НАЧАЛА ФИЗИКИ

Рис. 28.2

(2) выбор между этими двумя возможными направлениями осуществляется с помощью правила «буравчика» (иногда приводят эквивалентный вариант этого правила, который называют правилом «левой руки»): если поставить правый буравчик (винт, отвертку, штопор и т.д.) на плоскость, в которой лежат и r, и вращать его так, что его ручка движется от тока к , то направление его вкручивания указывает направление вектора индукции (траектория ручки буравчика показана на рис. 28.2 изогнутой стрелкой). В ситуации, изображенной на рис. 28.2, винт, поставленный на плоскость чертежа и вращаемый от тока к (т.е. против часовой стрелки на рис. 28.2), будет выкручиваться, т.е. индукция магнитного поля в исследуемой точке направлена «на нас».

Ганс-Христиан Эрстед (1777-1851) — датский физик. В 1820 г. Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма.

Эрстед был не только выдающимся ученым, но и выдающимся гражданином, остро чувствующим социальную ответственность науки. Он организовал Общество по распространению научных знаний, научный лекторий для женщин и детей, создал первую в Дании физическую лабораторию, занимался улучшением преподавания физики в школах. Эрстед материально поддерживал нескольких талантливых молодых датчан и, в частности, «второго Ганса-Христиана», будущего великого писателя Г.-Х. Андерсена.

Умер Эрстед в зените своей славы. На его похоронах присутствовали представители всех слоев датского общества — члены королевской семьи и правительства, ученые, студенты, простые датчане. Простится с Эрстедом пришло (по некоторым данным) 200 тысяч (!) человек — совершенно немыслимое для Дании середины 19 века количество (да и для современной, думаем, тоже).

Закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции позволяют найти поле любых токов. Для этого все токи нужно мысленно разбить на малые элементы, по закону Био-Савара-Лапласа найти индукцию поля каждого элемента, по принципу суперпозиции — индукцию суммарного поля. Технически эта процедура, как правило, очень сложна и требует использования высшей математики.

Лабораторные работы по физике 10 класс

Лабораторная работа № 1

Наблюдение действия магнитного поля на ток

Цель работы: убедиться в том, что однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Оборудование: катушка-моток, штатив, источник постоянного тока, реостат, ключ, соединительные провода, магнит дугообразный или полосовой.

Примечание. Перед работой убедитесь, что движок реостата установлен на максимальное сопротивление.

Тренировочные задания и вопросы

1. В 1820 г. Х. Эрстед обнаружил действие электрического тока на _____

2. В 1820 г. А. Ампер установил, что два параллельных проводника с током _____

3. Магнитное поле может быть создано: а) _____ б) _____ в) _____

4. Что является основной характеристикой магнитного поля? В каких единицах в системе СИ измеряется?

5. За направление вектора магнитной индукции В в том месте, где расположена рамка с током, принимают _____

6. В чем состоит особенность линий магнитной индукции?

7. Правило буравчика позволяет _____

8. Формула силы Ампера имеет вид: F= _____

9. Сформулируйте правило левой руки.

10. Максимальный вращающийся момент М, действующий на рамку с током со стороны магнитного поля, зависит от _____

Ход работы

1. Соберите цепь по рисунку, подвесив на гибких проводах

катушку-моток.

2. Расположите дугообразный магнит под некоторым острым

углом α(например 45°) к плоскости катушки-мотка и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение катушки-мотка.

3. Повторите опыт, изменив сначала полюсы магнита, а затем направление электрического тока.

4. Зарисуйте катушку-моток и магнит, указав направление магнитного поля, направление электрического тока и характер движения катушки-мотка..

5. Объясните поведение катушки-мотка с током в однородном магнитном поле.

6. Расположите дугообразный магнит в плоскости катушки-мотка (α=0°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.

7. Расположите дугообразный магнит перпендикулярно плоскости катушки-мотка (α=90°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.

Вывод: _____

Дополнительное задание

1. Изменяя силу тока реостатом, пронаблюдайте, изменяется ли характер движения катушки-мотка с током в магнитном поле?

Рис. 1

Лабораторная работа № 2

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции, проверить правило Ленца.

Оборудование: миллиамперметр, источник питания, катушки с сердечниками, магнит дугообразный или полосовой, реостат, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка.

Тренировочные задания и вопросы

1. 28 августа 1831 г. М. Фарадей _____

2. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

3. Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называют _____

4. В каких единицах в системе СИ измеряются

а) индукция магнитного поля [B]= _____

б) магнитный поток [Ф]= _____

5. Правило Ленца позволяет определить _____

6. Запишите формулу закона электромагнитной индукции.

7. В чем заключается физический смысл закона электромагнитной индукции?

8. Почему открытие явления электромагнитной индукции относят к разряду величайших открытий в области физики?

Ход работы

1. Подключите катушку к зажимам миллиамперметра..

2. Выполните следующие действия:

а) введите северный (N) полюс магнита в катушку;

б) остановите магнит на несколько секунд;

в) удалите магнит из катушки (модуль скорости движения магнита приблизительно одинаков).

3. Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток и каковы его особенности в каждом случае: а) _____ б) _____ в) _____

4. Повторите действия пункта 2 с южным(S) полюсом магнита и сделайте соответствующие выводы: а) _____ б) _____ в) _____

5. Сформулируйте, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

6. Объясните различие в направлении индукционного тока с точки зрения правила Ленца

7. Зарисуйте схему опыта.

8. Начертите схему, состоящую из источника тока, двух катушек на общем сердечнике, ключа, реостата и миллиамперметра ( первую катушку соедините с миллиамперметром, вторую катушку через реостат соедините с источником тока).

9. Соберите электрическую цепь по данной схеме.

10. Замыкая и размыкая ключ, проверьте, возникает ли в первой катушке индукционный ток.

11. Проверьте выполнение правила Ленца.

12. Проверьте, возникает ли индукционный ток при изменении силы тока реостата.

Вывод:

Лабораторная работа № 3

Определение ускорения свободного падения при помощи маятника

Цель работы: вычислить ускорение свободного падения и оценить точность полученного результата.

Оборудование: часы с секундной стрелкой, измерительная лента, шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

Тренировочные задания и вопросы

1. Свободными колебаниями называются _____

2. При каких условиях нитяной маятник можно считать математическим?

3. Период колебаний – это _____

4. В каких единицах в системе СИ измеряются:

а) период [T]= _____

б) частота [ν]= _____

в) циклическая частота[ω]= _____

г) фаза колебаний[ϕ]= _____

5. Запишите формулу периода колебаний математического маятника, полученную Г. Гюйгенсом.

6. Запишите уравнение колебательного движения в дифференциальном виде и его решение.

7. Циклическая частота колебаний маятника равна 2,5π рад/с. Найдите период и частоту колебаний маятника.

