Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств. Но не эти исследования, интересные сами по себе, и не его математические работы сделали имя Ампера знаменитым. Классиком науки, всемирно известным ученым он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма. В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока - создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед - открыл взаимодействие токов. Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах. О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В докладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты. Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? - спросил Ампера один из его противников. - Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Аліпер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда». 182 Несмотря на нападки своих научных противников. Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука - электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели. С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время. Ампер сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью... Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах Я располагаю считанными минутами».
«Что изучает физика» - Что изучает физика? Электрические явления природы. Атомные явления природы. Вступительное слово учителя. Явления природы. Техника. Горение. Оптические явления природы. Гроза. Утренняя роса. Знакомство учащихся с новым предметом школьного курса. Вызов интереса учащихся к сознательному изучению данного предмета.
«Сопротивление проводника» - Сопротивление и проводимость проводников. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах. Природа сторонних сил может быть различной. Мощность тока. Применение источников с разным значением ЭДС возможно, но затруднительно. Второй интеграл. Величина? служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник.
«Дизельный двигатель» - Способы изменения внутренней энергии. Реактивный двигатель. Переработка нефти. Масла. Форма существования материи. Паровая машина. Способ существования материи. Теплопроводность. Теплопередача. Модель теплового двигателя. Конвекция. Один из способов изменения внутренней энергии. Излучение. Паровая турбина.
«Ток в цепи» - Что такое напряжение? Как на опыте показать, что сила тока в цепи зависит от свойств проводника? От какого полюса источника тока и к какому принято считать направление тока? Как зависит сила тока в проводнике от напряжения на концах проводника? Какой вид имеет график зависимости силы тока от напряжения?
«Электрический заряд» - Формулировка закона Кулона. Напряженность поля точечного заряда в вакууме. Электрический заряд дискретен. Экспериментальная проверка закона Кулона на макро и микро дистанциях. Электрический заряд и закон его сохранения. Свойства электрического заряда. Электрический заряд аддитивен. Напряженность электростатического поля.
«Теория относительности Энштейна» - Биография Альберта Эйнштейна. В 1905г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. Движения системы. Теория относительности - физическая теория пространства и времени. Любой перенос энергии связан с переносом массы. Общая теория относительности. Физик, автор теории относительности.
Всего в теме 18 презентаций
2.1. Закон Ампера.
2.1. Закон Ампера.
2.2. Взаимодействие двух параллельных бесконечных проводников с током.
2.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током.
2.4. Единицы измерения магнитных величин.
2.5. Сила Лоренца.
2.6. Эффект Холла.
2.7. Циркуляция вектора магнитной индукции.
2.8. Магнитное поле соленоида.
2.9. Магнитное поле тороида.
2.10. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.
АМПЕР Андре Мари
АМПЕР Андре Мари (1775 – 1836) – французский физик математик и химик.
Основные физические работы посвящены электродинамике. Сформулировал правило для определения действия магнитного поля тока на магнитную стрелку. Обнаружил влияние магнитного поля Земли на движущиеся проводники с током .
В 1820 г.
В 1820 г. А. М. Ампер экспериментально установил, что два проводника с током взаимодействуют друг с другом с силой:
(2.1.1)
где b – расстояние между проводниками, а k – коэффициент пропорциональности зависящий от системы единиц.
В первоначальное выражение закона Ампера не входила никакая величина характеризующая магнитное поле. Потом разобрались, что взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле и следовательно в закон должна входить характеристика магнитного поля.
В современной записи в системе СИ, закон Ампера выражается формулой:
(2.1.2)
Это сила с которой магнитное поле действует на бесконечно малый проводник с током I.
Модуль силы действующей на проводник
(2.1.3)
Если магнитное поле однородно и проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, то
(2.1.4)
где – ток через проводник сечением S.
Направление силы определяется направлением векторного произведения или правилом левой руки (что одно и тоже). Ориентируем пальцы по направлению первого вектора, второй вектор должен входить в ладонь и большой палец показывает направление векторного произведения.
Рис. 2.1
Из закона Ампера хорошо виден физический смысл магнитной индукции: В – величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины, по которому течет единичный ток.
Размерность индукции
Пусть b I2 I1 находится в этом поле.
Пусть b – расстояние между проводниками. Задачу следует решать так: один из проводников I2 создаёт магнитное поле, второй I1 находится в этом поле.
Рис. 2.2
I 2 на расстоянии b от него:
Магнитная индукция, создаваемая током I 2 на расстоянии b от него:
(2.2.1)
Если I1 и I2 лежат в одной плоскости, то угол между B2 и I1 прямой, следовательно сила, действующая на элемент тока I1 dl
(2.2.2)
На каждую единицу длины проводника действует сила:
(2.2.3)
(разумеется, со стороны первого проводника на второй действует точно такая же сила).
