История развития представлений о магнитном поле. Что является источником магнитного поля Каковы его основные свойства

Превратить магнетизм в электричество

Электромагнитная индукция

9 класс

Базовый курс

ПОВТОРЯЕМ

1. Что называется магнитным полем?

2. Каковы его основные свойства?

3. Как изображается магнитное поле?

4. Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?

5. Что представляют собой линии магнитного поля прямого проводника с током?

6. Что можно определить, используя правило буравчика?

7. Как направлены линии магнитного поля постоянного магнита?

ТЕСТ

1. Магнитное поле не существует…

а) вокруг магнита б) вокруг движущихся заряженных частиц г) вокруг проводника с током д) вокруг неподвижных зарядов

2) Кто впервые из учёных доказал, что вокруг проводника с током существует магнитное поле?

а) Архимед б) Ньютон в) Эрстед г) Ом

ТЕСТ

3) Линии магнитного поля в пространстве вне постоянного магнита…

а) начинаются на северном полюсе магнита, заканчиваются на южном полюсе. б) начинаются на южном полюсе магнита, заканчиваются на северном полюсе. в) начинаются на северном полюсе магнита, уходят в бесконечность.

г) начинаются на южном полюсе магнита, уходят в бесконечность.

ТЕСТ

5) Чтобы увеличить магнитный поток (см. рисунок), нужно:

а) алюминиевую рамку заменить железной б) поднимать рамку вверх в) взять более слабый магнит г) усилить магнитное поле

6) Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости листа, ток направлен от нас. Выберите рисунок, изображающий магнитное поле такого проводника с током.

Опыты Фарадея (демонстрация опыта)

Определите закономерность в опытах.

Правило Ленца

• Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которым он вызван.

0), или уменьшается (ΔФ 3. Установить направление линий магнитной индукции " магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ 4. Зная направление линий магнитной индукции ", найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика. " width="640"

1. Определить направление линий магнитной индукции  внешнего магнитного поля.

2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ 0), или уменьшается (ΔФ

3. Установить направление линий магнитной индукции " магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ

4. Зная направление линий магнитной индукции ", найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика .

Применение электромагнитной индукции

Синхрофазотроны

Радиовещание

Магнитотерапия

Счетчики-расходомеры

Трансформаторы

Герераторы

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

• 1. Кто впервые с помощью магнитного поля получил электри­ческий ток?
• 1) Ш. Кулон 2) А. Ампер 3) М. Фарадей 4) Н. Тесла

• 2. Как называется явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного пото­ка через контур?

• 1) Намагничивание
• 2) Электролиз
• 3) Электромагнитная индукция
• 4) Резонанс

• 3. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой(-их) катушке(-ах) гальванометр зафиксирует индукционный ток?

• 4. В металлическое кольцо в течение первых двух секунд вдвигают магнит, в течение следующих двух секунд магнит оставляют неподвижным внутри кольца, в течение последу­ющих двух секунд его вынимают из кольца. В какие проме­жутки времени в катушке течет ток?
• 1) 0-6 с 2) 0-2 с и 4-6 с 3) 2-4 с 4) Только 0-2 с

• 1) Только в катушке А
• 2) Только в катушке Б
• 3) В обеих катушках
• 4) Ни в одной из катушек

• 5. Один раз полосовой магнит падает сквозь неподвижное ме­таллическое кольцо южным полюсом вниз, а второй раз - северным полюсом вниз. Ток в кольце

• 6. На горизонтальном столе лежат два одинаковых неподвиж­ных металлических кольца на большом расстоянии друг от друга. Два полосовых магнита падают северными полюса­ми вниз так, что один попадает в центр первого кольца, а второй падает рядом со вторым кольцом. До удара магнитов ток

• 1) возникает в обоих случаях
• 2) не возникает ни в одном из случаев
• 3) возникает только в первом случае
• 4) возникает только во втором случае

• 1) возникает в обоих кольцах
• 3) возникает только в первом кольце

• 7. На горизонтальном столе лежат два одинаковых неподвиж­ных металлических кольца на большом расстоянии друг от друга. Над первым качается магнит, подвешенный на нити. Над вторым кольцом магнит, подвешенный на пружине, ка­чается вверх-вниз. Точка подвеса нити и пружины находит­ся над центрами колец. Ток 1) возникает только в первом кольце
• 2) возникает только во втором кольце
• 3) возникает в обоих кольцах
• 4) не возникает ни в одном из колец

• 8. Один раз кольцо падает на стоящий вертикально полосовой магнит так, что надевается на него, второй раз так, что про­летает мимо него. Плоскость кольца в обоих случаях гори­зонтальна.

• Ток в кольце возникает

• 1) в обоих случаях
• 2) ни в одном из случаев
• 3) только в первом случае
• 4) только во втором случае

• 9. Сплошное проводящее кольцо из начального положения вначале смещают вверх относительно полосового магнита (см. рис.), затем из того же начального положения смещают вниз.

• 10. Проводящее кольцо с разрезом поднимают к полосовому магниту (см. рис.), а сплошное проводящее кольцо смещают вправо

• Индукционный ток в кольце

• При этом индукционный ток

• 1) течет только в первом случае
• 2) течет только во втором случае
• 3) течет в обоих случаях
• 4) в обоих случаях не течет

• 1) течет в обоих случаях
• 2) в обоих случаях не течет
• 3) течет только в первом случае
• 4) течет только во втором случае

Ответы на тест

• 10-4

Добавить сайт в закладки

История электричества

Электричество, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов - электростатического поля).

Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения

Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.

Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (греч. электрон, elektron, отсюда термин электричество), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различие между электрическими и магнитными явлениями. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.

В XVII - 1-й половине XVIII вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (английский учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденской банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во 2-й половине XVIII в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш.Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879).

Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними. Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в конце XVIII в. Л.Гальвани "животного электричества" и работами А.Вольты , который изобрёл первый источник электрического тока - гальванический элемент (т. н. вольтов столб, 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В 1802 В.В.Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж,П.Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э.Х.Ленца (закон Джоуля - Ленца).

Г.Ом установил (1826) количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. К.Ф.Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики.

Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х.Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А.М.Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (Ампера закон). Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Т. о., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об электричестве.

Со 2-й четверти XIX в. началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30-40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг.- электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применение электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное, влияние на учение об электричестве.

В 30-40-х гг. XIX в. в развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.Фарадей - творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали "обыкновенное" (полученное при электризации трением), атмосферное, "гальваническое", магнитное, термоэлектрическое, "животное" и другие виды Э.].

Опыт Араго ("магнетизм вращения").

В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.

Фарадей впервые ввёл представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга.

Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрическое или (соответственно) магнитное поля, с помощью которых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом и магнитном полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание. Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия.

Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность).
Большое значение для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В.Вебером.

В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющую собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющую размерность скорости.

При экспериментальном определении (Вебер и ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.

В 1861-73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире.

Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, - существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г.Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.

В конце XIX - начале XX вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытие Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества. В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчинено законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением.

Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришёл (1905) к относительности теории. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.

На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четверти XX в. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.

С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества.

Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.

Простые вещи всегда имеют сложную историю. Узнаем подробнее, что же скрывает в себе магнит?

Магнит в Древнем мире

Первые залежи магнетита были обнаружены на территории современной Греции, в области Магнисия . Так и получилось название «магнит»: сокращение от «камень из Магнисии». Кстати, сама область называется по племени магнетов, а те, в свои очередь, берут своё имя у мифического героя Магнета, сына бога Зевса и Фии.

Конечно, такое прозаическое объяснение происхождения названия не удовлетворило людские умы. И была придумана легенда о пастухе по имени Магнус. Рассказывали, что он странствовал со своими овцами и вдруг обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди в его башмаках прилипают к странному чёрному камню. Так был открыт магнит.

Интересный факт из истории магнитов . Прах пророка Магомета хранится в железном сундуке и находится в пещере с магнитным потолком, из-за чего сундук постоянно висит в воздухе без дополнительных опор. Правда, убедиться в этом может лишь правоверный мусульманин, совершающий паломничество в храм Каабы. А вот древние языческие жрецы частенько использовали этот приём для явления чуда.

Магнит в природе: Куржункульское железорудное месторождение, Казахстан

Эксперимент "гроб Магомета"

История магнитов в Древней Америке

Не стоит забывать, что древнейшая история развивалась на нескольких континентах. Магнит в Центральной Америке был известен, пожалуй, ещё раньше, чем в Евразии. На территории современной Гватемалы были найдены «толстые мальчики» - символ сытости и плодородия – сделанные из магнитных пород.

Индейцы делали изображения черепах с магнитной головой. Поскольку черепаха умеет ориентироваться по сторонам света, это было символично.

"Толстые мальчики" из магнитных пород

"Толстые мальчики" из магнитных пород

Магнит в Средние века

Использовать магнит как указатель сторон света догадались в Китае, но никто не проводил теоретических исследований на эту тему.

А вот научные труды европейских средневековых учёных не обошли магнит стороной. В 1260 году Марко Поло привёз магнит из Китая в Европу – и понеслось. Пётр Перегрин в 1296 году издал «Книгу о магните», где было описано такое свойство магнита, как полярность . Пётр установил, что полюса магнита могут притягиваться и отталкиваться.

В 1300 году Иоанн Жира создал первый компас , облегчив жизнь путешественникам и мореплавателям. Впрочем за честь считаться изобретателям компаса борется несколько учёных. Например, итальянцы свято уверены, что первым изобрёл компас их соотечественник Флавио Джойя.

В 1600 труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» английского врача Уильяма Гильберта расширил границы знаний об этом предмете. Стало известно, что нагревание способно ослабить магнит, а железная арматура может усилить полюса. Так же оказалось, что сама Земля является огромным магнитом.

Кстати, любопытно, откуда взялось название «магнитная буря» . Оказывается, бывают дни, когда стрелка компаса перестаёт указывать на север, а начинает беспорядочно кружиться. Это может продолжаться несколько часов или даже несколько суток. Поскольку первыми данный феномен обнаружили моряки, то и окрестили явление красиво – магнитной бурей.

Магнит в Новое время и наши дни

Настоящий прорыв произошёл в 1820 году. Как всякие великие открытия, и это произошло случайно. Просто преподаватель в университете, Ганс Христиан Эрстед, на лекции решил продемонстрировать студентам, что между электричеством и магнитом нет никакой связи, они не влияют друг на друга. Для этого физик включил электрический ток рядом с магнитной стрелкой. Велик же был его шок, когда стрелка отклонилась! Это позволило открыть связь электричества и магнитных полей . Так наука сделал огромный рывок вперёд.