8. Уравнение движения маятника имеет вид x=0,08 sin 0,4πt. Определите амплитуду, период и частоту колебаний.

Ход работы

1. Установите на краю стола штатив, у его верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 2-5 см от пола.

2. Измерьте лентой длину маятника: ℓ= _____

3. Отклоните маятник от положения равновесия на 5-8 см и отпустите его.

4. Измерьте время 30-50 полных колебаний (например N=40). t₁ = _____

5. Повторите опыт еще 4 раза (число колебаний во всех опытах одинаковое).

t= _____ t= _____ t= _____ t= _____

6. Вычислите среднее значение времени колебаний.

t,

t t__________ .

7. Вычислите среднее значение периода колебаний.

________ .

8. Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.

опыта

t ,

с

t ,

с

N

T ,

с

ℓ ,

м

∆t ,

с

∆ℓ ,

м

∆q ,

м/с²

q ,

м/с²

1

2

3

4

5

9. Вычислите ускорение свободного падения по формуле: q .

q q__________

10. Вычислите абсолютные погрешности измерения времени в каждом опыте.

∆t₁=|t₁−t|=| |=

∆t₂=|t₂−t|=| |=

∆t₃=|t₃−t|=| |=

∆t₄=|t₄−t|=| |=

∆t₅=|t₅−t|=| |=

11. Вычислите среднюю абсолютную погрешность измерений времени.

∆t == _______

12. Вычислите относительную погрешность измерения q по формуле:

, где = 0,75 см

= _____

13. Вычислите абсолютную погрешность измерения q.

∆q = _____ ∆q = _____

14. Запишите результат в виде q = q± ∆q. q = _____ q = _____

15. Сравните полученный результат со значением 9,8 м/с².

Вывод:

Лабораторная работа № 4

Измерение показателя преломления стекла

Цель работы: вычислить показатель преломления стекла относительно возлуха.

Оборудование: стеклянная пластина, имеющая форму трапеции, источник тока, ключ, лампочка, соединительные провода, металлический экран с щелью.

Тренировочные задания и вопросы

1. Преломление света – это явление _____

2. Почему пальцы, опущенные в воду, кажутся короткими?

3. Почему из скипидара в глицерин свет проходит без преломления?

4. В чем заключается физический смысл показателя преломления?

5. Чем отличается относительный показатель преломления от абсолютного?

6. Запишите формулу закона преломления света.

7. В каком случае угол преломления луча равен углу падения?

8. При каком угле падения α отраженный луч перпендикулярен к преломленному лучу? (n – относительный показатель преломления двух сред)

Ход работы

1. Подключите лампочку через выключатель к источнику тока. С помощью экрана с щелью получите тонкий световой пучок.

2. Расположите пластину так, чтобы световой пучок падал на нее в точке В под некоторым острым углом.

3. Вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее светового пучка поставьте две точки.

4. Выключите лампочку и снимите пластину, очертив ее контур.

5. Через точку В границы раздела сред воздух-стекло проведите перпендикуляр к границе, лучи падающий и преломленный и отметьте углы падения α и преломления β.

6. Проведите окружность с центром в точке В и отметьте точки пересечения окружности с падающим и отраженным лучами (соответственно точки А и С).

7. Измерьте расстояние от точки А до перпендикуляра к границе раздела. α= ____

8. Измерьте расстояние от точки С до перпендикуляра к границе раздела. b= _____

9. Вычислите показатель преломления стекла по формуле.

т.к. n= n= _____

10. Вычислите относительную погрешность измерения показателя преломления по формуле:

, где ∆α = ∆b = 0,15 см. ______ = _____

11. Вычислите абсолютную погрешность измерения n.

∆n = n · ε ∆n = ______ ∆n = _____

12. Запишите результат в виде n= n ± ∆n. n= _____

13. Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.

14. Повторите измерения и вычисления при другом угле падения.

15. Сравните полученные результаты показателя преломления стекла с табличным.

Вывод:

Дополнительное задание

1. Измерьте транспортиром углы α и β.

2. Найдите по таблице sin α=_____, sin β= _____ .

3. Вычислите показатель преломления стекла n= n= _____

4. Оцените полученный результат.

Лабораторная работа № 5

Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы.

Цель работы: определить фокусное расстояние и оптическую силу собирающей линзы.

Оборудование: линейка, два прямоугольных треугольника, длиннофокусная собирающая линза, лампочка на подставке с колпачком, содержащим букву, источник тока, ключ, соединительные провода, экран, направляющая рейка.

Тренировочные задания и вопросы

1. Линзой называется _____

2. Тонкая линза – это _____

3. Покажите ход лучей после преломления в собирающей линзе.

4. Запишите формулу тонкой линзы.

5. Оптическая сила линзы – это _____ D= ______

6. Как изменится фокусное расстояние линзы, если температура ее повысится?

7. При каком условии изображение предмета, получаемое с помощью собирающей линзы, является мнимым?

8. Источник света помещен в двойной фокус собирающей линзы, фокусное расстояние которой F = 2 м. На каком расстоянии от линзы находится его изображение?

9. Постройте изображение в собирающей линзе.

Дайте характеристику полученному изображению.

Ход работы

1 Соберите электрическую цепь, подключив лампочку к источнику тока через выключатель.

2. Поставьте лампочку на один край стола, а экран – у другого края. Между ними поместите собирающую линзу.

3. Включите лампочку и передвигайте линзу вдоль рейки, пока на экране не будет получено резкое, уменьшенное изображение светящейся буквы колпачка лампочки.

4. Измерьте расстояние от экрана до линзы в мм. d=

5. Измерьте расстояние от линзы до изображения в мм. f

6. При неизменном d повторите опыт еще 2 раза, каждый раз заново получая резкое изображение. f, f

7. Вычислите среднее значение расстояния от изображения до линзы.

f f f= _______

8. Вычислите оптическую силу линзы D D

9. Вычислите фокусное расстояние до линзы. F F=

10. Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.

опыта

f·10¯³,

м

f,

м

d,

м

D,

дптр

D,

дптр

F,

м

11. Измерьте толщину линзы в мм. h= _____

12. Вычислите абсолютную погрешность измерения оптической силы линзы по формуле:

∆D = , ∆D = _____

13. Запишите результат в виде D = D± ∆D D = _____

Вывод:

Лабораторная работа № 6

Измерение длины световой волны

Цель работы: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: дифракционная решетка с периодом мм или мм, штатив, линейка с держателем для решетки и черным экраном с щелью посредине, который может перемещаться вдоль линейки, источник света.

Тренировочные задания и вопросы

1. Дисперсией света называется _____

2. Интерференция световых волн – это _____

3. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

4. Дифракционная решетка представляет собой _____

5. Максимумы у дифракционной решетки возникают при условии _____

6. На дифракционную решетку с периодом d=2 мкм нормально падает монохроматическая волна света. Определите длину волны, если k=4.

