Меню

Кто открыл магнитное действие тока для

Магнитное действие тока. Опыт Эрстеда

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.

Магнитное действие тока. Опыт Эрстеда

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.

Магнитное действие тока. Опыт ЭрстедаКогда 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).

Узнав о результатах опытов Био и Савара, Лаплас заметил, что действие тока можно рассматривать как результат отдельных действий на полюса стрелки бесконечного числа бесконечно малых элементов, на которые можно разделить ток, и заключил из этого, что каждый элемент тока действует на каждый полюс с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния этого элемента от полюса. О том, что Лаплас принял участие в обсуждении этой проблемы, говорится у Био в его работе «Precis elementaire de physique ехрё-rimentale». В сочинениях же Лапласа, насколько нам известно, нет никакого намека на такое замечание, из чего можно заключить, что он, видимо, высказал это в устной дружеской беседе с самим Био.

Чтобы пополнить свои сведения об этой элементарной силе, Био попытался, на этот раз один, определить опытным путем, изменяется ли и если изменяется, то каким образом действие элемента тока на полюс с изменением угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей середину элемента с полюсом. Опыт состоял в сравнении того, какое действие оказывает на одну и ту же стрелку параллельный ей ток и ток, направленный под углом. Из данных опыта Био путем расчета, которого он не опубликовал, но который, безусловно, был ошибочным, как это показал в 1823 г. Ф. Савари <1797—1841), определил, что эта сила пропорциональна синусу угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей рассматриваемую точку с серединой элемента тока. Таким образом, то, что сейчас называют «первым элементарным законом Лапласа», в значительной мере является открытием Био.

Источник



Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

1. 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 (см. рис. 81). 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.

Об этой взаимосвязи свидетельствует и опыт, известный как опыт Ампера. Если по двум длинным параллельно расположенным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу; если направление тока будет противоположным, то проводники оттолкнутся друг от друга. Это происходит потому, что вокруг одного проводника возникает магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Если ток будет протекать только по одному проводнику, то проводники не будут взаимодействовать.

Таким образом, вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой ​ \( B \) ​. Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.

2. Обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током можно с помощью либо магнитных стрелок, либо железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками. На рисунке 87 изображён проводник, пропущенный через лист картона, на который насыпаны железные опилки. При прохождении по проводнику электрического тока опилки располагаются вокруг него по концентрическим окружностям.

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.

Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.

3. Если пропустить электрический ток по катушке, то опилки расположатся, как показано на рисунке 88.

Картина линий магнитной индукции свидетельствует о том, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, то она повернётся южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 89).

Следовательно, катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Определить полюса, которые появляются на её концах можно, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого пользуются правилом буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).

4. Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, или намагниченность, называют постоянными магнитами. Поднося магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и практически не притягиваются к его середине. Те места магнита, которые производят наиболее сильное магнитное действие, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный — N и южный — S. Принято северный полюс магнита окрашивать синим цветом, а южный — красным. Если полосовой магнит разделить на две части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами.

Читайте также:  Работа постоянного тока вычисляется по формуле а u2t r

Положив на постоянный магнит лист бумаги или картона и насыпав на него железные опилки, можно получить картину его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют между собой. Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и, наоборот, магнитное поле 2-го магнита действует на 1-й.

Причиной наличия у веществ магнитных свойств является движение электронов, существующих в каждом атоме. При своём движении вокруг атома электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например железо или сталь, намагничены достаточно сильно.

5. Магнитное поле действует на проводник с током. Доказать это можно с помощью эксперимента (рис. 92).

Если в поле подковообразного магнита поместить проводник длиной ​ \( l \) ​, подвешенный на тонких проводах, соединить его с источником тока, то при разомкнутой цепи проводник останется неподвижным. Если замкнуть цепь, то по проводнику пойдёт электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклонится в противоположную сторону. Таким образом, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера.

Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника ​ \( l \) ​ и силе тока ​ \( I \) ​ в проводнике: ​ \( F\sim Il \) ​. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции ​ \( B \) ​. Соответственно, ​ \( F=BIl \) ​.

Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.

В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записыватся в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.

