Открытие электромагнитной индукции

Магнитная стрелка

Зачастую для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку (рисунок 2).

Рисунок 2. Магнитная стрелка

• Она имеет два полюса: северный (обозначается буквой $N$, окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой $S$, окрашен в красный цвет)
• Также у нее имеется ось — линия, соединяющая полюсы

Такая стрелка является основной частью любого компаса. Его функционирование возможно, так как наша планета обладает собственным магнитным полем.

{"questions":,"answer":}}}]}

В ходе опытов магнитную стрелку обычно помещают на острие (конец иглы или булавки). Так она сможет свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости (рисунок 3).

Рисунок 3. Использование магнитной стрелки

Правило Буравчика

Расположим рядом с проводником несколько магнитных стрелок и пустим в проводнике ток — стрелки сориентируются в магнитном поле проводника (рис. 3.1, а). Северный полюс каждой стрелки укажет направление вектора индукции магнитного поля в данной точке, а значит, и направление магнитных линий этого поля.

С изменением направления тока в проводнике изменится и ориентация магнитных стрелок (рис. 3.1, б). Это означает, что направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Рис. 3.1. Определение направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током с помощью магнитных стрелок

Определять направление линий магнитной индукции с помощью магнитной стрелки не всегда удобно, поэтому используют правило буравчика:

Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, а);

или иначе:

Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2. Определение направления линий магнитного поля проводника с током с помощью правила буравчика

От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током

Вспомните: магнитное действие проводника с током первым обнаружил X. Эрстед в 1820 г. А вот почему это открытие не было сделано раньше? Дело в том, что с увеличением расстояния от проводника магнитная индукция созданного им поля быстро уменьшается. Поэтому, если магнитная стрелка расположена не вблизи проводника с током, магнитное действие тока почти незаметно.

Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик означает, что сила тока в проводнике направлена от нас

Магнитная индукция зависит также от силы тока: с увеличением силы тока в проводнике магнитная индукция созданного им магнитного поля увеличивается.

Магнитное поле катушки с током

Свернем изолированный провод в катушку и пустим по проводу ток. Если теперь вокруг катушки разместить магнитные стрелки, то к одному торцу катушки стрелки повернутся северным полюсом, а к другому — южным (рис. 3.4). Это означает, что около катушки с током существует магнитное поле.

Рис. 3.4. Исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок

Как и полосовой магнит, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Полюсы катушки расположены на ее торцах, и их легко определить с помощью правой руки:

Если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на северный полюс катушки, то есть направление вектора магнитной индукции внутри катушки (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Определение полюсов катушки с током с помощью правой руки

Сравнив магнитные линии постоянного полосового магнита и катушки с током, увидим, что они очень похожи (рис. 3.6). Заметим: магнитная стрелка, подвешенная катушка с током и подвешенный полосовой магнит ориентируются в магнитном поле Земли одинаково.

Подводим итоги:

Около проводника с током существует магнитное поле. Магнитная индукция поля, созданного током, уменьшается с увеличением расстояния от проводника и увеличивается с увеличением силы тока в проводнике.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током можно определить с помощью магнитных стрелок или правила буравчика.

Катушка с током, как и постоянный магнит, имеет два полюса. Их можно определить с помощью правой руки: если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на ее северный полюс.

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика Атомная физика Ядерная физика Квантовая физика Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Шунт и добавочное сопротивление
• Электродвижущая сила
• Электрические измерительные приборы
• Электрическое поле Земли
• Закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением сопротивлений
• Сила и закон Ампера
• Закон взаимодействия прямолинейных параллельных проводников с током
• Сила Лоренца

Открытие связи между электричеством и магнетизмом

Изначально электрические и магнитные явления рассматривались отдельно, связь между ними не наблюдалась.

Магнитные явления относились к взаимодействию постоянных магнитов и к магнитному полю Земли, электрические явления относились к электризации тел и взаимодействию электрических зарядов, а также к атмосферному электричеству.

Первое свидетельство связи электричества и магнетизма получил Х. Эрстед в 1819 г.: он доказал, что проводник с током порождает вокруг себя поле, которое является магнитным (хотя самого понятия «магнитного поля» тогда еще не существовало). А в 1820 г. А. Ампер показал, что два провода, по которым идет ток, взаимодействуют друг с другом. В том же году Ж.-Б. Био и Ф. Савар опубликовали закон, названный впоследствии их именем, который описывал магнитное поле любого проводника с током. Таким образом было доказано, что магнитное поле может порождаться электрическим током.

Рис. 2. Опыт Эрстеда.

