Опыт Эрстеда устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. О существовании такой связи догадывались еще первые исследователи, которых поражала аналогия электрических и магнитных явлений. Например, притягивание и отталкивание. В электростатике разноименных и одноименных зарядов. В магнетизме разноименных и одноименных полюсов.
Основным затруднение для проведения опытов связывающих эти два явления было отсутствие источника, который мог бы продолжительное время обеспечивать электрический ток. Но, тем не менее, уже даже с лейденской банкой проводились опыты, например по намагничиванию иглы.
Кардинально же все изменилось после опытов Вольта. С появлением батареи Вольта появилась возможность проводить подобные опыты. Но, тем не менее, потребовалось достаточно длительное время с момента появления батарее до открытия связи между электрическими и магнитными явлениями. Причиной тому был классический Ньютоновский взгляд на происходящие процессы.
Первым же кто провел успешный опыт, это был Эрстед. В его опыте использовалась металлическая проволока, натянутая между двух стоек. Под проволокой располагалась магнитная стрелка таким образом, что она выравнивалась по магнитному полю земли. То есть она смотрела с севера на юг. К проволоке через ключ был подключен источник тока. Изначально ток в цепи отсутствовал. А проволока располагалась параллельно стрелке.
Опыт заключался в том, что при включении тока в цепи магнитная стрелка поворачивалась на угол 90 градусов, то есть перпендикулярно проволоке. При этом она совершала несколько колебаний и успокаивалась в таком положении. При отключении тока магнитная стрелка вновь возвращалась в исходное положение. То есть, выравниваясь вдоль поля земли.
После того как Эрстед опубликовал статью с результатами своего опыта все известные ученые того времени начали заниматься данной проблемой. После этого, появилось много открытий. Например, Фарадей выдвинул теорию о силовых линиях магнитного поля. Или был получен известный закон Био Савара Лапласа. Названный в честь трех учёных участвовавших в его открытии. Опыт Эрстеда также можно организовать, не используя лабораторное оборудование. Для него можно использовать высокий стакан с водой широкую чашку с раствором соли в воде. Берем иглу, намагничиваем ее с помощью постоянного магнита, смазываем жиром и опускаем на поверхность воды в стакане, не нарушая при этом поверхностного слоя. Таки образом получаем магнитную стрелку.
Теперь необходимо обеспечить проводник с током. Его роль будет выполнять чайная ложка, которую нужно положить на стакан с водой. Далее необходимо соорудить источник тока. Для этого возьмем немного угля завернем в тряпку и присоединим все это к ручке вилки. Которую опустим концом, на котором уголь, в чашку с соленой водой. А другим концом положим на чайную ложку.
В качестве второго электрода будет выступать цинковая пластина, опущенная в чашу с соленой водой одним концом, а вторым концом она должна ложиться на чайную ложку.
В результате всех этих манипуляций будем наблюдать поворачивание иглы то в направлении поля земли то под действием поля “чайной ложки”. Если будем размыкать и замыкать импровизированную цепь.
Что является предметом исследования в опытах эрстеда
Опыты Ганса Кристиана Эрстеда
В опрос о взаимоотношении электричества и магнетизма еще долгое время оставался неясным, хотя многочисленные факты говорили об их тесной связи. Так, во время гроз перемагничивались стрелки компасов и намагничивались железные предметы. Но только в 1820 году было сделано решающее открытие в этом вопросе. А вот одна из версий этого события.
15 февраля 1820 года профессор Копенгагенского университета Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), читая лекции студентам, демонстрировал тепловое действие тока. Случайно около нагреваемой пропускаемым по ней током проволоки оказался компас, не убранный с предыдущего занятия. Один из студентов обратил внимание, что стрелка компаса поворачивается, когда по проволоке идет ток, и указал на это профессору. Так было открыто магнитное действие тока.
Справедливости ради, однако, укажем, что Эрстед был не первым, заметившим это явление. Еще в 1802 году итальянский физик Романьези описал в «мемуаре», что «гальванический ток заставляет отклоняться магнитную стрелку». Однако, открытие Романьези не было оценено по
достоинству, и Эрстед натолкнулся на явление совершенно самостоятельно.