Результирующая сила равна одной из этих сил! Если эти два проводника будут воздействовать на третий, тогда их магнитные поля и нужно сложить векторно.
Рис. 2.2
Рамка с током I α – правилом буравчика ).
Рамка с током I находится в однородном магнитном поле α – угол между и (направление нормали связано с направлением тока правилом буравчика ).
l , равна: ,
Сила Ампера, действующая на сторону рамки длиной l , равна: ,
здесь
На другую сторону длиной l действует такая же сила. Получается «пара сил», или вращающий момент.
(2.3.1)
где плечо:
Так как lb = S – площадь рамки, тогда можно записать:
Вот откуда мы писали с вами выражение для магнитной индукции:
(2.3.3)
M – вращающий
момент силы,
P – магнитный
момент.
Итак, под действием этого вращательного момента рамка повернётся так, что
На стороны длиной b тоже действует сила Ампера F2 – растягивает рамку и так как силы равны по величине и противоположны по направлению рамка не смещается, в этом случае М = 0, состояние устойчивого равновесия .
Рис. 2.4
Когда и антипараллельны, M = 0 неустойчивого равновесия перевернется .
Когда и антипараллельны, M = 0 (так как плечо равно нулю), это состояние, неустойчивого равновесия . Рамка сжимается и, если чуть сместится, сразу возникает вращающий момент такой что она перевернется .
В неоднородном поле рамка повернется и будет вытягиваться в область более сильного поля.
Рис. 2.4
Закон Ампера используется для установления единицы силы тока – ампер.
(2.4.1)
Итак, Ампер
Итак, Ампер – сила тока неизменного по величине, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным на расстояние один метр, один от другого в вакууме вызывает между этими проводниками силу
Определим отсюда размерность и величину:
В СИ:
В СГС: μ0 = 1
Из закона Био-Савара-Лапласа, для прямолинейного проводника с током можно найти размерность индукции магнитного поля:
1 Тл 2
1 Тл (один тесла равен магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором) на плоский контур с током, имеющим магнитный момент 1 А·м 2 действует вращающий момент 1 Н·м.
Один тесла 1 Тл = 104 Гс.
Гаусс – единица измерения в Гауссовой системе единиц (СГС).
ТЕСЛА Никола (1856 - 1943)-сербский ученый в области электротехники, радиотехники
Разработал ряд конструкций многофазных генераторов, элек-тродвигателей и трансформа-торов. Сконструировал ряд радио-управляемых самоходных механизмов.
Изучал физиологическое действие токов высокой частоты. Построил в 1899 радиостанцию на 200 кВт в Колорадо и радиоантенну высотой 57,6 м в Лонг-Айленде. Изобрел электрический счетчик, частотомер и др.
Другое определение: 2
Другое определение: 1 Тл равен магнитной индукции при которой магнитный поток сквозь площадку 1 м 2, перпендикулярную направлению поля равен 1 Вб.
Рис. 2.5
Единица измерения магнитного потока Вб, получила свое название в честь немецкого физика Вильгельма Вебера (1804 – 1891 г.) – профессора университетов в Галле, Геттингене, Лейпциге.
Как мы уже говорили, магнитный поток Ф, через поверхность S – одна из характеристик магнитного поля (Рис. 2.5)
Рис. 2.5
Единица измерения магнитного потока в СИ:
Здесь Максвелл (Мкс ) – единица измерения магнитного потока в СГС названа в честь знаменитого ученого Джеймса Максвелла (1831 – 1879 г.), создателя теории электромагнитного поля.
Напряженность магнитного поля измеряется А·м-1
Таблица основных характеристик магнитного поля
Электрический ток n движущихся со скоростью
Электрический ток это совокупность большого числа n движущихся со скоростью
зарядов .
Найдем силу, действующую на один заряд со стороны магнитного поля.
По закону Ампера сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (2.5.1)
но ток причем, тогда
Т.к. nS dl – число зарядов в объёме S dl, тогда для одного заряда
Т.к. nS dl – число зарядов в объёме S dl, тогда для одного заряда
ЛОРЕНЦ Хендрик Антон
ЛОРЕНЦ Хендрик Антон (1853 - 1928) – нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории, член Нидерландской АН.
Учился в Лейденском ун-те, В 23г. защитил докторскую диссертацию «К теории отражения и преломления света». В 25 профессор Лейденского ун-та и заведующий кафедрой теоретической физики.