Концепция физического поля

Детальный анализ электрических и магнитных характеристик материи привел Фарадея к радикально новой фундаментальной идеи — идеи поля. Другие физики рассуждали в терминах «обычного притяжения и отталкивания». На сознание ученых все еще сильно влияли успехи Ньютона, формула закона притяжения которого так потрясающе
исполнялась в небесной механике.

Подобный этой формуле закон Кулона позволил создать математическую теорию электростатики и магнитостатики. Ампер сумел вписать в эту схему и электромагнетизм.
Необходимо было сделать обобщение закона Ампера, чтобы он описывал индукционные явления, выявленные Фарадеем.

Этой целью задался Вильгельм Вебер, который сумел вывести формулу взаимодействия частиц, имеющих электрический заряд.

Но эта формула включала не только заряды частиц и их расположение, но также скорость и ускорение, что делало ее тяжелой для расчетов и совершенно непохожей на формулы Ньютона и Кулона.

Фарадей полностью отказался от этих идей и ввел принципиально новый объект — физическое поле. В понимании Фарадея поле — это то, что распространяется с некоторой скоростью в пространстве, излучается, вступает во взаимодействие с объектами материального мира

По мнению Эйнштейна, это была, пожалуй, самая оригинальная идея, самое важное открытие со времен Ньютона.

Пространство рассматривалось Ньютоном и другими учеными как пассивное вместилище тел и электрических зарядов. У Фарадея же пространство участвует в явлениях — оно как раз и представляет собой сосредоточение явлений.

Работами Фарадея, Ленца и других ученых в области электромагнетизма была подготовлено то звено в развитии науки, на базе которого исследованиями английского физика Д. Максвелла была завершена теоретическая разработка классической электродинамики.

Ампер и начало электродинамики

Наиболее значительный вклад в развитие электромагнетизма внес французский ученый Андре Мари Ампер (1775–1836), который назвал новую отрасль физики «электродинамикой», и это название сохранилось до наших дней.

Ампер

Повторив опыты Эрстеда, Ампер установил так называемое «Правило пловца» для определения отклонения магнитной стрелки магнитным полем электрического тока.

Основательные экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия тока и магнита привели Ампера к открытию правил взаимодействия электрических токов и к формированию теории магнетизма.

В основу этой теории он положил гипотезу, согласно которой магнитные взаимодействия — это взаимодействия круговых электрических токов, тем самым установив тесную взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

Открыв явление взаимодействия токов, он установил в 1823 г. основной закон электродинамики — закон Ампера, определяющий силу взаимодействия между проводниками с током.

Уже в 1820 г. Ампер доказал, что магнитное действие электричества может быть использовано для измерения силы тока, и тем самым подтвердил одно из важнейших последствий открытия Эрстеда — начало количественных исследований электрического тока.

К этому выводу пришел и немецкий физик Иоганн Кристиан Поггендорф (1796–1877), основоположник одного из ведущих физических журналов «Анналы физики», который построил в 1821 г. один из первых гальванометров, что давал количественные показатели, а в 1826 г. ввел зеркальный отсчет в электроизмерительных приборах.

Иоганн Поггендорф изобретатель реостата

Ответы на вопрос

Отвечает Цынгина Полина.

Ганс Кристиан Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.Принято считать, что это открытие было совершенно случайно: профессор Эрстед демонстрировал студентам опыт по тепловому воздействию электрического тока, при этом на экспериментальном столе находилась также и магнитная стрелка

Один из студентов обратил внимание профессора на то, что в момент замыкания электрической цепи стрелка немного отклонялась. Позднее Эрстед повторил опыт с более мощными батареями, усилив тем самым эффект

При этом сам он в своих поздних работах отрицал случайный характер открытия: «Все присутствующие в аудитории — свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью…

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Физика 19.06.2023 23:44 3075 Трухман Дарья

6. По графику зависимости скорости равномерно дви- жущегося тела от времени (рис. 43) определите с

Ответов: 1

Физика 28.09.2023 20:06 4824 Копылова Алёна

3) Предложите единицы скорости, не указанные в параграфе.7 класс Физика​

Ответов: 2

Физика 05.06.2023 05:32 1957 Блок Богдана

7. По графикам зависимости пути от времени (рис. 44) двух тел, движущихся равномерно, определите,

Ответов: 1

Физика 20.06.2023 14:02 3475 Ашкенова Дарига

Скоростной поезд за 10 минут проходит путь, равны 40 км. Определить его среднюю скорость.