Когда 43-летний копенгагенский профессор Ганс Христиан Эрстед (1777. 1851) разослал европейским коллегам свой ставший сразу знаменитым «Памфлет» о действии электрического тока на магнитную иглу – всего четыре странички на латинском языке – и когда многие ученые смогли с ним познакомиться, их удивлению не было границ. Неужели ток действует на магнит столь странно?
Чтобы разобраться в «проблеме Эрстеда», которую бесспорно следует считать ключевой в учении об электричестве и магнетизме, нужно вернуться на два столетия назад и представить себе маленький датский остров Лангеланд, городок на нем под названием Рюдкобинг и семью бедного аптекаря, в которой родился Ганс Христиан. Нужда гналась за семьей по пятам, и начальное образование братьям Гансу Христиану и Андерсу пришлось получать где придется: городской парикмахер учил их немецкому; его жена – датскому; пастор маленькой церквушки научил их правилам грамматики, познакомил с историей и литературой; землемер научил сложению и вычитанию, а заезжий студент впервые рассказал им удивительные вещи о свойствах минералов, пробудил любознательность и приучил любить аромат тайны.
В двадцать лет Ганс, приобщенный к науке и познавший столь малую часть ее, уже вынужден был стоять за стойкой отцовской аптеки и помогать ему. Здесь медицина надолго пленила его, потеснив химию, историю, литературу, и еще более укрепила в нем уверенность в его научном предназначении. Он решает поступить в Копенгагенский университет, но не знает, что изучать. Он берется за все: за медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. Он увлечен всем сразу и всем серьезно. Как нельзя кстати помогла стипендия, основанная тем самым доктором медицины Кратценштейном, который родился в Германии (шестой сын бедного учителя), окончил университет в Галле, несчастливо служил в Академии Санкт-Петербурга, после чего 42 года преподавал в университете города Копенгагена.
Вместе с Гансом учился и брат, но юриспруденции. Держась за руки, братья гуляли по зеленым лужайкам университетских дворов или сидели на ступенях старинных зданий или в гулких аудиториях, отрешенные, с горящими глазами. Их начинающееся служение науке было сродни какому-то мистическому действу, столь подходящему для этих монастырских стен и холодных келий со стрельчатыми окнами.
Ганс был счастлив в университетских стенах; он писал позднее, что для того, чтобы юноша был абсолютно свободен, он должен наслаждаться в великом царстве мысли и воображения, где есть борьба, где есть свобода, где побежденному дано право восстать и бороться снова. Он жил, упиваясь трудностями и первыми небольшими победами, познанием новых истин и устранением предыдущих ошибок.
Но чем он занимался? Золотая медаль университета 1797 г. была присуждена ему за эссе «Границы поэзии и прозы». Он разбрасывался и, казалось, заранее ставил крест на своей научной карьере, предпочитая разносторонность профессионализму. Следующая его работа, также высоко оцененная, была посвящена свойствам щелочей, а диссертация, за которую он получил звание доктора философии, – медицине (как и у Кратценштейна).
Наступило новое столетие. В вихре французской революции, на полях сражений американской войны за независимость рождалось новое восприятие мира, очищение умов и душ от устоявшихся догм, ветер свободы манил молодых. Начавшийся промышленный переворот затопил традиционный мир техники нескончаемым потоком новых практических изобретений. Век XIX заявил о себе новым образом жизни и мыслей, новыми социальными и политическими идеями, новой философией, новым восприятием искусства и литературы. Все это захватывает Ганса, он стремится попасть туда, где бурлит жизнь, где решаются главные научные и философские вопросы, – в Германию, Францию, другие европейские страны. Дания была в этом смысле провинцией Европы, и Эрстед не мог и не хотел там оставаться. Он искал понимания, он искал новых друзей.
Его талант, упорство и случайность сплелись в счастливый клубок, и вот он, блестяще защитив диссертацию, едет по направлению университета на годичную стажировку во Францию, Германию, Голландию. В то время он скорее был философом, чем физиком. Его новые друзья – большей частью философы. Много времени он провел в Германии. Там он слушал лекции Фихте о возможностях исследований физических явлений с помощью поэзии, о связи физики с мифологией. Ему нравились лекции Шлегеля, но Эрстед не мог согласиться с ним в необходимости отказа от непосредственного, экспериментального исследования физических явлений.
