, що напрямок магнітних ліній пов'язано з напрямком струму

Завдання 2. Проведіть досвід.

ДОСВІДИ
З залізні ошурки

Візьміть магніт будь-якої форми, накрийте його шматком тонкого картону,
посипте зверху залізними тирсою і розрівняйте їх.
Так цікаво спостерігати магнітні поля!
Адже кожна «опілочка», немов магнітна стрілка, розташовується уздовж магнітних ліній.
Таким чином стають «видимими» магнітні лінії магнітного поля вашого магніту.
При пересуванні картону над магнітом (або навпаки магніту під картоном)
тирса починають ворушитися, змінюючи візерунки магнітного поля.

До заняття прикріплений файл «Це цікаво!». Ви можете завантажити файл в будь-який зручний для вас час.
Використані джерела:

• https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
• http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
• http://class-fizika.narod.ru
• http://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
• http://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U