Формула силы Ампера, позволяет раскрыть смысл понятия вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует: ​ \( B=\frac \) ​, т.е. магнитной индукцией называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, находящейся в магнитном поле.

Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.

Единица магнитной индукции ​ \( [В] = [F]/[I][l] \) ​. ​ \( [B] \) ​ = 1 Н/(1 А · 1 м) — 1 Н/(А · м) = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1 Н при силе тока в проводнике 1 А.

Направление силы Ампера определяют, пользуясь правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).

6. 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 (рис. 94), потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки ​ \( ab \) ​, противоположна силе, действующей на сторону ​ \( cd \) ​.

Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.

В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.

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

1) вправо →
2) влево ←
3) вверх ↑
4) вниз ↓

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

1) вверх ↑
2) вниз ↓
3) направо →
4) налево ←

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?

1) вверх ↑
2) вправо →
3) вниз ↓
4) влево ←

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.

Источник

Кто открыл магнитное действие тока для

Открытие электрического тока и его химических действий. Электрическая цепь была объектом исследований начиная со второй половины XVIII в. Исследовалась скорость распространения электричества по проводникам различной длины. Еще в 1747 г. Уотсон передал электричество на расстояние в 6 км. В 1785 г. англичанин Е. Нэрн создает цепь между полюсами электростатического генератора. В разрывы цепи на разных ее участках он включает металлическую проволоку и устанавливает, что она везде одинаково взрывается. Отсюда вывод: во всех участках цепи проходит одинаковое количество электричества.

Были, в сущности, уже известны основные действия электрического тока. Франклин и Киннерсли распыляли и плавили металлы. В Италии Беккариа с помощью электрического разряда получил цинк из оксида цинка и ртуть из киновари, англичанин Пристли выделил водород из спирта, а голландский химик Ван-Труствик произвел электролиз воды. Знали, что электрический разряд производит магнитное действие (намагничивание и перемагничивание разрядом конденсатора и молнией). Но не существовало понятия тока. Картина электрических процессов рисовалась так: существуют особые электрические флюиды, они могут накапливаться, и тогда возникает электрическое напряжение — стремление флюидов прийти в равновесие.

Электрический генератор «накачивает» флюидом батарею лейденских банок. Получается электрический разряд. Его можно выпустить в наблюдаемый объект. Подвижность флюиде обусловливает мгновенность процессов разряда. Распространено было понятие «электрического конфликта»: мгновенного разъединения и воссоединения электричеств. В центре внимания были силовые взаимодействия частичек электрический жидкостей.

Открытие постоянного электрического тока и изучение его свойств началось в XIX в.

В сентябре 1786 г. профессор анатомии и медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) обнаружил факт, который спустя пять лет в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» описал в следующих словах: «Если держать висящую лягушку па льнами за одну лапку так, чтобы крючок (медный), проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться» (подчеркнуто мною.-В. Д.).

О значении своего открытия Гальвани и не подозревал. Он истолковал открытое явление как физиолог, выдвинув гипотезу о существовании животного электричества: мышца является как бы батареей лейденских банок, которая возбуждается действием мозга, передающимся по нервам.

Читайте также:  Индукционный ток возникает в катушке при изменении силы тока в ней называют

Открытие Гальвани, опубликованное в 1791 г., вызвало острый интерес естествоиспытателей. Напомним, что это было время, когда медицина возлагала на электричество особенно большие надежды, и всякий успех, связывавший электричество с физиологией, встречался с большим энтузиазмом. Открытие Гальвани упало на хорошо подготовленную почву. Его анализом занялся Алессандро Вольта, бывший в это время лучшим знатоком электричества.