Его поразил Шиллинг, как ранее поразил Гегель. Его увлекла идея о всеобщей связи явлений, он увидел в ней оправдание и смысл своей кажущейся разбросанности – все изучавшееся им оказывалось, по этой философии, взаимосвязанным и взаимообусловленным. Он стал одержим идеей всеобщей связи. Связи всего со всем. Быстро нашлась и родственная душа, мыслящая так же, как он, столь же разносторонняя и романтичная. Это был физик Риттер, изобретатель аккумулятора, гениальный фантазер, источник сумасброднейших идей. В одном из писем Эрстеду Риттер, в частности, высказал такую мысль: годы максимальных наклонений эклиптики, по его мнению, соответствовали годам самых крупных открытий в области электричества. Так, 1745 г. отмечен изобретением лейденской банки, в 1746 г. Вильке изобрел электрофор, в 1782 г. появился конденсатор Вольта, а в 1801 г. – вольтов столб. «Вы можете теперь вычислить, – писал Риттер, – что эпоха новых открытий наступит в 1819 или 1820 году, и мы сможем стать ее свидетелями». Иногда такие предсказания сбываются, хотя и не в полной мере. Это предсказание сбылось, открытие произошло в 1820 г., сделал его Эрстед, но Риттеру не пришлось быть свидетелем этого. Он умер в 1810 г.
Идея всеобщей связи не давала Эрстеду покоя. Необычайная энергия, свойственная ему с детства, вела его к новым и новым поискам. В 1813 г. во Франции выходит его труд «Исследования идентичности химических и электрических сил». В нем Эрстед впервые высказывает идею о связи вольтова электричества и магнетизма. Он пишет: «Следует испробовать, не производит ли электричество. каких-либо действий на магнит. » Его соображения были – простыми: электричество рождает свет – искру, звук – треск, наконец, оно может производить тепло – проволока, замыкающая зажимы лейденской банки, нагревается. Не может ли электричество производить магнитных действий? Говорят, Эрстед не расставался с магнитом. Этот кусочек металла должен был заставлять его думать.
Идея связи электричества и магнетизма носилась в воздухе, и многие лучшие умы Европы были ею увлечены. Еще Франц Ульрих Теодор Эпинус подмечал их сходство, а француз Франсуа Араго потратил много лет для сбора таинственных, на первый взгляд, историй о кораблях, сокровищах и необычных небесных явлениях, в которых он тоже видел эту ускользающую связь.
Не ясна даже дата открытия. Одни исследователи относят его к 1819 г., другие – к 1820. Кое-кто сомневается даже в авторстве Эрстеда. Действительно, обстоятельства открытия дают возможность для кривотолков. 15 февраля 1820 г. Эрстед, уже заслуженный профессор, читал студентам лекции по физике. На лабораторном столе находились вольтов столб, провод, замыкающий его, зажимы и компас. В то время, когда Эрстед замыкал цепь, стрелка компаса вздрагивала и поворачивалась по направлению к проводу. Это было первое непосредственное подтверждение связи электричества и магнетизма. Это было то, что так долго искали все европейские и американские физики. Решение проблемы было потрясающе просто.
Казалось бы, все ясно. Эрстед продемонстрировал студентам еще одно подтверждение своей давнишней идеи о всеобщей связи разнородных явлений. Но почему же возникают сомнения, почему вокруг этого события впоследствии разгорелось так много жарких споров? Дело в том, что студенты, присутствовавшие на лекции, рассказывали потом совсем другое. По их словам, Эрстед хотел продемонстрировать на лекции всего лишь интересное свойство электричества нагревать проволоку, а компас оказался на столе совершенно случайно.
И именно случайностью объявили они то, что компас лежал рядом с этой проволокой, и совсем случайно, по их мнению, один из зорких студентов обратил внимание на поворачивающуюся стрелку, а удивление профессора, по их словам, было неподдельным. Сам Эрстед в своих позднейших работах писал: «Все присутствующие в аудитории – свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью, как бы хотел заключить профессор Гильберт из тех выражений, которые я использовал при первом оповещении об открытии».