7. Почему частицы размером менее 0,3 мкм в оптическом микроскопе не видны?

8. Зависит ли положение максимумов освещенности, создаваемых дифракционной решеткой, от числа щелей?

9. Рассчитайте разность хода волн монохроматического света (λ=6·10 м), падающих на дифракционную решетку и образующих максимум второго порядка.

Ход работы

1. Включите источник света.

2. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.

3. Установите экран на расстоянии приблизительно 50 см от решетки.

4. Измерьте расстояние от дифракционной решетки до экрана. α= _____

5. Измерьте расстояние от щели экрана до линии первого порядка красного цвета слева и справа от щели.

Слева: b = _____ справа: b=_____

6. Вычислите длину волны красного цвета слева от щели в экране.

= _____

7. Вычислите длину волны красного цвета справа от щели в экране.

= ______

8. Вычислите среднее значение длины волны красного цвета.

= ______

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

спектре

Расположение

спектра

k

d

α

b

λ

λ

красный

Слева от

щели

Справа от

щели

фиолетовый

Слева от

щели

Справа от

щели

10. Повторите измерения и вычисления для фиолетового цвета.

Вывод:

Эрстед, Ханс Кристиан — это… Что такое Эрстед, Ханс Кристиан?

Вставьте сюда текст, который не нужно форматировать

Ханс Кристиан Э́рстед (дат. Hans Christian Ørsted,(14.8.1777, Рудкебинг, о. Лангеланн — 9.3.1851, Копенгаген) датский учёный, физик, исследователь явлений электромагнетизма.

Ранние годы

Родился 14 августа 1777 г. в маленьком городке Рудкёбинге, расположенном на датском острове Лангеланн. Его отец был аптекарем, денег в семье не было. Начальное образование братья Ханс Кристиан и Андерс получали где придётся: городской парикмахер учил их немецкому; его жена — датскому; пастор маленькой церкви научил их правилам грамматики, познакомил с историей и литературой; землемер научил сложению и вычитанию, а приезжий студент впервые рассказал им о свойствах минералов.

С 12 лет Ханс помогает своему отцу в аптеке. Здесь он заинтересовывается естественными науками и решает поступать в университет.

Учеба в Копенгагенском университете

Университет в столице Дании Копенгагене был основан ещё в 1478 г., но его общеобразовательный уровень была ещё весьма низким. Достаточно сказать, что с начала XVIII века кафедра физики в нём была ликвидирована с целью усилить курс богословия.

В 1794 г. (17 лет) Эрстед в качестве абитуриента выезжает в Копенгаген и целый год готовится к экзаменам, которые затем успешно выдерживает. Его брат последовал за ним в Копенгаген и изучал там юриспруденцию. Во время учёбы Эрстед занимается практически всеми возможными дисциплинами. За эссе «Границы поэзии и прозы» ему была присуждена Золотая медаль университета.

Он предпочитал разносторонность профессионализму. Следующая его работа, также высоко оценённая, была посвящена свойствам щелочей, а блестяще защищённая диссертация, за которую он в 1798 году (едва закончив обучение) получил степень доктора философии, была посвящена медицине. По другой версии, степень доктора философии он (без защиты) получил за свой первый опубликованный труд «Метафизические основы естествознания Канта».

По окончании 3-летнего обучения в университете Эрстед получает звание фармацевта высшей ступени. Физику и химию, фундаментальные предметы для естествоиспытателя науки, преподавал в университете по совместительству профессор медицины.

Выпускник-фармацевт устраивается временным управляющим одной из столичных аптек, но желание заниматься преподаванием приводит его к должности адъюнкта (младшая ученая должность в академиях и в вузах; помощник академика или профессора.) при университете. Ему поручается чтение двух лекций в неделю без оплаты труда. Следовательно, он вынужден был продолжать работать в аптеке. Эта работа хоть и отвлекала от науки, но позволяла использовать оборудование аптеки в качестве исследовательской лаборатории.

Три года преподавания в университете не проходят даром. Старательный адъюнкт был замечен начальством и отправлен в заграничную командировку для повышения научной квалификации. Сначала Германия, где произошла встреча командированного учёного с человеком, талант и ум которого оказал глубокое влияние на его научные интересы. Речь идёт о «гениальном фантазёре» и сумасброде, неординарном физике и химике Иоганне Вильгельме Риттере, принципиальном стороннике натурфилософии Шеллинга, идеи которой заключались в том, что будто бы все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Эти положения и заинтересовали Эрстеда. Вот что он писал: «Моё твёрдое убеждение, что великое фундаментальное единство пронизывает природу. После того как мы убедились в этом, вдвойне необходимо обратить наше внимание на мир разнообразия, где эта истина найдёт своё единственное подтверждение. Если мы не сделаем этого, единство само по себе становится бесплодным и пустым рассуждением, ведущим к неправильным взглядам».

Затем Париж, где он слушает лекции учёных первой величины — физика Шарля, химика Бертолле, естествоиспытателя Кювье. Большое впечатление на молодого учёного производят студенческие лаборатории Парижской политехнической школы — ведь тогда в Дании таких не было. И вот его вывод: «Сухие лекции без опытов, какие читают в Берлине, не нравятся мне.

В 1804 г. Эрстед возвращается в Данию. Но с работой в университете у него не все ладилось. Он не мог рассчитывать на государственную оплачиваемую должность. Однако после того как Эрстеду было поручено ведать коллекцией физических и химических приборов, принадлежащих королю он решается читать частные лекции по физике и химии.

«Мои лекции по химии, — писал начинающий лектор, — привлекают столько слушателей, что не все могут поместиться в аудитории». Именно этими лекциями Эрстед доказал администрации университета своё право на оплачиваемую штатную должность. В 1806 г. он становится профессором физики, в функции которого входила обязанность экзаменовать кандидатов по философии, а также преподавать физику и химию студентам-медикам и фармацевтам. «Отныне, — писал уже штатный профессор, — я получил привилегию основать физическую школу в Дании, для которой я надеюсь найти среди молодых студентов много талантливых людей». После этого назначения физика была признана полноправной дисциплиной в Копенгагенском университете.

В 1812 Эрстед снова выезжает за границу — в Берлин и Париж. И там он пишет работу «Исследование идентичности электрических и химических сил». Эта работа свидетельствует о том, что автор продолжает руководствоваться своей философской концепцией. С 1815 г. Эрстед — непременный секретарь Датского королевского общества.