Вольта родился в 1745 г. в г. Комо (Северная Италия), в обеспеченной семье, принадлежавшей к старинной миланской знати. Уже в школе юноша обнаруживает большие способности, соединенные с необычайным трудолюбием. Он увлекается модным в то время электричеством. Восемнадцатилетний Вольта уже ведет оживленную переписку с учеными, а в 24 года публикует первую самостоятельную научную работу. С 1774 г. Вольта преподает физику в гимназии родного города и продолжает неотступно заниматься электрическими исследованиями. Вольта изобретает электрофор, эвдиометр, электрический пистолет. Его известность быстро растет. Вольта устанавливает связи с известными естествоиспытателями своего времени. Он много путешествует по Франции, Германии, Англии, Голландии, знакомится с известными учеными. С 1779 г. Вольта — профессор физики в Павийском университете. Араго говорит о нем: «Смелый и быстрый ум, большие и верные мысли, мягкий и искренний характер — таковы были основные качества знаменитого профессора. Никогда честолюбие, жадность к деньгам, дух соперничества не повелевали его действиями. Единственная страсть, которую он испытывал, была любовь к исследованиям». «Никто не мог бы вывести его из размышлений, в которые он был погружен с такой силой, что всякая другая мысль казалась в нем угасшей», — пишет его биограф Монти. Громкая слава, достигшая апогея после изобретения «вольтова столба», мало трогала ученого. В 1819 г. он отказался от профессуры и последние годы прожил в родном городе, в кругу семьи. Вольта умер 5 марта 1827 г. В специальном музее г. Комо до сих пор хранятся предметы, относящиеся к научным трудам и жизни того, кто «был самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея» (проф. Берцолари).

Вольта был искусным, целеустремленным экспериментатором и теоретиком с сильнейшей физической интуицией. Почти всю свою энергию он отдал изучению электричества. Терпеливость мысли он соединил с глубоким и свободным от предвзятых мнений анализом.

Согласно Вольта, существуют два электрических флюида. Всякое тело содержит их в равных количествах, и оно нейтрально. Электризация означает разъединение флюидов. И начиная с этого пункта Вольта вносит в теорию электричества важнейшее представление: при разъединении положительного и отрицательного электричества возникает напряжение. Напряжение есть следствие стремления электричества к воссоединению и нейтрализации.

Варьируя условия эксперимента, открывая новые и новые стороны явления, Вольта приходит к убеждению в ложности гипотезы о существовании животного электричества. В 1795 г. он обобщает свои исследования и формулирует фундаментальный вывод: «Животные органы в подобных опытах следует рассматривать как чисто пассивные, как простые электроскопы особого рода и, наоборот, активными являются проводники, приведенные ко взаимному соприкосновению, лишь бы они были различными. При этом они тем более активны и действительны, чем больше они отличаются друг от друга в известных отношениях» (подчеркнуто мною.- В. Д.).

Так был открыт ключевой факт. Далее открытия посыпались, как из рога изобилия. При соприкосновении двух разнородных проводников каждый из них оказывается заряженным, причем заряды всегда имеют противоположные знаки.

Вольта предлагает разделить все проводники на 2 класса: 1-й класс — «сухие» проводники — металлы, некоторые минералы, уголь; 2-й класс — «влажные» проводники. Металлические проводники можно расположить в ряд, где каждый последующий всегда заряжается отрицательно при контакте с предыдущим. Этот закон Вольта входит в число фундаментальных физических фактов.

Контакт металлов порождает электрическое напряжение. Оно мало, но Вольта имеет достаточно чувствительный измерительный прибор — электрометр с конденсатором. Прибор обнаруживает, что напряжение различно для разных пар контактирующих проводников. Вольта имеет возможность сравнительной оценки. Единиц измерения еще нет и данные — относительные: пара серебро — медь выбирается в качестве эталонной. Получаются следующие результаты:

серебро-медь 1
медь-железо 2
железо-олово 3
олово-свинец 1
свинец-цинк 5

Интуиция ведет Вольта к следующему закону. Измеряя напряжение при контакте серебряной и цинковой пластин, он находит число 12. Но его же дает сумма 1+2+3+1+5. Отсюда следует, что разность напряжений двух крайних членов ряда равна сумме напряжений всех промежуточных членов. Наконец, если ряд образует замкнутую цепь, то сумма напряжений равна нулю. «Существует некоторое определенное отношение между металлами. определяющее силу, с какой они гонят электричество. » — заключает Вольта.

