Глава 3. Электромагнитные явления. § 51. Магнитное поле — с. 188
§ 51. Вопрос 1. В чём состоит опыт Эрстеда?
Над магнитной стрелкой, свободно вращающейся на подставке, параллельно её оси располагают прямой проводник и подключают его к источнику тока. При замыкании цепи стрелка поворачивается и стремится расположиться перпендикулярно проводнику. Если изменить направление тока, стрелка поворачивается на 180°. Опыт показал, что электрический ток действует на магнитную стрелку на расстоянии и что электрические и магнитные явления связаны друг с другом (Эрстед, 1820 г.).
§ 51. Вопрос 2. Какие физические объекты создают магнитное поле?
Магнитное поле создаётся намагниченными телами (постоянными магнитами) и проводниками с током, то есть движущимися электрическими зарядами. Вокруг неподвижного электрического заряда существует только электрическое поле, а вокруг движущегося — и электрическое, и магнитное. Магнитное поле существует вокруг движущихся электрических зарядов (токов) подобно тому, как электрическое поле существует вокруг наэлектризованных тел.
§ 51. Вопрос 3. На какие физические объекты действует магнитное поле?
Магнитное поле действует с некоторой силой (магнитной силой) на другие намагниченные тела и на проводники с током, то есть на движущиеся электрические заряды. Например, оно поворачивает магнитную стрелку, притягивает железные предметы и действует на проводник с током. На неподвижные электрические заряды магнитное поле силового действия не оказывает.
§ 51. Вопрос 4. В чём заключается гипотеза Ампера?
Ампер предположил, что действие постоянного магнита объясняется существованием внутри него замкнутых микроскопических электрических токов. Если эти токи в теле расположены хаотично, их действия друг друга компенсируют, и тело не обнаруживает магнитных свойств. Если же токи расположены согласованно, их магнитные действия складываются, и тело становится магнитом. Дальнейшее развитие науки показало, что гипотеза Ампера справедлива.
§ 51. Дополнительный вопрос 1. Во времена Ампера строение атома не было известно, и природа микроскопических токов оставалась непонятной. Используя знания о планетарной модели атома, выдвиньте гипотезу о том, что могут представлять собой токи Ампера.
Согласно планетарной модели атома, вокруг положительно заряженного ядра по замкнутым орбитам движутся электроны. Движущийся по орбите электрон — это движущийся электрический заряд, то есть микроскопический замкнутый ток. Можно предположить, что токи Ампера — это токи, образованные движением электронов в атомах (вокруг ядер). В ненамагниченном теле такие микротоки направлены хаотично, а в намагниченном — согласованно, и их магнитные поля складываются. Современная физика подтверждает эту гипотезу и добавляет, что магнитными свойствами обладают и сами электроны.
§ 51. Дополнительный вопрос 2*. Магнитная стрелка, помещённая около провода, отклонилась при пропускании по нему электрического тока. За счёт какой энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?
Работа по повороту стрелки совершена за счёт энергии источника тока (например, гальванического элемента или аккумулятора). Источник создаёт ток в проводнике, ток создаёт магнитное поле, а поле поворачивает стрелку. Часть электрической энергии источника превращается в механическую энергию поворота стрелки (кроме того, часть идёт на нагревание проводов). Если бы источник был отключён, магнитного поля у проводника не было бы, и стрелка не отклонилась бы.
Задание 25. Через середину листа картона пропустите прямой проводник (например, полоску фольги). Насыпьте на картон железные опилки или мелко настриженные волосы. Пропустите электрический ток через проводник от батарейки. Слегка постукивая по картону, наблюдайте расположение опилок вокруг проводника. Поставьте на картон магнитную стрелку (компас), заметьте её расположение. Измените направление тока в проводнике. Меняется ли направление магнитной стрелки?
Опишите свои наблюдения.
Ход выполнения.
1. В середине листа картона делаем прорезь и пропускаем через неё полоску фольги (или толстый провод) перпендикулярно листу; концы подключаем к батарейке (4,5 В) через ключ. Ток включаем на короткое время, чтобы не перегреть фольгу.
2. Насыпаем на картон тонкий слой железных опилок, включаем ток и слегка постукиваем по картону. Наблюдение: опилки выстраиваются в цепочки, образующие концентрические окружности вокруг проводника; ближе к проводнику цепочки чётче, дальше — расплывчатее, поле слабее.
3. Ставим на картон компас: стрелка устанавливается по касательной к окружности (перпендикулярно направлению от проводника к стрелке), а не вдоль север — юг. Если переместить компас на другую сторону проводника, стрелка окажется направлена противоположно.
4. Меняем полярность подключения батарейки (направление тока): картина опилок не меняется, а магнитная стрелка поворачивается на 180°. Вывод: вокруг прямого проводника с током существует магнитное поле, магнитные линии — окружности с центром на проводнике; направление магнитных линий зависит от направления тока. Оговорка: наблюдаемое зависит от силы тока; в реальном опыте нужен ток порядка нескольких ампер, иначе опилки выстраиваются плохо.