История открытия

Главное открытие Эрстеда — теоретическое обоснование существования электромагнитных волн. История этого открытия, совершенного зимой 1819—1820 учебного года (в одних источниках — 15 февраля, в других — ещё в декабре) включает в себя два варианта событий:

Эрстед на лекции в университете демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую, или, как тогда говорили, гальваническую цепь. На демонстрационном столе находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов (здесь показания свидетелей расходятся — говорят, это был аспирант, а то и вовсе университетский швейцар) случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Однако существует мнение, что Эрстед заметил отклонение стрелки сам.

В пользу стороннего наблюдателя говорит то, что, во-первых, сам Эрстед был занят манипуляциями скручивания проводов, к тому же вряд ли бы он, много раз проводивший такой опыт, стал живо интересоваться его ходом.

Однако предыдущие исследования Эрстеда и его увлечённость концепцией Шеллинга говорят об обратном. В некоторых источниках даже указывается, что Эрстед якобы всюду носил с собой магнит, чтобы непрерывно думать о связи магнетизма и электричества. Возможно, это вымысел, призванный упрочить позицию Эрстеда как первооткрывателя. В самом деле, если был так озабочен проблемой, почему не попытался раньше целенаправленно поставить опыт с электрической цепью и компасом? Ведь компас — одно из наиболее очевидных практических использований магнита. Тем не менее, нельзя отрицать, что над проблемой связи электричества и магнетизма он задумывался, как впрочем, и над проблемами связи других явлений, между которыми никакой связи не было (напомним, он был приверженцем концепции Шеллинга).

Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта, а затем стал их менять. И обнаружил следующее: «Если расстояние от проволоки до стрелки не превосходит 3/4 дюйма, отклонение составляет 45°. Если расстояние увеличивать, то угол пропорционально уменьшается. Абсолютная величина отклонения изменяется в зависимости от мощности аппарата». (Используя данное сообщение, А. М. Ампер вскоре предложит на его принципе магнитоэлектрический гальванометр, роль которого в развитии электрической науки трудно переоценить.)

Дальше начались вообще чудеса. Экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И о чудо! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток.

Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического».

Когда соединительную проволоку Эрстед ставил вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на неё, а располагалась как бы по диаметру окружности с центром по оси проволоки. Исследователь предложил считать действие проволоки с током вихревым, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.

Публикации и признание

Уже в июне 1820 Эрстед печатает на латинском языке небольшую работу под заголовком: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».^[1] В ней учёный пишет резюме: «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут. Именно потому, что контур оставался разомкнутым, не увенчались успехом попытки такого же рода, сделанные несколько лет тому назад известными физиками».

В этой же работе он пытается выработать правило, с помощью которого можно было бы заранее определить направление магнитного действия сил, возникающих в проводнике при прохождении по нему электрического тока. Вот это правило: «Полюс, который видит отрицательное электричество входящим над собой, отклоняется к западу, а полюс, который видит его входящим под собой, отклоняется к востоку».

Опыты Эрстеда ставили науку в затруднительное положение. Из экспериментов следовало, что сила, действующая между магнитным полюсом и током в проводнике, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. перпендикулярно. Этот факт подвергал сомнению всю ньютонианскую систему построения мира. Это почувствовали переводчики, переводившие на французский, итальянский, немецкий и английский языки латинский текст датского учёного. Зачастую, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечаниях латинский оригинал.

После своего открытия Эрстед стал всемирно признанным учёным. Он был избран членом многих наиболее авторитетных научных обществ: Лондонского Королевского общества и Парижской Академии. В частности в 1830 г. его избрали почетным членом Петербургской академий наук. Англичане присудили ему медаль за научные достижения, а из Франции он получил премию в 3000 золотых франков, когда-то назначенную Наполеоном для авторов самых крупных открытий в области электричества. Он продолжил заниматься наукой — в 1822-23 независимо от Ж. Фурье открыл термоэлектрический эффект и создал первый термоэлемент. Изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрёл пьезометр (устройство, служащее для измерения изменения объёма веществ под воздействием гидростатического давления), пытался обнаружить электрические эффекты под действием звука. Занимался также молекулярной физикой, в частности, изучал отклонения от закона Бойля — Мариотта.

Эрстед обладал не только научным, но и педагогическим талантом, вёл просветительскую деятельность: в 1824 создал Общество по распространению естествознания, в 1829 стал директором организованной по его инициативе Политехнической школы в Копенгагене. Умер Эрстед в Копенгагене 9 марта 1851. Его хоронили как национального героя.

Интересные факты

В сказке «Два брата» Х. К. Андерсен писал про знаменитых братьев Ханса Кристиана и Андерса Эрстедов.

См. также

Примечания

4 октября. Календарь памятных и знаменательных дат Сахалина и Курил

Всемирный день животных

Международный день врача

Всемирный День архитектора [1992]

Запущен первый искусственный спутник Земли [1957]

День Космических войск

День гражданской обороны МЧС России

В Южно-Сахалинске открыли первую на острове газовую заправку [2016]

Родился Отто Куусинен, один из основателей финской компартии [1881]

Отто Куусинен (1881 — 17. 5.1964), секретарь исполкома Коминтерна, видный советский государственный и партийный деятель, академик.

Родился Андрей Гречко, Дважды Герой Советского Союза [1903]

Андрей Гречко (1903 — 1976), Маршал Советского Союза.

Родился Кэнити Фукуи, химик [1918]

Нобелевская премия по химии, 1981 г. совместно с Роалдом Хофманом.

Родился Евгений Касперский, руководитель антивирусных исследований «Лаборатории Касперского» [1965]

Всемирный день Хабитат

Фестиваль Святого Петроньо (Болонья, Италия)

Октябрь

Открылась горнопромышленная школа строителей в г. Южно-Сахалинске [1951]

Завершено строительство учебного корпуса и учебно-производственных мастерских Южно-Сахалинского государственного педагогического института и проведен митинг, посвященный открытию нового здания института [1961]

Вступила в действие линия электропередачи Сахалинская ГРЭС – Южно-Сахалинск [1966]

Создано Сахалинское отделение Всероссийского хорового общества в Южно-Сахалинске [1966]

Здание Сахалинского обкома КПСС передано областному суду [1991]

При Южно-Сахалинском государственном педагогическом институте организован Восточный факультет с изучением японского и корейского языков [1991]

Электромагниты создают сильные магнитные поля

В 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед (1777-1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Однако магнитное поле отдельного проводника очень слабое. Наиболее сильным магнитным действием обладает проводник с током, свернутым в виде спирали, если в нее вставлен стальной сердечник. Катушка со стальным сердечником получила название электромагнита.

Электромагниты создают сильные магнитные поля. Первый электромагнит был изготовлен в 1825 г. английским изобретателем Уильямом Стердженом (1783-1850). Он имел вид подковы из мягкого железа, на который был намотан изолированный медный провод. С помощью этого электромагнита, подключавшегося к химическому источнику тока, поднимали до трех килограммов железа.