Следует сказать, что отклонение стрелки компаса в лекционном опыте было весьма незначительным, и поэтому в июле 1820 г. Эрстед снова повторил эксперимент, используя более мощные батареи. Эффект был значительно сильнее, причем тем сильнее, чем толще проволока, которой он замыкал контакты батареи. (Чем больше диаметр проволоки, тем меньше ее сопротивление и, стало быть, больше ток короткого замыкания.) Кроме того, он выяснил одну странную вещь, не укладывающуюся в ньютоновские представления о действии и противодействии. Выражаясь его же словами, «магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение».
Чем же был поражен ученый? Почему в своем четырехстраничном памфлете он тщательно перечисляет свидетелей, не забывая упомянуть ни об одной из их заслуг? Среди них «Лауриц Эсмарх – видный ученый; министр юстиции, достойный человек Влейкель – кавалер ордена Дании; удостоенный высочайших наград Гаук, чье знакомство с естественными науками прославлено в стране, Рейнхард, профессор естественной истории; Якобсон, профессор медицины, человек, обладающий высочайшим мастерством проведения экспериментов; опытнейший химик Цейзе, доктор философии. »
Дело в том, что Эрстед, трактуя эксперимент, заронил глубокую мысль, мысль о вихревом характере электромагнитных явлений.
«Вихреобразность» процесса, вызывающего в памяти водоворот, вихрь, спираль, долго не находила сторонников, и даже Фарадей поначалу не оценил эту мысль.
Он еще долго был убежден в том, что силы, действующие между проводниками с током и магнитной стрелкой, – это силы притяжения и отталкивания, подчиняющиеся законам Ньютона.Опыт Эрстеда доказывал не только связь между электричеством и магнетизмом. Не напрасно Эрстед в своем памфлете перечисляет свидетелей. То, что открылось ему, было новой тайной, не укладывающейся в рамки ньютоновских законов и прямо нарушающей третий из них: направления возмущающей силы – электричества (определяемого направлением провода) и силы реакции – магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки) были у Эрстеда перпендикулярны. Ученые, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, впервые видели «противодействие», не противоположное по направлению «действию».
Памфлет Эрстеда вышел в свет 21 июля 1820 г. Мы не случайно точно указываем дату. Дальнейшие события развивались в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе. Уже через несколько дней памфлет появился в Женеве, где в то время находился с визитом Араго. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало ему, что найдена разгадка задачи, над которой бился и он, и многие другие. Впечатление от опытов было столь велико, что один из присутствующих при демонстрации поднялся и с волнением произнес ставшую впоследствии знаменитой фразу: «Господа, происходит переворот. »
Араго возвращается в Париж потрясенный. На первом же заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 г. он делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 11 сентября, т.е. через неделю, показать всем присутствующим опыт Эрстеда.
Сообщение Араго слушал и внезапно побледневший академик Ампер. Он, должно быть, почувствовал в тот момент, что пришла его пора перед лицом всего мира принять из рук Эрстеда эстафету открытия. Он долго ждал этого часа, успел состариться, превратиться из юноши в солидного профессора. И вот час пробил – 4 сентября 1820 г. Ампер понял, что должен действовать. Через две недели он сообщил о рождении электродинамики.
После открытия почести посыпались на Эрстеда как из рога изобилия: он был избран членом многих авторитетнейших научных обществ, в том числе Лондонского Королевского общества и Академии Франции, англичане присудили ему медаль Копли, а из Франции он получил давно заслуженный им приз в 3000 золотых франков, некогда назначенный Наполеоном для авторов самых крупных открытий в области электричества.
