Детство и юность
Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 года в городе Рюдкобинг, расположенном на датском острове Лангеланд. Его отец работал обыкновенным аптекарем и звезд с неба не хватал, поэтому семья жила небогато. Родители не могли позволить дать своим детям хорошее образование, поэтому Хансу вместе с братом приходилось получать отрывочные знания, которые им преподавали добросердечные соседи – местный пастор, парикмахер, студент и даже землемер. В результате у будущего физика сложились обобщенные представления о немецком и датском языке, литературе, истории, геологии и других науках.
Чтобы прокормить семью, Ханс с 12 лет стал помогать отцу в аптеке. В этот период жизни он всерьез увлекся медициной и осознал свою тягу к науке. Для подготовки к поступлению в университет, Эрстед выезжает в Копенгаген, где в течение года усиленно штудирует литературу, необходимую для сдачи экзамена. Вскоре в столицу переехал и брат для изучения юриспруденции.
Первые шаги в науке
После поступления в университет, Ханс с упоением изучает различные дисциплины, отдавая предпочтение разностороннему образованию. В этом он изрядно преуспел, заслужив Золотую университетскую медаль за блестяще написанное эссе под названием «Границы поэзии и прозы». Такую же высокую оценку получил его труд, посвященный свойствам щелочей. В дальнейшем он с успехом защитил диссертацию по медицине, за что был удостоен звания фармацевта высшей категории. Это позволило ему получить работу временного управляющего в одной из аптек Копенгагена.
В то же время его не покидало желание преподавать в университете, поэтому Ханс подрядится читать лекции на протяжении нескольких недель без всякой оплаты. В 1806 году в жизни ученого случилось знаменательное событие – к степени доктора философии добавилось звание профессора физики. Теперь он мог на законных основаниях преподавать физику, химию и философию.
Дания в то время находилась на периферии научного мира, и чтобы пополнить запас знаний Эрстед добивается командировки в Германию и Францию, где ученый с интересом слушал лекции своих коллег. В это время он приходит к многозначному выводу о связи всего со всем. Пытливый ум Эрстеда взбудоражили мысли немецкого философа Иоганна Фихте о возможности изучения физических явлений, используя для этого поэзию и даже мифологию. Также огромное влияние на мировоззрение Ханса оказал философ Фридрих Вильгельм Шеллинг с его идеей взаимосвязи и взаимообусловленности.
Подобными переживаниями в это время «болел» еще один известный физик Иоганн Риттер. В одном из писем другу Эртеду он признался, что нашел взаимосвязь между максимальным наклоном эклиптики и совершением выдающихся открытий в сфере электричества. Автор предсказывал новую волну изобретений в 1819-1820 годах. Вообще, жизненное кредо Риттера было весьма схожим с принципами Эрстеда, который всегда страстно увлекался философией и все время стремился распространять научные открытия в широкие массы.
Опыт — эрстед
Опыты Эрстеда и Фарадея создали основу, на которой построены законы Максвелла. Все наши так далеко идущие выводы основывались на внимательном изучении этих законов, выраженных на языке поля. Теоретическое открытие электромагнитной волны, распространяющейся со скоростью света, является одним из величайших достижений в истории науки.
Опыты Эрстеда доказали, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Фарадей ставит обратную задачу: нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток. В 1831 г. он экспериментально решил эту задачу.
Опыты Эрстеда доказали, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Фарадей ставит обратную задачу: нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток.
Опыты Эрстеда показывают, что движущийся электрический заряд создает магнитное поле. Следовательно, электрический заряд является источником не только электростатического, но и магнитного и, как выяснится в дальнейшем, электромагнитного полей. Есть основание считать все эти поля проявлением одного электромагнитного поля. Различие в проявлениях связано со скоростью движения заряда в данной системе отсчета.
Опыт Эрстеда, опыты Ампера и других исследователей показали, что магнитное поле возникает вокруг любых движущихся электрических зарядов. Вспоследствии, когда было установлено, что любое вещество состоит из атомов, в которых электроны движутся вокруг ядра, образуя круговые токи, стало ясно, что магнетизм, обнаруживающийся у ряда веществ, тоже обусловлен движущимися электрическими зарядами.
Опыты Эрстеда показали, что магнитное поле проводника с током имеет такую же природу, что и поле магнита.
Опыт Эрстеда показал, что электрические токи могут действовать на магниты, однако природа магнита в то время была совершенно таинственной. Ампер и другие вскоре открыли взаимодействие электрических токов друг с другом, проявляющееся, в частности, как притяжение между двумя параллельными проводами, по которым текут одинаково направленные токи. Это привело Ампера к гипотезе, что в магнитном веществе имеются постоянно циркулирующие электрические токи. Если такая гипотеза справедлива, то результат опыта Эрстеда можно объяснить взаимодействием гальванического тока в проволоке с микроскопическими токами, которые сообщают стрелке компаса особые свойства.
Сенсационность опытов Эрстеда состояла в том, что, во-первых, магнитная сила, как оказалось, обнаруживается не только вблизи постоянного магнита, но и вблизи движущихся электрических зарядов ( вблизи электрического тока), и во-вторых, сила оказалась не отталкивающей и не притягивающей, а поворачивающей. Магнитная сила, обнаруживаемая током, поворачивала магнитную стрелку поперек, ориентируя ее всякий раз перпендикулярно к направлению тока.