Более мощные подковообразные электромагниты сконструировал американский физик Джозеф Генри (1797-1878) в 1828 г., применив многослойную обмотку из изолированной проволоки, обеспечивая грузоподъемность до одной тонны. В настоящее время электромагниты могут поднимать груз от долей грамма до сотен тонн, потребляя электрическую мощность от долей ватт до десятков мегаватт.

Используются электромагниты очень широко и имеют различные размеры (муфты сцепления, тормоза, выключатели, электрические машины, измерительные приборы и т.д.). Например, электромагнит Серпуховского ускорителя протонов длиною 1320 м состоит из 120 блоков общим весом 20 тыс. т. Несмотря на конструктивное разнообразие, все электромагниты состоят из следующих основных частей: катушки с токопроводящей обмоткой, намагничивающегося сердечника и якоря, передающего усилие деталям механизма.

Для снижения потерь энергии на нагревание сердечники выполняют из набора листов специальной стали. Подъемная сила электромагнита равна силе, которая необходима для отрыва от электромагнита притянутого им куска стали. Она определяется числом витков катушки, силой тока проходящего по катушке, магнитными свойствами сердечника.

Электромагнит нашел широкое применение в устройстве электромагнитного реле (термин реле происходит от французского геlауег — сменять, заменять), которое построил впервые американский физик Джозеф Генри. Первоначально реле предназначалось для усиления сигнала электротелеграфа. Линия связи делилась на несколько участков, в конце каждого из них помещался электромагнит с подвижным якорем и контактами, позволяющими подключить новый участок линии связи с более мощным источником тока. Это была как бы «перепряжка» тока в пути — по аналогии с конной почтой, когда на промежуточных станциях происходила смена лошадей.

Электромагнитное реле представляет собой электромеханический прибор, реагирующий на изменение величины или направления какого-либо параметра и позволяющий включать и выключать электрические устройства соответствующих участков электрической цепи. Реле широко применяется в системах автоматики, телеуправления, в аппаратах связи и т.п.

Разновидностью реле являются электромагнитные контакторы, которые предназначены для дистанционного включения и отключения электрических цепей, рассчитанных на сравнительно большее значение силы тока (например, для управления работой мощных электродвигателей троллейбусов, электрооборудования кранов и т. д.).

Контактор состоит из подвижных и неподвижных контактов и электромагнита, замыкающего контакты при прохождении тока по обмотке его катушки.

На рис. справа показана конструктивная схема однополюсного контактора. Контактор устанавливается на изоляционной панели 1. Он состоит из катушки 2 со стальным сердечником 3, подвижного якоря 4, силовых контактов 5, а также дугогасительной камеры и системы блокировочных контактов (нормально открытых и нормально закрытых).

Силовые контакты рассчитаны на включение и выключение значительных токов (десятки и сотни ампер). Блокировочные контакты используются для различного рода переключений в цепях управления и рассчитаны на относительно небольшую силу тока (доли и единицы ампера).

Если катушку электромагнита включают в цепь источника тока, то якорь контактора притягивается к сердечнику и замыкает силовые контакты. Одновременно с этим замыкаются нормально открытые и размыкаются нормально закрытые контакты.

При отключении катушки электромагнита главные и блокировочные контакты возвращаются в исходное положение. В зависимости от числа контактных пар различают одно-, двух- и трехполюсные контакторы.

Управление контактором производят с помощью кнопочной станции (рис. слева), состоящей из двух кнопок

«Пуск» (черная) и «Стоп» (красная).

Кнопка «Пуск» в начальном положении разомкнута, а кнопка «Стоп» — замкнута.

Кнопки соединены с металлическими пластинками 1, на которых установлены подвижные контакты 2. При нажатии кнопки «Пуск» неподвижные контакты 3 замыкаются, а при отпускании пружина 4 возвращает кнопку и контакты в исходное положение. При нажатии кнопки «Стоп» неподвижные контакты 3 размыкаются, а при отпускании кнопки они вновь замкнутся.

Контактор вместе с кнопочной станцией представляет собой магнитный пускатель, применяемый для управления работой станков и других электротехнических устройств.

История электродвигателя. Постоянный ток | ЗАО «МПО Электромонтаж»

В 1831 г. профессор Британского Королевского института Майкл Фарадей и, независимо от него, профессор американской академии в Олбани Джозеф Генри открыли явление электромагнитной индукции. Они демонстрировали опыты вращения проводника вокруг магнита или вращения магнита вокруг проводника, и всегда, когда происходило изменение сцепленного с электрическим контуром потока индукции магнитного поля, возникал электрический ток.

Сегодня мы понимаем, что это был не просто физический эксперимент, а наглядная иллюстрация принципиальной возможности построения электродвигателя, начало его истории. Чуть-чуть предыстории. В 1820 г. X. Эрстед установил связь магнитного поля с порождающим его током, Д. Ф. Араго обнаружил намагничивание проводника протекающим по нему током и усиление этого эффекта при замене линейного проводника спиралью — соленоидом, в 1821 г. Ж. Б. Био и Ф. Савар установили закон действия тока на магнит, в 1827 А. Ампер разработал теорию электродинамики на основе электрической природы магнетизма. Интересен практический момент этой предыстории: в 1824 г. в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений» описывалось «колесо Барлоу»: два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, к соприкасались с ванночками, наполненными ртутью, и находились между полосами постоянных магнитов. При пропускании токов через колеса они начинали вращаться.

В 1833 г. англичанин У.?Риччи создал первый прообраз современного электродвигателя постоянного тока (все тогдашние потребители питались исключительно постоянным током, поскольку он был наиболее изучен). Магнитное поле в нём создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси вращался электромагнит.

В том же 1833 г. американский кузнец Томас Дэвенпорт сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, в 1837 году получил патент на электро-магнитную машину.

Незадолго до этого он, из природного технического любопытства, приобрёл разработанный Дж. Генри электромагнит (использовавшийся для выделения железной руды), изготовил собственные и начал с ними экспериментировать. Один электромагнит закрепил на колесе, другой на неподвижной раме, при их взаимодействии колесо совершало пол-оборота. Дэвенпорт придумал устройство типа щёток и коммутатора для переключения полярностей магнита на колесе — и оно стало вращаться без остановки.

Свой электромотор Т. Дэвенпорт поставил на модель «электровоза» (сейчас так называется), двигавшегося от гальванического элемента по круговой дорожке диаметром 1,2 м.

Сам же Дж. Генри пошёл другим путём. В его машине использовано притяжение разноименных и отталкивание одноименных полюсов для получения непрерывного качательного движения — электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность его модели — 0,044 Вт. Петербургский академик Б. С. Якоби отозвался о нём так: «такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов, его нельзя будет применять в большом деле с какой-нибудь экономической выгодой.