Вывел формулу, связывающую диэлектрическую проницаемость с плотностью диэлектрика, дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле (сила Лоренца), объяснил зависимость электропроводности вещества от теплопроводности, развил теорию дисперсии света. Разработал электродинамику движущихся тел. В 1904 вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).
Модуль лоренцевой силы:
Модуль лоренцевой силы:
, (2.5.3)
где α – угол между и.
Из (2.5.4) видно, что на заряд, движущийся вдоль линии, не действует сила ().
Направлена сила Лоренца перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы и. К движущемуся положительному заряду применимо правило левой руки или
«правило буравчика »
к .
Направление действия силы для отрицательного заряда – противоположно, следовательно, к электронам применимо правило правой руки .
Так как сила Лоренца направлена перпендикулярно движущемуся заряду, т.е. перпендикулярно , работа этой силы всегда равна нулю . Следовательно, действуя на заряженную частицу, сила Лоренца не может изменить кинетическую энергию частицы.
Часто лоренцевой силой называют сумму электрических и магнитных сил :
- (2.5.4)
здесь электрическая сила ускоряет частицу, изменяет ее энергию.
Повседневно действие магнитной силы на движущийся заряд мы наблюдаем на телевизионном экране (рис. 2.7).
Движение пучка электронов по плоскости экрана стимулируется магнитным полем отклоняющей катушки. Если поднести постоянный магнит к плоскости экрана, то легко заметить его воздействие на электронный пучок по возникающим в изображении искажениям.
(1775-1836) французский физик, математик и химик
Андре Мари Ампер является основателем классической электродинамики. Он ввел в физику многие понятия и термины: «напряжение», «сила тока», «направление тока», «гальванометр». Ему принадлежит и идея самого гальванометра, основанного на действии тока на стрелку.
Ученый родился 22 января 1775 года в семье лионского коммерсанта и получил домашнее образование. Научные склонности юноши проявились очень рано: уже в 13 лет он владел дифференциальным исчислением.
Отец будущего знаменитого ученого имел хорошую библиотеку, и еще четырнадцатилетним подростком Андре прочитал все 20 томов знаменитой французской «Энциклопедии» Д. Дидро и Ж. Д"Аламбера. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики (например, теория игр, геометрия, теория конических сечений), биология, физика, геология, лингвистика, философия и химия. За несколько недель он выучил латынь, чтобы прочесть в подлиннике работы Эйлера и Бернулли. К восемнадцати годам Андре изучил высшую математику и естественные науки, а кроме того, греческий и итальянский языки.
Жизнь Андре Мари Ампера была очень тяжелой. В революции 1793 года его отец оказался в числе жертв и был казнен на гильотине. Смерть отца стала для него большим потрясением. С этого времени юноше пришлось самому зарабатывать себе на жизнь. Он давал частные уроки, затем преподавал физику и химию в Центральной школе города Буркан-Брес. В 1803 году Ампера назначают преподавателем математики и астрономии Лионского лицея. После опубликования в 1802 году работы по теории вероятностей о математической теории игр ему в 1804 году было предложено место репетитора в Политехнической школе Парижа, а в 1807 году он стал ее профессором. Там Ампер работал с 1804 по 1824 год.
До отъезда в Париж, где прошла вторая половина его жизни, ученый пережил еще одно событие - смерть любимой жены. От этого потрясения он не смог оправиться до конца жизни. Ампера все время преследовали несчастья: неудачный второй брак, несложившаяся жизнь сына Жан Жака Ампера, который впоследствии стал одним из известных историков французской литературы. Окружающим Андре Ампер казался человеком странным: рассеянный, близорукий, доверчивый, мало обращающий внимание на свой внешний вид. Он также имел привычку прямо говорить людям все, что о них думал.
Первые работы А. Ампера (1802-1809) посвящены теории вероятностей и дифференциальным уравнениям, и в 1814 году за них его избирают членом Парижской Академии наук. Работы о решении уравнений с частными производными составили эпоху в истории математики. Независимо от итальянского ученого Амедео Авогадро Ампер предложил теорию молекулярного строения газов, что явилось существенным вкладом в развитие химии.
В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) открыл магнитное поле электрического тока, установив связь электричества с магнетизмом. 4 сентября 1820 года французский ученый Доминик Франсуа Араго (1786-1853) на заседании Парижской Академии наук сделал устное сообщение об опытах Эрстеда, а на следующем заседании, 11 сентября, собрав несложную установку, продемонстрировал их. Ампер заинтересовался опытами Эрстеда, повторил их и начал усиленно работать в этом направлении, разработав новый раздел электричества - электродинамику. Он сам соорудил небольшой лабораторный стол. Уже 18 сентября, на следующем заседании академии, он делает первое сообщение о своих исследованиях. Ампер установил, что величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности, он впервые в мире, вводит понятие силы тока, единица которой - ампер - названа в его честь.