«Гонят электричество» — с этого момента собственно и начинается представление о токе. Ток существует в замкнутой цепи проводников 1-го и 2-го рода и прекращается как только цепь оказывается разорванной. Вначале Вольта обнаруживает, что ток порождается только в том случае, когда в замкнутой цепи контактируют проводники 1-го и 2-го классов. Затем ему удается обнаружить, что ток порождается, если напряжение создается парой металлов.

Остроумный и доказательный эксперимент ставит Вольта в 1796 г. Четверо или больше человек, изолированных (для этого достаточно, чтобы они стояли на каменном полу, если он сух), приводятся в проводящее соединение так, что один пальцем касается кончика языка соседа, а тот своим пальцем — глазного яблока следующего. Двое других держат мокрыми руками один ноги, другой — позвоночник препарированной лягушки. Первый в ряду берет во влажную руку цинковую пластинку, последний — серебряную, и пластинки приводятся в соприкосновение. Тотчас же тот, которого касается своим пальцем держащий цинк, почувствует кислый вкус; тот, до чьего глаза касается палец соседа, заметит как бы свет; лягушка придет в содрогание.

Лягушка была первым прибором, регистрирующим ток. Но более удобным было, конечно, физиологическое ощущение. Этот «прибор» будет еще долго применяться физиками, пока не будет изучено магнитное действие тока и изобретен мультипликатор. Можно сказать, что понятие тока получило количественную определенность на кончике языка.

Какова же природа тока? Мудрый естествоиспытатель сразу же предупреждает, что рано ставить такой вопрос. «Не спрашивайте еще, как это происходит, — говорит Вольта. — Пока достаточно знать, что это происходит, что мы имеем дело с некоторым универсальным явлением» (подчеркнуто мною. — В. -Д.).

Пока ток — это движение электрических жидкостей — флюидов. Вольта лишь опровергает гипотезу животного электричества. Следующий шаг — история рождения первого источника постоянной ЭДС * .

* ( Понятие «источник постоянного тока» — неточно. Из источника ЭДС в сущности ничего не вытекает, он лишь создает электрическое поле.)

Открытие первого источника постоянной ЭДС. Начало электрохимии. В 1800 г. Вольта послал президенту Лондонского Королевского общества письмо, в котором сообщил «о поразительных результатах исследования электричества, возбуждаемого простым взаимным соприкосновением разнородных металлов или иных различных проводников, жидких или содержащих влагу, которой они обязаны своею проводимостью.

Берут 20, 40, 60 или больше кружков меди (или лучше серебра), положенных каждый на кружок свинца (или лучше цинка), такое же количество кружков сукна, картона или кожи, пропитанных соленой водой или щелоком и помещенных соответственно между двумя металлическими кружками; к сочетанию этих проводников в таком неизменном порядке и сводится все устройство нового прибора. «.

Далее Вольта сообщает об особенностях различных конструкций столба. Так было описано одно из замечательных открытий физики.

Речь шла о первом источнике постоянного электрического тока. Это было начало электродинамики. Вольта еще не знал, что его столб поляризуется, и ЭДС уменьшается с течением времени. Он наивно полагал, что открыл «бесконечную циркуляцию электрических истечений — род вечного движения». Он пишет, что этот снаряд обладает «бесконечным зарядом, постоянным импульсом».

Весть о «вольтовом столбе» быстро облетела мир, вызвав величайшую сенсацию. Наполеон I приглашает прославленного ученого в Париж для прочтения лекций. В честь Вольта выбивается медаль.

Значение нового источника электричества было быстро оценено и физиками и химиками. Устройство не представляло особых трудностей для изготовления; «столб» стал повсеместно работать, принося все новые и новые результаты.

Повторяя опыты Вольта, Карлейль и Никольсон в Англии обнаружили, что гальванический ток, проходя через воду, производит разложение последней на водород и кислород. Они брали небольшую стеклянную трубку с водой, закрывали ее с обоих концов пробками, в которые пропускали латунные проволоки (концы проволок находились на расстоянии 1 3/4 — дюйма) и присоединяли концы проволок к полюсам «столба». При прохождении тока через трубку на конце проволоки, соединенной с серебряным кружком «столба», появлялась тонкая струйка воздушных пузырьков; конец же проволоки, соединенный с цинковым кружком, покрывался темным налетом. Несложные исследования позволили установить, что вода разлагается на водород и кислород.