Принимая все эти почести, Эрстед никогда не забывал о том, что новый век требует нового подхода к обучению. Он основал в Дании общество для поощрения научных занятий. Польщенный европейской славой Эрстеда, король Фредерик VI пожаловал ему Большой крест Данеборга – высшую награду и, кроме того, разрешил основать Политехнический институт. В те же годы Эрстед организует литературный журнал, читает просветительные лекции для женщин, покровительствует «маленькому Гансу Христиану», своему тезке, будущему великому писателю Гансу Христиану Андерсену. Он совершает десятки заграничных поездок, блестяще овладевает немецким, французским, английским, латинским языками, на которых он читает лекции о науке и литературе. Эрстед становится национальным героем.
Опыт Эрстеда — классический опыт, проведённый в 1820 году Эрстедом и являющийся первым экспериментальным доказательством воздействия электрического тока на магнит.
Суть опыта
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…».
Объяснение опыта
Согласно современным представлениям, при протекании через прямолинейный проводник электрического тока в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой окружности с центром на оси проводника. При этом величина магнитного поля пропорциональна силе тока, текущего в проводнике, и обратно пропорциональна расстоянию до проводника:
где B — модуль вектора индукции магнитного поля, i — сила тока, r — расстояние от точки наблюдения до проводника, c — скорость света (здесь использована запись в гауссовой системе единиц).
При помещении в магнитное поле вещества, имеющего ненулевой магнитный момент (магнита), на него начинает действовать момент силы Лоренца, пропорциональный индукции магнитного поля и величине магнитного момента, а также синусу угла между их векторами:
Момент сил стремится выстроить магнитную стрелку параллельно направлению вектора магнитной индукции, то есть перпендикулярно проводнику с током. Этот эффект тем сильнее, чем выше сила тока в проводнике и чем больше сила магнита. На практике действию магнитной силы противостоят силы трения в точке крепления магнитной стрелки, поэтому эффект может быть слабо выражен.
Роль опыта в истории физики
Описанный 21 июля 1820 года в краткой статье «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam» опыт стал первым экспериментальным доказательством взаимосвязи электрических и магнитных явлений.
«Современная профориентация педагогов и родителей, перспективы рынка труда и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Опыт Эрстеда Магнитное поле тока
Цели и задачи урока: Познакомить учащихся с понятием магнитное поле, силовой характерис-тикой магнитного поля, графическим изображением магнитных полей, правилами буравчика и правой руки.
СОДЕРЖАНИЕ Биография Г.Х. Эрстеда Схема опыта Эрстеда Магнитное поле Силовые линии магнитного поля Правило правой руки Тест
ЭРСТЕД Ганс Христиан Важнейшая научная заслуга Эрстеда – установление связи между электрическими и магнитными явлениями в опытах по отклонению магнитной стрелки под действием проводника с током.
Схема опыта Эрстеда
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ Что доказывает опыт Эрстеда? Имеет ли значение, где помещена стрелка: под или над проводником? Влияет ли на результат опыта величина силы тока в проводнике? Что изменится, если поменять полярность полюсов источника тока? Как лучше ориентировать проводник для наибольшего отклонения стрелки?
Магнитное поле Магнитные линии Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами. магнитные линии являются замкнутыми; за направление магнитных линий принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки; по густоте магнитных линий судят о силе магнитного поля.
Неоднородное Однородное магнитное поле магнитное поле линии магнитного поля искривлены; густота линий меняется от точки к точке; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различна как по модулю, так и по направлению. магнитные линии параллельны друг другу; густота линий одинакова; в любой точке поля сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Правило правой руки если обхватить проводник правой рукой, направив большой палец по направлению тока в проводнике, то согнутые четыре пальца укажут направление магнитных линий.
Магнитное поле витка с током Правило буравчика для витка если вращать буравчик по направлению тока в витке, то направление поступательного движения конца буравчика покажет направление магнитных линий в центре витка.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-1395534
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
В России утвердили новый порядок формирования федерального перечня учебников
Время чтения: 1 минута
В Петербурге школьникам разрешили уйти на каникулы с 25 декабря
Время чтения: 2 минуты
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
В Москве новогодние каникулы в школах могут начаться с 27 декабря
Время чтения: 1 минута
МГУ откроет первую в России магистерскую программу по биоэтике
Время чтения: 2 минуты
В МГПУ сформулировали новые принципы повышения квалификации
Время чтения: 4 минуты
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