В 1834 г. Якоби построил собственный электродвигатель. Он действовал на принципе притяжения и отталкивания между двумя группами П-образных электромагнитов, одна из которых располагалась на неподвижной раме, у них положительная и отрицательная полярности шли попеременно. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого, к ним отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном, а в обмотках электромагнитов вращающегося диска направление тока изменялось восемь раз за один оборот — и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

В 1837 г. Якоби установил на бот, вмещающий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, комбинацию 40 небольших электродвигателей, объединенных по 20 штук, на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине. Для питания использовались гальванические элементы. Он ходил несколько часов против течения, при сильном противном ветре, и стал важным свидетельством приоритета России на этом направлении развития электротехники. Однако при питании двигателей от гальванических батарей механическая энергия оказалась чрезмерно дорогой, и Якоби пришел к важному выводу: применение электродвигателей требует создания экономичного генератора, работающего от первичного теплового мотора — но это случилось позже.

Некоторые модели 40—60 х годов ХIХ в., например электродвигатель Бурбуза, действовали на принципе втягивания в соленоид стального сердечника. Его возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Мысль изобретателя явно находилась в плену кинематических особенностей работы паровых машин и развития не получили.

В 1860 г. итальянский ученый Антонио Пачинотти изобрёл электродвигатель, в котором в магнитном поле электромагнитов на вертикальном валу вращался якорь в форме стального кольца с латунными спицами и зубцами (уменьшавшими магнитное сопротивление и облегчавшими крепление обмотки.

У многих конструкций с вращательным движением вращающий момент на валу был резко пульсирующим. В этом двигателе получался практически постоянный по величине вращающий момент, габариты были невелики по сравнению другими моделями равной мощности. Пачинотти сделал следующий важный шаг к созданию современной машины постоянного тока, и к тому же предложил удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа. Он также предположил возможность обращения своего двигателя в генератор. Тем не менее, двигатель распространения не получил из-за, опять же, отсутствия экономичного генератора электроэнергии.

Двигатели постоянного тока совершенствуются и по сей день, но получили ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в массовом производстве электромоторы на переменном токе, об истории которых мы расскажем в следующем номере.

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция — Энергетика: история, настоящее и будущее

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция

Как правило, начиная со времен Гильберта ученые стали выводить законы природы из своих экспериментов. Так как никакой связи между магнитом и заряженным проводником не замечалось, то долгое время считалось, что никакой связи между электрическими и магнитными явлениями не существует. Поэтому, когда в 1802 году итальянский физик Джованни Романьози (1761–1835) заметил, что находящаяся вблизи проводника, по которому течет ток, магнитная стрелка изменяет свое направление, то он совершенно не оценил значения своего наблюдения.

В 1883 году в Вене проводилась электрическая выставка. На ней датчане выставили маленький компас. Незаметная вещь лежала в стороне от основного потока посетителей. А по справедливости следовало бы этот компас поместить в центр выставки, так как от него берет свое начало вся электротехника.

Вторично в начале 1820 года первооткрыватель электромагнетизма датский физик Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле.

На одной из своих лекций по физике он решил продемонстрировать студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из слушателей, Эрстед был совершенно ошарашен, увидев, как магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Эрстед сумел отказаться от своих прежних воззрений (и это является его большой заслугой) и случайное наблюдение принять за экспериментально установленный факт.

Соединив длинным проводом полюсы гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно подвешенной свободно магнитной стрелке. Как только включали ток, стрелка немедленно отклонялась, стремясь стать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону (рис. 6.5, 6.6). Своими опытами Эрстед доказал, что ток производит в окружающем его пространстве маг- нитное действие. Результаты исследования Эрстед изложил в своем знаменитом мемуаре «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку». В этой работе «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) известен своими трудами по электричеству, акустике, молекулярной физике. Поступив в Копенгагенский университет, он изучает медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. В 1806 году становится профессором Копенгагенского университета. 

Эта небольшая, всего в пять страниц, работа Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской академии наук Араго, который по возвращении на заседании академии показал опыт Эрстеда, где его впервые увидел Андре Ампер. До конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное «магнетизмом вращения», долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Позднее оно послужило основой многих практических изобретений и, в частности, электродвигателя переменного тока.

Открытие взаимодействия между током и магнитом было важным шагом на пути утверждения идеи единства сил природы и стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента. Ведь по отклонению магнитной стрелки можно было судить о силе проходящего вблизи нее электрического тока.

Сообщение Эрстеда поразило его современников. Каждый, кто имел в своем распоряжении компас и простейший источник тока, стремился собственными глазами увидеть загадочное отклонение магнитной стрелки. В августе 1820 года еще относительно молодой и не вполне опытный, но ставший впоследствии великим, английский физик Майкл Фарадей повторил эти опыты, убедившись, что Эрстед прав: протекание тока в проводе неизбежно вызывало отклонение размещенной поблизости магнитной стрелки. Но правильно истолковать результаты опытов Эрстеда было суждено не Фарадею, а французскому физику Андре Амперу, узнавшему об опытах Эрстеда на месяц позже Фарадея. Этот «докучливый умник Ампер» опередил всех, создав всего за две недели свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества.

Рис. 6.5. Эрстед демонстрирует отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока (по рисунку Р.Шторха)

Рис. 6.6. Отклонение магнитной стрелки под действием тока

В том же 1820 году Ампер выступает с сообщением о новом явлении – взаимодействии двух проводников, по которым течет ток, и устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера). В этом сообщении ученый делает вывод, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.

В течение очень короткого времени он выполнил ряд важных исследований, блестяще подтверждавших его мысли. Позднее все полученные результаты были систематизированы Ампером в его книге «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», опубликованной в 1826 году.

Андре Мари Ампер (1775–1836) Проводя детство и отрочество в поместье своего отца, Ампер основательно изучил все 20 томов энциклопедического словаря, издававшегося Д’Аламбером и Дидро. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики – дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию! Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток» и даже… «кибернетика».

Ампер не только догадался, что при изучении магнитного взаимодействия нужно прежде всего исследовать взаимодействие электрических токов, но сам тут же занялся экспериментальными исследованиями этого взаимодействия. В частности, Ампер экспериментально установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током (сила Ампера), пропорциональна длине проводника, величине тока, проходящего по нему, и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки, в соответствии с которым необходимо расположить левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входил бы в ладонь перпендикулярно. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом в плоскости ладони, будет указывать направление вектора силы Ампера.

Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током. «Всякий проводник с током, – писал Ампер, – создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого образуют круги, концентричные относительно средней линии проводника и лежащие в плоскостях, нормальных к элементам проводника». Магнитное действие электрического тока еще более усиливается, когда проводящая проволока скручена в несколько параллельных колец, изолированных друг от друга. Такую форму проводника Ампер предложил назвать соленоидом.