«Искусственный электрический орган» стал мощным инструментом исследования вещества. Так на грани XVIII и XIX вв. перебрасывается прочный мостик между физикой и химией, начинается взаимодействие, взаимообогащение наук.

Открытие химических действий электричества привлекает внимание выдающегося английского естествоиспытателя Гемфри Дэви (1778-1829).

Дэви родился в г. Пенза нее (Корнуэльс). После обучения в школе он принял решение посвятить себя медицине. Однако побеждает увлечение химией. Открытие физиологических свойств закиси азота приносит ему известность.

В 1801 г. граф Румфорд приглашает Дэви занять должность ассистента в Королевском институте в Лондоне. С этого момента начинаются его плодотворные исследования, прежде всего в области электрохимии. Успехи Дэви столь велики, что через год он становится профессором, затем членом Королевского общества, а с 1821 г. его президентом.

Еще повторяя опыты Никольсона и Карлейля, в 1800 г. Дэви собирает водород и кислород в отдельные сосуды и демонстрирует возможность точного определения их объемных отношений. Это был первый физико-химический анализ.

Дэви блестяще использует возможности нового генератора электричества. В 1808 г. он производит электролиз щелочей и выделяет новые элементы — натрий и калий, а затем металлы щелочных земель. За ним известный немецкий физико-химик Иоганн Риттер (1776-1810) производит электролиз медного купороса и выделяет медь. Так рождается электрохимия.

В 1813 г. Дэви пригласил в свою лабораторию в качестве ассистента Майкла Фарадея. Здесь будущий исследователь электричества делал своп первые шаги.

Открытие тепловых и световых действий тока. Электрическая дуга, телеграф. Улучшение конструкции «вольтова столба», увеличение числа «кружков» приводят к открытию новых действий гальванического электричества.

В 1802 г.. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге Василий Владимирович Петров (1761-1834) построил «огромную наипаче батарею, состоявшую иногда из 4200 медных и цинковых кружков» и получил с ее помощью ряд выдающихся результатов.

Создание столь большой батареи, само по себе представлявшее сложную задачу, не было самоцелью русского ученого. Оно явилось средством для замечательных открытий, о которых, к сожалению, мир узнал только во второй половине XIX в.

Читайте также:  Как проводит ток нержавеющая сталь

В книге «Известие о Гальвани-Вольтовских опытах», вышедшей в 1803 г., Петров описывает открытие электрической дуги:

«Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством Гальвани Вольтовской жидкости, если потом металлическими изолированными направителями. сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Эта первая вспышка электрической дуги осветила широкий путь практических применений электричества. Однако опыты Петрова остались неизвестными ученому миру. В 1812 г. Дэви открыл электрическую дугу как совершенно новое явление.

Еще со времен Ньютона были известны электрическая искра и электрическое свечение. Однако эти световые явления были кратковременными. В случае же гальванического электричества возникал длительный процесс, которым к тому же оказалось возможным управлять.

Поразительным оказалось тепловое действие гальванического тока. Заменив угольные электроды металлическими, Петров обнаружил, что в этом случае «. является больше или меньше яркое пламя, от которого сии металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают также с пламенем какого-нибудь цвета и превращаются в оксид».

С помощью электрической дуги Петров производит восстановление оксидов металлов, предвосхищая идею электрометаллургии. Далее он» проводит серию замечательных экспериментов по наблюдению электрического заряда в вакууме, начиная от тихого разряда и кончая искровым.

Таким образом, уже первые шаги в исследовании гальванического электричества обнаруживают его огромные потенциальные возможности в изучении разнообразных явлений природы. Однако в первые два десятилетия XIX в. внимание исследователей приковано в основном к химическим действиям гальванического электричества.

Открытие электролиза вскоре приводит к идее использовать гальванический ток для телеграфирования. Практически осуществляет эту идею немецкий естествоиспытатель С. Т. Земмеринг в 1809 г. Источник энергии соединялся кабелем длиной в 2 мили е приемником — электролитической ванночкой, имеющей 24 пластинки, — 24 изолированными проводами. Каждый провод соответствовал определенной букве алфавита; при замыкании на передающей станции цепи у соответствующей пластинки ванночки на приемной станции выделялись пузырьки газа.