Ответов: 1

Физика 29.04.2023 12:23 4788 Парамонов Александр

К неподвижном у телу массой 20 кг приложили постоянную силу 6Н .Какую скорость приобретёт тело за15с

Ответов: 2

Физика 08.11.2018 21:44 185 Вологдина Лиза

ФИЗИКА!!потенциальная энергия взаимодействия с землей гири массой 5 кг увеличилась на 75 дж.На сколь

Ответов: 1

Физика 20.06.2023 01:53 1245 Милованова Виктория

постройте графики зависимости пути от времени для тел, одно из которых движется с постоянной скорост

Ответов: 1

Физика 09.01.2020 05:53 2468 Хлыбов Глеб

С какой скоростью плывет лосось, если за 5 секунд он проплыл 30 метров

Ответов: 2

Физика 03.06.2023 02:50 501 Земляной Дима

Первую половину пути из Москвы в Подольск автомобиль ехал со скоростью 90 км ч а оставшийся путь 20

Ответов: 2

Физика 21.06.2023 05:58 2117 Кулик Станислав

при полном сгорании 6кг топлива выделилось количество теплоты 2,76*10 в 8 степени. О каком топливе и

Ответов: 1

Законы Кирхгофа

Особая заслуга в этом принадлежит немецкому физику Густаву-Роберту Кирхгофу (1824–1887), который в течение 1845–1849 гг. теоретически исследовал прохождение электрического тока по проводникам различной конфигурации и по разветвленных цепях.

Кирхгоф воспользовался теорией потенциала, разработанной английским математиком Джорджем Грином, который в 1828 г. в работе «Опыт применения математического анализа в теории электричества и магнетизма» ввел понятие потенциала.

Опираясь на работы М. В. Остроградского (1801–1861), который открыл ряд теорем о потенциале, и на исследования других ученых, Грин ввел в теорию электричества современное понятие о потенциале и в более общем виде сформулировал закон Ома.

Роберт Кирхгоф

Это дало Кирхгофу возможность в 1847 г. установить закономерности прохождения электрического тока в разветвленных цепях, так называемые правила Кирхгофа. Эти законы сейчас широко используются при последовательном и параллельном соединении резисторов, источников электрической энергии, шунтировании.

X. Дэви установил в 1821 г. зависимость сопротивления проводника от его длины и поперечного сечения, обнаружил его изменение с изменением температуры. Этот закон теперь хорошо известен; значительно меньше известно, кто его открыл.

Последние заданные вопросы в категории Физика

Физика 22.10.2023 05:16 20 Цынгина Полина

Определите длину взлетно-посадочной полосы, с которой нужно оторваться у самолета была скорость 288

Ответов: 2

Физика 22.10.2023 05:14 16 Скороход Валерия

Яку площу мав би плоский повітряний конденсатор електроємністю 0,885 Ф із відстанню між обкладками 0

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:14 8 Соболюк Валера

На тіло, повністю занурене у воду, діє сила Архімеда, яка дорівнює 120 Н. Якою є архімедова сила, що

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:14 19 Охлопков Андрей

Накресліть схему електричного кола, що складається із джерела струму, двох електричних ламп, з’єднан

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:12 27 Безкоровайна Улянка

Внутреннее сопротивление источника тока в цепи параллельно соединенных двух электроплиток сопротивле

Ответов: 2

Физика 22.10.2023 05:10 3 Чернова Александра

Даю 50 балів!!!Визначте напруженість поля в точці, роміщеній посередині між зарядами 200 нКл i -300

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:10 17 Наливайко Марина

Турист за 5 годин пройшов 20км. Визначте швидкість руху туриста, вважаючи, що рух був рівномірний. Д

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:10 3 Гришин Сергей

Розвяжіть задачі, дякую! 45 б​

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:08 9 Запорожченко Дима

Майстер піднімає відро з розчином вагою 120 Н на висоту 10 м за допомогою рухомого блока, прикладаюч

Ответов: 1

Физика 22.10.2023 05:08 27 Пряничников Александр

Форсунки двигуна внутрішнього згорання перевіряють через кожні: а) 250-500 годин роботи для високо

Ответов: 1

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

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

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?

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.

Многие важные законы электродинамики установлены экспериментально. Рассмотрим некоторые из них.

Фарадей и электромагнитная индукция

Новый важный этап в развитии электродинамики связан с именем выдающегося английского физика Майкла Фарадея (1791–1867), который совершил фундаментальные открытия в сфере электричества и магнетизма и сыграл значительную роль в их практическом применении.

Родился Фарадей в пригороде Лондона в семье кузнеца, которая воспитывала у детей любовь к труду, честность, гордость. Не имея возможности из-за материальных условий закончить даже начальную школу, он в двенадцатилетнем возрасте начал работать в переплетной мастерской книжной лавки. Там он имел возможность читать книги и этим, как и посещением воскресных лекций, заполнять пробелы в своем образовании.