Соленоид Ампера (рис. 6.7) представляет собой полное подобие магнита. Поместив его концы S 1 и S 2 в сосуды с ртутью таким образом, чтобы весь соленоид мог свободно вращаться вокруг вертикальной

оси, проходящей через S 1 и S 2, и, пропустив через него ток, Ампер установил, что он, как обыкновенный магнит, установится по осевому направлению в плоскости магнитного меридиана. Если приблизить к соленоиду магнит, то одним концом соленоид будет к нему притягиваться, а от другого отталкиваться, причем направление притягивания и отталкивания зависит от направления тока в соленоиде.

Рис. 6.9. Электромагнит

Рис. 6.7. Соленоид Ампера

Рис. 6.8. Соленоид с железнім сердечником

Установленное Ампером соотношение между током и магнитом навело его на мысль искать причину магнетизма в возникновении молекулярных гальванических токов, обтекающих каждую частицу магнитного тела. Металлический стержень, будучи помещен внутрь спирально скрученной изолированной проволоки (рис. 6.8), значительно увеличивает действие последней на магнит или на другой проводник с током. Сам стержень при этом также намагничивается, образуя южный и северный полюсы. По правилу, установленному Ампером, северный полюс образуется на том конце стержня, который будет слева у наблюдателя, перемещающегося по направлению тока и обращенного лицом к магнитному стержню. Следуя этому правилу, можно определить, что у стержня на рис. 6.8 южный полюс будет находится слева, а северный – справа.

Экспериментируя с различными материалами, Ампер установил, что мягкое железо теряет весь магнетизм сразу после прекращения тока, а сталь, наоборот, сохраняет магнитные свойства долгое время после прекращения тока. Еще лучший

эффект достигается с использованием электромагнитов – железных стержней, окруженных проволочной спиральной обмоткой, по которой пропускается электрический ток (рис. 6.9).

Пока продолжается циркуляция тока, им можно пользоваться как обыкновенным магнитом. При этом ток должен быть пропущен в направлении, указанном стрелками. Сила магнита возрастает с увеличением числа витков обмотки и величины протекающего по ней тока. На рис. 6.10 представлен один из образцов промышленных электромагнитов, представляющих собой два вертикальных железных цилиндрических сердечника, укрепленных на горизонтальном железном основании. Каждый из сердечников окружен тремя обмотками с отдельными выводами, благодаря которым можно применять последовательное, параллельное или смешанное соединение обмоток.

Рис. 6.10. Промышленный электромагнит

Явление электромагнетизма было совершенно новой областью, которой начали заниматься физики-исследователи. Наиболее выдающиеся открытия в этой области выпали на долю знаменитого английского физика Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей (1791–1867) «Сын кузнеца, подмастерье переплетчика в своей ранней юности, – писал о Фарадее известный русский физик А.Г. Столетов, – Фарадей кончил жизнь членом всех ученых обществ, бесспорно признанным главой физиков своего времени. Никогда со времен Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».

В 1831 году на лекции в Королевском институте английский физик Майкл Фарадей объясняет открытое им явление электромагнитной индукции. Ученый ясно представляет практическую значимость своего открытия. На вопрос будущего премьер-министра Гладстона, присутствовавшего при объяснении, «Какая же в конце концов от всего этого польза?» Фарадей с достоинством ответил: «Сэр, не лишено возможности, что ещё при моей жизни из всего этого вы будете извлекать налоги». Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных сегодня. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить еще на 9 лет раньше. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы! Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика…

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло и, наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставил перед собой и Ампер в Париже, но он вскоре решил, что задача безнадежна.

Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат – через 11 лет после опытов Эрстеда. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в отдельную комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания железного сердечника в катушку, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, перейдя в соседнюю комнату, убеждался в том, что «никакого эффекта нет». Фарадей же работал с ассистентом. Можно снова и снова повторять: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!».

Исследования Ампера доказали, что катушка, по которой шел ток от гальванической батареи, обладает свойствами магнита. И Фарадей понял, что задача «превратить в электричество магнетизм» уже решена. Он взял железное кольцо, обмотал его в двух местах медной проволокой, изолированной от кольца, одну обмотку включил в цепь с гальваническим источником, а другую соединил с гальванометром. В момент, когда он пускал ток по одной обмотке, магнитная стрелка гальванометра внезапно отклонялась. Значит, в соединенной с ним обмотке проходил в этот момент ток. Фарадею удалось даже впервые получить искру индукционного тока, сблизив концы проволоки разомкнутой обмотки.

В результате опытов Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике под действием электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила (э. д.с.), вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Он первым ввел представление о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле как физическую реальность. Наведенная э.д.с. меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведенная э.д.с. прямо пропорциональна скорости движения проводника и количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Таким образом, опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в постоянном магнитном поле. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Правильно поняв открытое им явление, Фарадей поставил другой решающий опыт. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к периферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску в центре и на окружности, ток отводился во внешнюю цепь. Так Фарадей осуществил «превращение магнетизма в электричество».

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению закона о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832 г. русским академиком Э.Х. Ленцем. Он давал возможность предсказывать направление наведенного тока и, кроме того, позволил Ленцу установить важный для электротехники принцип – обратимость генераторного и двигательного режимов электрической машины.

Исследования М. Фарадея и работы Э. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен современный генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока и активно используется человечеством в настоящее время.

Генераторы электрического тока на заводе, расположенном в маленьком городе Йолотан, в современном Туркменестане на реке Мургаб. На турбинах видны метки, указывающие на то, что они были произведены в Венгрии (из наследия Сергея Михайловича Прокудина-Горского, ок.1907–1915. Цифровое цветное изображение. Отдел эстампов и фотографий, библиотека Конгресса США).

Ганс Кристиан Эрстед — Биография, факты и изображения

Жил 1777 — 1851.

Ганс Христиан Эрстед начал новую научную эпоху, когда он обнаружил, что электричество и магнетизм связаны. Он экспериментально показал, что электрический ток, протекающий по проволоке, может перемещать ближайший магнит. Открытие электромагнетизма заложило основу для окончательного развития нашего современного мира, основанного на технологиях. Эрстед также открыл химическое соединение пиперин и впервые выделил элемент алюминий.

Объявления

Начало

Ганс Христиан Эрстед (по-датски Орстед) родился в небольшом городке Рудкёбинг на острове Лангеланд, Дания, 14 августа 1777 года. Его отцом был фармацевт Серен Кристиан Эрстед, а матерью — Карен Хермандсен.

Ганс и его младший брат Андерс получили образование в сочетании с домашним обучением и с частными репетиторами — немецкий мастер по изготовлению париков научил братьев бегло говорить по-немецки. Андерс стал премьер-министром Дании.