Передача депеш проходила медленно, аппаратура была дорогой (кабелем служили провода, заключенные в стеклянную трубку), поэтому технического применения этот телеграф не получил.

Методические замечания. 1. Повторение описанных исторических опытов могло бы послужить предметом интересных работ в школьном физическом кружке. Для этого, в сущности, нужно иметь лишь десяток-два цинковых и медных пластинок любого размера, кусочки какой-либо ткани и слабый раствор кислоты.

Опыты Вольта нетрудно повторить со стандартным школьным оборудованием. Конечно, для опыта вовсе не нужна лягушка, а вместо серебряной пластинки можно взять медную. Важно акцентировать внимание на физиологическом ощущении тока.

Постановка вопроса, почему ток вызывает ощущение кислоты, будет активизировать учащихся, вызывать у них интерес. Для ответов на эти вопросы имеется база, подготовленная в VII классе.

Что касается опытов В. В. Петрова, то их повторить в школьных условиях невозможно. Эти опыты могут служить иллюстрацией прогресса техники. Электрическую дугу сейчас получает любой электросварщик. Дело только в более совершенном источнике ЭДС. Хотя разговор о дуговом разряде опережает программу, он не представит затруднений и будет полезной основой для более глубокого рассмотрения в следующем разделе.

2. До сих пор внимание акцентировалось на развитии физических представлений о зарядах и окружающем их силовом поле. По исторической традиции этот раздел называется электростатикой. В действительности все заряженные частицы находятся в движении, и устойчивое состояние покоя в системе заряженных частиц невозможно. Однако при теоретическом рассмотрении проблем электродинамики мы часто можем пренебречь эффектами, возникающими при относительном движении заряженных частиц, и рассматривать частицы как покоящиеся.

При обращении к истории вопроса возникает следующая методическая трудность. Появление представлений о токе неразрывно связано с рассмотрением первого источника постоянной ЭДС, а оно требует понятия контактной разности потенциалов. В существующей программе это понятие отсутствует. При изложении истории вопроса его придется ввести, не углубляясь в физическую суть дела. Проводя исторические опыты с постоянным током в школьном физическом кружке, необходимо подробнее рассказать о контактных явлениях.

Источник

Открытие магнитных свойств тока. Закон Ампера.

Непохожие близнецы

Девятнадцатый век, видимо, в назидание двадцатому веку, веку узкой научной специализации, перенимает прекрасную традицию восемнадцатого столетия и оставляет нам память об удивительно разносторонних ученых.

Ганс Христиан Эрстед получил золотую медаль при окончании Копенгагенского университета за литературное эссе «Границы поэзии и прозы», представив одновременно химическое исследование о свойствах щелочей. Диссертация, за которую Эрстед был удостоен звания доктора философии, посвящена медицине, свои самостоятельные исследования он начал в университете на кафедре фармацевтики, где изучали лекарства, а стал профессором по кафедре физики.

Возникновение тепла при прохождении тока от гальванических элементов через тонкую платиновую проволочку не давало Эрстеду покоя. Электричество и тепло взаимосвязаны, думал он, но, возможно, имеется нечто общее между другими разнородными и внешне непохожими явлениями, например между электричеством и магнетизмом? Говорят, чтобы постоянно помнить об этой проблеме, Эрстед все время носил в кармане небольшой магнит…

В 1813 году Эрстед пишет в своем труде «Исследование идентичности химических и электрических сил», вышедшем из печати во Франции: «Следует испробовать, не производит ли электричество… каких-либо действий на магнит…»

Проходит семь лет. Весной 1820 года Эрстед впервые замечает, что при прохождении электрического тока лежащая рядом с проводом магнитная стрелка начинает отклоняться. После семи лет обдумываний следуют три недели лихорадочных экспериментов.

Разве могли предвидеть ученые, изучавшие магнитные и электрические явления, что их открытия приведут к созданию электростанций и электрического освещения? Уютно мерцают залитые светом окна загородного дома.

