в чем суть опыта эрстеда
Опыт Эрстеда
Содержание
Суть опыта
Ганс Христиан Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.
Объяснение опыта
Согласно современным представлениям, при протекании через прямолинейный проводник электрического тока в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой окружности с центром на оси проводника. При этом величина магнитного поля пропорциональна силе тока, текущего в проводнике, и обратно пропорциональна расстоянию до проводника [3] :
где B — модуль вектора индукции магнитного поля, i — сила тока, r — расстояние от точки наблюдения до проводника, c — скорость света (здесь использована запись в гауссовой системе единиц).
При помещении в магнитное поле вещества, имеющего ненулевой магнитный момент (магнита), на него начинает действовать момент силы Лоренца, пропорциональный индукции магнитного поля и величине магнитного момента, а также синусу угла между их векторами [4] :
где M — модуль вектора момента сил, действующих на магнитный момент, 
— величина магнитного момента, 
— угол между векторами 
и 
.
Момент сил стремится выстроить магнитную стрелку параллельно направлению вектора магнитной индукции, то есть перпендикулярно проводнику с током. Этот эффект тем сильнее, чем выше сила тока в проводнике и чем больше сила магнита. На практике действию магнитной силы противостоят силы трения в точке крепления магнитной стрелке, поэтому эффект может быть слабо выражен.
Роль опыта в истории физики
Описанный 21 июля 1820 года в краткой статье «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam» [5] опыт стал первым экспериментальным доказательством взаимосвязи электрических и магнитных явлений.
В чем суть опыта эрстеда
Тема конспекта: Опыт Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Линии магнитной индукции. Электромагнит.
Опыты Эрстеда
Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока. При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.
При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.
Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Линии магнитной индукции
Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.
Электромагнит
Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.
Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся, потому, что на стороны рамки действует сила Ампера.
Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.
Конспект урока «Опыты Эрстеда. Магнитное поле. Электромагнит».
Опыт Эрстеда: магнитное поле тока
В физике уже давно установлено, что магнитные и электрические явления связаны между собой. Такую связь доказывает опыт Эрстеда, магнитное поле тока и другие факторы, указывающие на одинаковую природу магнетизма и электричества. Полученные результаты позволили глубже изучить суть этих явлений для последующего применения их в практической деятельности.
Взаимосвязь магнитных и электрических явлений
Аналогия данных явлений проявилась еще в результате первых исследований. В качестве примера можно привести свойства притягивания и отталкивания, когда в электростатике притягиваются и отталкиваются разноименные и одноименные заряды, а в магнетизме – аналогичные полюса.
В течение продолжительного времени было невозможно провести необходимые опыты по причине отсутствия постоянного источника тока. Проведение первых опытов, связанных с намагничиванием иглы, стало возможным после появления лейденской банки. Более широкие исследования начались после того как появилась батарея Вольта.
Первым, наиболее удачным экспериментом, считается опыт Эрстеда с использованием металлической проволоки, натягиваемой между двумя стойками. Расположение магнитной стрелки под проволокой выполняется так, чтобы происходило ее выравнивание относительно магнитного поля земли. Таким образом, она становится направленной с севера на юг. В самом начале электрического тока в цепи не было, проволока и стрелка располагались параллельно между собой. После этого проволока подключалась к источнику тока.
Суть опыта Эрстеда
Во время включения электрического тока в цепь происходит поворот магнитной стрелки на 90 градусов. Она принимает положение, перпендикулярное относительно проволоки. В процессе поворота стрелка начинает колебаться, а затем успокаивается в установленном положении. После отключения тока магнитная стрелка снова принимает исходное положение, размещаясь в направлении магнитного поля земли.
После первых опытов Эрстеда данной проблемой стали заниматься и другие ученые. Например, английским физиком Фарадеем была выдвинута теория, связанная с силовыми линиями магнитного поля. Опыт Эрстеда позволяет обнаруживать магнитное поле и без специального лабораторного оборудования.
Опыт Эрстеда проводится с помощью высокого стакана с водой и широкой чашки с солью, растворенной в воде. Далее, нужно взять иглу, намагнитить ее постоянным магнитом, смазать жиром и опустить в стакан на водную поверхность, не нарушая ее поверхностный слой. Игла будет играть роль магнитной стрелки. В качестве источника тока служит уголь, завернутый в ткань и опущенный в соленую воду и пластина из цинка, также опущенная в соленую воду. При замыкании или размыкании самодельной цепи, игла будет поворачиваться в соответствующем направлении.
Открытие Эрстеда
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».
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.
Презентация по физике на тему «Опыт Эрстеда»
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Суть опыта Ганс Кристиан Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.
Принято считать, что это открытие было совершенно случайно: профессор Эрстед демонстрировал студентам опыт по тепловому воздействию электрического тока, при этом на экспериментальном столе находилась также и магнитная стрелка. Один из студентов обратил внимание профессора на то, что в момент замыкания электрической цепи стрелка немного отклонялась. Позднее Эрстед повторил опыт с более мощными батареями, усилив тем самым эффект. При этом сам он в своих поздних работах опровергал случайный характер открытия: «Все присутствующие в аудитории — свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью…».ы
Объяснение опыта Согласно современным представлениям, при протекании через прямолинейный проводник электрического тока в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой окружности с центром на оси проводника. При этом величина магнитного поля пропорциональна силе тока, текущего в проводнике, и обратно пропорциональна расстоянию до проводника: где B — модуль вектора индукции магнитного поля, i — сила тока, r — расстояние от точки наблюдения до проводника, c — скорость света (здесь использована запись в гауссовой системе единиц).
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались показать различие этих двух явлений.
Но это предположение снова возникло в XVIII веке уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнито-статических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т. е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между «гальваническим флюидом» и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Взаимодействие между гальваническим и магнитным флюидом пытался обнаружить и Джан Доменико Романьози (1761—1835) в опытах, описанных им в статье 1802 г., на которую Гульельмо Либри (1803—1869), Пьетро Конфильякки (1777—1844) и многие другие ссылались потом, приписывая Романьози приоритет этого открытия. Достаточно, однако, прочесть эту статью, чтобы убедиться, что в опытах Романьози, проводившихся с батареей с незамкнутой цепью и магнитной иглой, вообще нет электрического тока, и поэтому самое большее, что он мог наблюдать, — это обычное электростатическое действие.
Когда 21 июля 1820 г. в одной очень лаконичной статье на четырех страничках (на латинском языке), озаглавленной «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam», датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь-долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа.
В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. она, как тогда говорили, является «силой поворачивающей». Значение этого факта чувствовалось уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира. О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника «электрической материи, соответственно положительной и отрицательной». Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре того же 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей из железных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил.
Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию «магнитных кривых», или «силовых линий». Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, «облепливается железными опилками так, как если б это был магнит», из чего он сделал заключение, что «ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию».
Все в том же 1820 г. Био зачитал два доклада (30 октября и 18 декабря), в которых сообщал о результатах проведенного им вместе с Саваром экспериментального исследования. Пытаясь открыть закон, определяющий зависимость величины электромагнитной силы от расстояния, Био решил воспользоваться методом колебаний, которым раньше пользовался уже Кулон. Для этого он собрал установку, состоящую из толстого вертикального проводника, расположенного рядом с магнитной стрелкой: при включении тока в проводнике стрелка начинает колебаться с периодом, зависящим от электромагнитной силы, действующей на полюса при различных расстояниях от центра стрелки до проводника с током. Измерив эти расстояния, Био и Савар вывели носящий теперь их имя хорошо известный закон, который в своей первой формулировке не учитывал интенсивности тока (ее тогда не умели еще измерять).