Фарадей

Слушая и восхищаясь лекциями известного английского ученого, профессора королевского института X. Дэви, Фарадей попросил принять его на работу в институт.

В 1813 г. Дэви взял Фарадея в институт, и здесь прошла вся его научная деятельность. Позже Дэви говорил, что Фарадей является его «величайшим открытием».

Первые опыты Фарадея были посвящены химии. Он впервые добыл жидкий хлор и выполнил ряд важных работ по сжижению газов, а в 1825 г. получил бензол.
Его научная популярность быстро росла.

В 1824 г. его избирают членом Лондонского королевского общества, а в следующем году он возглавил лабораторию Королевского института.

Уже в 1821 г. Фарадей, исходя из диалектической идеи о двусторонней связи между электричеством и магнетизмом, поставил перед собой задачу найти электродинамический аналог электростатической индукции — «превратить магнетизм в электричество».

Десятилетняя напряженная работа увенчалась успехом. В августе 1831 г. Фарадей совершил одно из самых блестящих своих открытий — открыл электромагнитную индукцию.

В этом же году была напечатана первая серия его знаменитых «Экспериментальных исследований по электричеству», а последняя, тридцатая, вышла в свет в 1855 г.

В этих сериях, что состоят из 3000 параграфов, отражены взгляды, мысли и результаты научных экспериментов почти двадцатипятилетней исследовательской деятельности Фарадея, в течение которой он подробно исследовал явление электромагнитной индукции, вывел законы, определяющие электродвижущую силу индукции, впервые исследовал открытое им явление самоиндукции и экстратоков замыкания и размыкания.

Открытие электромагнитной индукции

Ему принадлежат также первые предсказания, что электрические и магнитные действия не передаются непосредственно от тела к телу, а переносятся через диэлектрическую среду, которая лежит между ними, и эта среда существенно влияет на ход электрического явления.

Следует заметить, что открытие электромагнитной индукции сразу же приобрело большое научное и практическое значение и способствовало быстрому построению первых генераторов электрического тока.

Фарадей впервые доказал, что все виды электричества, известные в то время, — термоэлектричество, гальваническое, статическое и индукционное — имеют единую природу, качественно тождественны между собой и отличаются только количеством и интенсивностью.

При установлении законов электролиза (1833–1834) Фарадей ввел и основную терминологию этого явления.

Электродинамика

В 1845 г. ученый открыл диамагнетизм и парамагнетизм, а в 1846 г. впервые наблюдал непосредственное воздействие магнитного поля на свет и открыл магнитное вращение плоскости поляризации.

Это стало важной вехой в последующей формулировке электромагнитной теории света Дж. Максвеллом

Открытие электромагнитной индукции

Однако обратная задача — создать электрический ток с помощью магнитного поля — долго не поддавалась решению. Она была решена лишь 29 августа 1831 г. М. Фарадеем (редкий случай, когда известна точная дата открытия).

Для опытов использовалась катушка, на которую было намотано две обмотки с медным проводом. Первая обмотка подключалась к мощной гальванической батарее. Вторая обмотка была подключена к гальванометру. Магнитное поле, порождаемое одной катушкой, пронизывало и другую. А значит, если магнитное поле порождает электричество, то гальванометр должен отмечать наличие тока.

Многочисленные опыты тем не менее показывали, что постоянное магнитное поле, порождаемое первой катушкой, не создает электрического тока во второй катушке. Однако было замечено слабое колебание стрелки гальванометра в момент включения и выключения батареи. Такое колебание, видимо, отмечали многие исследователи, но М. Фарадей первым понял его неслучайность и первым связал слабое движение стрелки гальванометра с включением или выключением тока через первую катушку.

После дополнительных исследований было твердо установлено, что магнетизм всегда порождает электричество. Однако статическое магнитное поле для этого не годится. Только изменение магнитного потока через рамку создает в ней постоянный электрический ток. При этом источник магнитного поля и причина его изменения могут быть любыми.

Можно использовать магнитное поле, порождаемое катушкой, можно использовать постоянный магнит. Можно изменять ток в катушке, можно двигать катушку или магнит — всегда любое изменение магнитного поля вызывало появление во второй катушке электрического тока.

Рис. 3. Опыт Фарадея по электромагнитной индукции.

Что мы узнали?

Электромагнитная индукция — это порождение электрического тока в контуре изменяющимся магнитным полем, пронизывающим этот контур. Открытие электромагнитной индукции сделало возможным появление электрических генераторов и имеет огромное значение в современном мире. Оно было сделано М. Фарадеем в 1831 г.

1. /10

   Вопрос 1 из 10