После опытов Эрстеда стало ясно, что между электрическими и магнитными явлениями существует взаимосвязь.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту неличину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля.
|
Опыт, обратный опыту Эрстеда. а ток выключен. б при включении тока проводник / стремится установиться перпендикулярно. |
В опыте Эрстеда мы видели, что ток действует на магнит. Существует ли обратное действие магнита на проводник с током.
Обобщением экспериментальных данных ( опыты Эрстеда, сила Ампера, закон Био — Савара, закон электромагнитной индукции) является предположение о взаимной перпендикулярности электрического и магнитного полей. Мы знаем, что направление электрической напряженности связано с изменением наводящего магнитного поля правилом левого винта.
Мы уже видели из опыта Эрстеда, как силовые линии магнитного поля закручиваются вокруг изменяющегося электрического поля. А из опыта Фарадея мы видели, как силовые линии электрического поля закручиваются вокруг изменяющегося магнитного поля.
«Опыты Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Электромагнит»
Тема конспекта: Опыт Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Линии магнитной индукции. Электромагнит.
Опыты Эрстеда
Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока. При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.
При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.
Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Линии магнитной индукции
Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой В. Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.
Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.
Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.
Электромагнит
Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.
Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся, потому, что на стороны рамки действует сила Ампера.
Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.
Конспект урока «Опыты Эрстеда. Магнитное поле. Электромагнит».
Следующая тема: «Магнитное поле постоянного тока».
Магнитное поле
Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.
Магнитное поле — это материя, за счет которой осуществляется взаимодействие зарядов.
У нее есть несколько условий для существования:
- магнитное поле материально, то есть существует независимо от наших знаний о нем;
- порождается только движущимся электрическим зарядом;
- обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
- магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
|
Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты? Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях. Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит. Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит. |
У любого магнита есть два полюса — северный и южный.
Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:
|
Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный? Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже. |
Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).
|
Наша планета — это один большой магнит. У нее тоже есть северный и южный полюса. Но есть один нюанс — географические полюса отличаются от физических. Да-да, на северном полюсе, который наверху карты, находится южный физический полюс. Ну и наоборот, на южном географическом — северный физический. Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас — это магнитная стрелка, и должен по идее показывать физический полюс, но стрелка окрашена так, чтобы направившись на северный физический полюс, показать южный географический. Чтобы люди не путались. |
Другие изобретения
Объясняя возникновение вихревых движений, возникающих в результате электрического конфликта, Эрстед пришел к убеждению, что они связаны с группой явлений, получивших название поляризация света. В сфере его интересов были жидкости и газы, чью упругость он изучал экспериментально. Ученому удалось сконструировать пьезометр – специальное устройство для измерения объема элементов, находящихся под воздействием гидростатического давления. Сегодня прибор используется для получения точных сведений об объемной упругости веществ, а также изучения фазовых переходов и других физико-химических процессов.
В то время пьезометр внешне был обычным сосудом, заполненным подвергавшейся изучению жидкостью, который погружался открытым концом в ртуть, расположенную на дне резервуара высокого давления. В процессе увеличения давления надо ртутью она начинала перемещаться в сосуд с изучаемой жидкостью. Величина подъема ртути, которая зависела от давления и степени сжимаемости жидкости определялась при рассмотрении в стеклянном пьезометре.
Также Эрстед всерьез интересовался проблемами акустики и намеревался доказать возможность возникновения электрических эффектов за счет воздуха. В 1825 году ему удалось получить чистый алюминий, однако сообщение об этом было опубликовано в малоизвестном издании, и пальма первенства в этом вопросе отошла к Фридриху Велеру.
Ханс Эрстед проводил огромную просветительскую работу. Он стоял у истоков общества по распространению естествознания, с 1829 года в течение многих лет возглавлял политехническую школу в Копенгагене. В 1830 году ученый был избран почетным членом Петербургской академии наук.
Ханс Эрстед ушел из жизни 9 марта 1851 года. Похороны ученого проходили ночью. Попрощаться с ним пришло огромное число людей, среди которых были представители королевской семьи, коллеги, чиновники. В своей стране он стал национальным героем, чья личность была известна каждому датчанину. Многие воспринимали уход из жизни великого физика как личную потерю и благодарили его за то, что он смог приоткрыть некоторые тайны нашего мира.
Интересные факты
- Благодаря Эрстеду, физику признали полноценной дисциплиной в университете Копенгагена, а сам ученый основал первую в стране физическую лабораторию.
- Ханс был награжден французской премией в 3 тысячи франков, учрежденной Наполеоном для ученых, совершивших самые значительные открытия в сфере электричества.
- Став известным, ученый взял под опеку культуру, учредив литературный журнал и поддерживая своего земляка, известного сказочника и тезку Андерсена.
- В честь Эрстеда был назван несложный опыт, который легко повторит любой школьник, насыпав на картонное основание металлические опилки и пропустив через его центр проволоку с электричеством – «вихрь электрического конфликта» будет налицо.
- Ассоциация учителей физики (США) вручает специальную «медаль Эрстеда», которая присуждается учителю года.
Медаль Эрстеда