25 сентября 1820 года, он вновь поднялся на кафедру академии и продемонстрировал свои знаменитые опыты, устанавливающие наличие механического взаимодействия между параллельными проводниками и током. Он сформулировал закон, определяющий характер этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) в зависимости от взаимного направления токов. Затем Ампер вывел формулу для расчета силы взаимодействия двух элементов тока.
В течение остальных трех месяцев 1820 года он делает 9 сообщений, в которых содержатся фундаментальные результаты его работ по взаимодействию электрических токов. В дальнейшем он установил эквивалентность элементарного магнита круговому току и пришел к мысли о том, что все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в телах так называемых круговых электрических молекулярных токов. Эта гипотеза Ампера получила свое подтверждение лишь в XX веке. В том же году он предложил использовать электромагнитные явления для передачи сигналов.
В 1822 году Андре открыл магнитный эффект соленоида - катушки с током: соленоид, обтекаемый током, является эквивалентом постоянного магнита. Ученый также выдвинул идею, суть которой заключалась в усилении магнитного поля соленоида путем помещения внутрь него железного сердечника из мягкого железа. Таким образом, Ампер изобрел электромагнит, не подозревая об этом, поэтому честь открытия электромагнита досталась английскому физику Уильяму Стерджену (1783-1850) в 1825 году.
С 1824 года Ампер работал профессором Высшей Нормальной школы в Париже. Свои исследования он обобщил в 1826 году в труде под названием «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта». В нем впервые был приведен количественный закон для силы взаимодействия токов, известный сейчас как закон Ампера, явившийся одним из основополагающих законов электродинамики. Многие физики отмечали универсальность этой формулы. Наиболее точную и емкую характеристику открытий ученого дал основоположник теории электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), назвав Ампера «Ньютоном электричества».
В 1829 году физик изобрел коммутатор и электромагнитный телеграф. В 1830 году его избирают членом Петербургской Академии наук. В последние годы жизни он вновь начинает заниматься математикой, а затем философией науки.
Жизнь великого французского ученого не становилась легче, несмотря на его известность. Он по-прежнему покупал и изготовлял приборы на свои деньги. Не имея средств, он был вынужден выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства. По несколько месяцев, забросив работы по электродинамике, Ампер инспектировал провинциальные училища, проверяя знания учеников по разным предметам, и писал отчеты о расходах на мебель, чернила и мел. Начальство, видимо, получало удовольствие от возможности унизить ученого-физика, а он был человеком чрезвычайно скромным, мучился от своего бессилия, от необходимости тратить драгоценное время на совершенно пустяковые занятия. Несмотря на все жизненные испытания, он всегда оставался добрым, отзывчивым и жизнелюбивым человеком.
Его открытия встречались многими коллегами скептическими усмешками и непониманием. Труды Ампера были оценены по достоинству лишь после его смерти. Как сказал Франсуа Араго, «смерть Ампера - несчастье национальное».
Андре Мари Ампер умер от воспаления легких 10 июня 1836 года в Марселе по дороге на юг, где надеялся поправить свое здоровье. В это время он находился в расцвете творческих сил. Его прах в 1869 году из Марселя был перевезен в Париж на Монмартрское кладбище. На его надгробном памятнике высечены слова: «Он был так же добр и так же прост, как и велик».
Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явления взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными. Об этой связи говорит также замеченный факт намагничивания железных предметов и перемагничивания компаса во время грозы.
Впервые эта связь была обнаружена X. Эрстедом и А. Ампером в 1820 г. А. Ампер показал, что два параллельных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них (рис. 1, а, б). Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи (на рисунке 1, в перемычка между верхним» клеммами отсоединена) взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках н их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.
В опыте X. Эрстеда проводник располагают над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси (рис. 2). При пропускании тока по проводнику стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение. Этот опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.
Действие магнитных сил обнаружено в пространстве вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Так, А.Ф.Иоффе в 1911 г. наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов. Схема его опыта представлена на рисунке 3. Над и под трубкой находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.
Если часть гибкого проводника, присоединенного к одному полюсу источника, а значит, заряженного, поместить вблизи дугообразного магнита (рис. 4, а), то действие поля магнита на проводник не наблюдается. Однако после замыкания цепи (рис. 4, б, в) проводники приходят в движение. Таким образом, магнитные силы действуют только на движущиеся заряды.