Эрстед обнаруживает, что на повороты стрелки влияет ее удаленность от провода и электрическое напряжение гальванического элемента; материал провода значения не имеет.

Эрстед отмечает странную вещь: сила, действующая между магнитом и электрическим током, направлена не по прямой, соединяющей их, а перпендикулярно к ней!

Эрстед вскоре разошлет ведущим ученым Европы статью на четырех страничках, называемую, по обычаю того времени, «мемуаром», в которой опишет свои опыты. В мемуаре Эрстеда найдет отражение и тонкое наблюдение, что «магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение вокруг него». Будто провод окольцован магнитными силами…

Франсуа Араго и Анри Мари Ампер

Ученый секретарь Французской Академии Франсуа Араго знакомится с опытами Эрстеда в Женеве и 4 сентября 1820 года делает в Париже на заседании Академии устное сообщение о них.

Опыты Эрстеда поразили Араго. Ведь он сам уже много лет собирает сведения о связи атмосферных электрических явлений с поведением магнитных веществ на земле и готовится поставить лабораторные эксперименты по проверке своих предположений.

Участвуя в работе экспертной комиссии по выяснению причин кораблекрушений, Араго замечал, что у кораблей после сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные стороны, а железные предметы на борту сильно намагничивались. Вызвать это могла только молния…

Волнение Араго передалось членам Академии. Они просят Араго на заседании, намеченном на 22 сентября 1820 года, продемонстрировать им опыты Эрстеда.

Внимательно слушает Араго выдающийся математик Анри Мари Ампер. У него рождается проницательная мысль: если проводник тока всегда окружен магнитными силами, то «электрический конфликт» (пользуясь образным выражением Эрстеда) должен возникать не только между проводом и магнитной стрелкой, но и между двумя проводами, по которым течет ток!

Члены Французской Академии А. Ампер (слева) и Ф. Араго изучают действие магнитного поля на проводник, по которому течет электрический ток.

В течение этого знаменательного заседания глубокий теоретик превращается в увлеченного экспериментатора. За семь дней Ампер конструирует оригинальный электрический прибор и на следующих заседаниях Академии — 11 и 18 сентября — демонстрирует присутствующим взаимодействие двух проводников с током!

Если в обоих проводниках электрические токи текут параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются, обнаруживает Ампер; эти же проводники отталкиваются, когда токи в них проходят во взаимно противоположных направлениях.

Затем Ампер выведет простую формулу, которая позволит рассчитать силу взаимодействия двух проводников в том случае, когда они установлены под углом друг к другу. Формула будет названа впоследствии законом Ампера

Ампер продолжает свои опыты. Свернув проводники в виде двух спиралей, получивших название соленоидов, он доказывает, что соленоиды, установленные рядом, при пропускании тока ведут себя подобно двум магнитам.

Ампер исследует влияние магнитного поля Земли на движение проводника, соленоида и металлической рамки с током. Он высказывает опережающую время мысль о том, что магнит в свою очередь представляет собой совокупность токов. В магните, считает Ампер, есть множество элементарных круговых токов, текущих перпендикулярно к его оси. Так и кажется, что французский ученый уже знает о непрерывном движении заряженных частиц внутри каждого вещества, об открытии электрона, о планетарном строении атома, доказанном Резерфордом через столетие.

Свои сообщения на заседании Академии Ампер заключил словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».

Пройдет много лет, и открытия Ампера лягут в основу метода определения единицы электрического тока. На IX Международной конференции по мерам и весам в 1948 году будет решено считать основной электрической единицей один ампер— силу тока, при которой два параллельных проводника длиной в один метр взаимодействуют друг с другом с силой в две десятимиллионные части ньютона.

От силы тока в один ампер произойдет единица количества электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая получит наименование вольта, единица сопротивления, именуемая омом.

Очевидцы рассказывали, что идеи Ампера были столь новы, что многие члены Французской Академии просто не поняли их революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил на заседании один из них, обращаясь к Амперу.— Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга?»

За Ампера его оппоненту мгновенно ответил Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга…»

Оба ключа, действительно, могут открыть один и тот же замок, но это не будет замок двери в страну знаний.

Источник