• В 12 лет Ханс начал помогать в аптеке своего отца и заинтересовался химией.
• В 16 лет он сдал вступительный экзамен в Копенгагенский университет.
• В возрасте 19 лет, в 1796 году, он получил диплом по фармакологии.
• В возрасте 22 лет в 1799 году он получил степень доктора философии. Сегодня большинство наград Ph.D. (Доктор философии) не предназначены для исследования философии, но Ганс Христиан Эрстед — философия природы Иммануила Канта. Как мы увидим, это помогло сформировать его взгляд на мир.

Срок службы Эрстеда в контексте

Время жизни Эрстеда и время жизни ученых и математиков, связанных с ним.

Наука Ганса Христиана Эрстеда

К 1800 году Эрстед был менеджером аптеки. В этом году началась научная революция. Алессандро Вольта объявил подробности о своей батарее, открыв новую территорию для химиков и физиков: батарея Вольта впервые позволила им производить постоянный поток электричества, и, к счастью, материалы, необходимые для ее изготовления, были легко получены.

Эрстед погрузился в новую науку и в 1801 году опубликовал научную статью с описанием изобретенной им новой батареи. Он также описал, как рассчитать количество протекающего электрического тока, измерив скорость производства газа, когда электричество расщепляет воду на водород и кислород.

Датское правительство финансировало Эрстеда для продолжения его образования в других европейских странах — он провел 1801–1803 годы в Германии и Франции.

В Германии на него повлияли идеи философа Фридриха Шеллинга, который считал, что вся природа едина.В целом Шеллинг считал, что ученые должны стремиться найти теорию, лежащую в основе всей природы, а не использовать эксперименты для изучения отдельных частей природы.

Фридрих Шеллинг, 1775 — 1854 гг.

Верке, III

Эрстед впитал большую часть философии науки Шеллинга, но не согласился с его пренебрежением к экспериментальной работе — поскольку фармацевт Эрстед узнал, насколько мощным может быть инструмент для экспериментов. Однако он разделял энтузиазм Шеллинга по поводу единства природы.

Ганс Кристиан Эрстед

Materialen zu einer Chemie des Neunzehnten Jahrhunderts, 1803

В немецком городе Йена Эрстед познакомился и подружился с немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером.Их разделял общий интерес к электричеству. Риттер также с энтузиазмом относился к философии Шеллинга о глубинной гармонии природы — в частности, он был убежден, что электричество и магнетизм тесно связаны.

Профессор Эрстед, педагог

После того, как он вернулся из путешествия, датское правительство профинансировало Эрстеда на продолжение его исследовательской работы. В 1806 году в возрасте 29 лет он стал профессором физики Копенгагенского университета. Он был отличным лектором, и на его классы стекались студенты. Иногда он читал лекции по пять часов в день — очень тяжелая нагрузка. Помимо чтения лекций, он основал физико-химические лаборатории для исследований и обучения.

Открытие электромагнетизма

Знаменитый эксперимент Эрстеда, показывающий, что электричество и магнетизм связаны, состоялся во время лекции 21 апреля 1820 года, когда Эрстеду было 42 года.

В эксперименте он пропускал электрический ток через провод, который заставлял находящуюся рядом стрелку магнитного компаса двигаться.

Эрстед держит провод над магнитной иглой, опирающейся на шарнир. Игла отклоняется, когда по проволоке течет электрический ток.

Оригинальные записи Эрстеда. Он показывает, как электрический ток, протекающий по проводу, заставляет находящуюся рядом намагниченную стрелку компаса вращаться.

В течение следующих нескольких месяцев Эрстед провел еще несколько экспериментов, обнаружив, что электрический ток вызывает круговой магнитный эффект вокруг себя.

Эрстед показал, что электрический ток вызывает круговой магнитный эффект вокруг себя.

Эрстед объявил о своем открытии 21 июля 1820 года в статье, состоящей из четырех страниц на латыни, которая вскоре была переведена на большинство основных европейских языков. Статья Эрстеда на английском языке называлась « Эксперименты по воздействию электрического тока на магнитную иглу» .

К сентябрю 1820 года Франсуа Араго демонстрировал электромагнитный эффект научной элите Франции во Французской академии, что почти сразу же привело Андре-Мари Ампера к следующим шагам в истории электромагнетизма.

Подобно тому, как изобретение Вольта батареи открыло новые горизонты в физике и химии, открытие Эрстедом связи между электричеством и магнетизмом произвело революцию в физике, которая привела нас в наш нынешний цифровой мир.

Йохан Георг Форххаммер, 1794 — 1865

Химик и геолог

Награды

Британское королевское общество наградило Эрстеда медалью Копли 1820 года, высшей наградой в области науки, за открытие электромагнетизма. Предыдущими победителями были Бенджамин Франклин и Алессандро Вольта. Французская академия прислала Эрстеду 3000 золотых франков.

Первым был Эрстед?

Иногда утверждают, что электромагнетизм на самом деле открыл итальянский юрист (и энтузиаст физики) Джан Доменико Романьози.

В 1802 году две итальянские газеты опубликовали сообщения из Романьози о том, как магнитная стрелка отклонялась от батареи, которую он построил.

Сегодня, глядя на его метод, становится ясно, что эксперимент Ромагнози не включал полную электрическую цепь, поэтому электрический ток не мог течь. Без тока не могло быть электромагнитного воздействия.

В эксперименте Ромагнози игла, вероятно, отклонялась из-за накопления на игле статических электрических зарядов, которые двигались в результате взаимного отталкивания одинаковых электрических зарядов.

Итак, Эрстед был первым.

Химия Эрстеда и выделение алюминия

Эрстед, будучи профессором физики, с его фармакологическим образованием увлекался химией.

Сначала он отверг концепцию Антуана Лавуазье об использовании химических элементов как средства рационализации и понимания химии. Эрстед хотел чего-то большего, что соответствовало бы идеям Фридриха Шеллинга «все должно подчиняться единому закону природы».

Он также стремился закрепить химию в идеях философа Иммануила Канта, работы которого он с энтузиазмом изучал для своей докторской диссертации. Кант считал, что материя может быть разделена до бесконечности (то есть не существует атомов) и что вся материя построена из двух фундаментальных противоположных сил, которые находятся в равновесии друг с другом.

На какое-то время это привело молодого профессора Эрстеда к продвижению фантастических теорий венгерского химика Якоба Йозефа Винтерла, который считал, что всю химию можно понять с помощью противодействующих сил двух веществ — Андрония, (принцип кислотности) и Thelycke (принцип щелочности). Винтерл считал, что эти вещества более фундаментальны, чем элементы.

 «Ганс Кристиан Эрстед». Известные ученые. famousscientists.org. 26 сентября 2015 г. Web.
. 

 "Андре-Мари Ампер". Известные ученые. famousscientists.org. 1 октября 2015 г. Web.
.