Опыты по электромагнетизму

Многие важные законы электродинамики установлены экспериментально. Рассмотрим некоторые из них.

Эксперименты Эрстеда

Эксперименты Эрстеда показали, что электрический ток создает магнитное поле. В 1820 году датский ученый проводил опыты, размещая магнитную стрелку параллельно проводу с током.

При следовании тока через проводник стрелка поворачивалась.

Данное открытие случайным не назовешь. Еще в самом начале века Эрстед задался целью исследовать вопрос: оказывает ли электрический ток действие на магнит.

Позднее М. Фарадей писал об Эрстеде: «Настойчивость, с которой он стремился к совей цели, была вознаграждена открытием нового факта, о существовании которого никто, кроме него, даже отдаленно не мог предполагать...».

В опытах Эрстеда проявилось родство между магнетизмом и электричеством. Стало очевидным:

• что на неподвижные электрические заряды магнитная стрелка не реагирует;
• перемещающиеся заряды (электрический ток) способны оказать влияние на магнитную стрелку.

Важным выводом из опытов Эрстеда стало то, что магнетизм связан не со статическими электрическими полями, а с электрическим током.

Эксперименты Эрстеда позволили найти новый тип взаимодействия электрических зарядов.

Эксперименты Ампера

В том же году, что и Эрстед, французский физик и математик А. М. Ампер установил, что два параллельных проводника с токами, взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются).

Основываясь на своих экспериментах, А. Ампер сделал вывод о том, что воздействие тока на магнит и магнитов друг с другом объясняется, если допустить, что внутри магнита постоянно циркулируют молекулярные круговые токи. При этом все явления в магнетизме можно объяснить взаимодействием перемещающихся зарядов, и никаких особенных магнитных зарядов в природе не существует.

В соответствии с теорией близкодействия каждый перемещающийся электрический заряд порождает вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле является непрерывным в пространстве, и оно оказывает действие на другие перемещающиеся электрические заряды.

Силы, возникающие при действии магнитного поля на проводник с током, назвали силами Ампера. Величина максимальной силы Ампера, действующей на прямой проводник с током равна:

$F=IBl (1)$,

где $I$ -сила тока в проводнике; $ B$ - величина магнитной индукции однородного поля; $l$ - длина проводника.

Существованием сил Ампера объясняется ориентирующее действие магнитного поля при внесении в него рамки с током.

Эксперимент по обнаружению силовых линий магнитного поля

Магнитные поля можно характеризовать при помощи вектора индукции магнитного поля ($\vec B$). Для визуализации картины, описывающей поля используют понятие силовых линий.

Картину силовых линий магнитного поля можно продемонстрировать на простом опыте.

1. Прямой проводник с током пропустить сквозь отверстие, например, в картоне.
2. Вокруг проводника на картоне насыпать железные опилки.
3. Пропустить по проводнику ток.
4. Опилки выстроятся по силовым линиям магнитного поля, образовав концентрические окружности, с центром на оси провода.

Изменяя форму проводника, можно увидеть, что картина «нарисованная» железными опилками будет иная.

Эксперименты М. Фарадея

Если движущиеся электрические заряды создают магнитное поле, то нужно получить ответ на следующий вопрос: «Не может ли магнитное поле порождать электрический ток?». Этот вопрос занимал физиков знакомых с экспериментами Эрстеда вплоть до 1831 года. В этот год М. Фарадей сделал свое фундаментальное открытие. Он обнаружил явление электромагнитной индукции.

Причина того, что данный вопрос долго не могли решить: сложно было увидеть, что только переменное магнитное поле способно возбуждать электрический ток.

Фарадей провел следующий эксперимент. На широкую катушку из дерева он намотал две проволоки (витки одной были расположены между витками другой). Витки проволок были изолированы друг от друга. Одну спираль ученый соединил с гальванометром, другую с источником тока. Замыкая цепь, он увидел, что в этот момент через гальванометр проходил ток.

Аналогичная ситуация возникала при размыкании исследуемой цепи. При постоянном течении тока никаких индукционных токов через гальванометр обнаружено не было.

Так, вначале была открыта индукция при размыкании и замыкании цепи в неподвижных (по отношению друг к другу) проводниках.

Далее, Фарадей экспериментально показал, что ток индукции появляется при перемещении катушек относительно друг друга. Ученому были известны работы Ампера, и он представлял магнит, как систему молекулярных микротоков.

17 октября 1831 года в своем лабораторном журнале Фарадей сделал запись о том, что им был обнаружен ток индукции в катушке, когда он вдвигал (выдвигал) в нее постоянный магнит. За месяц ученый выявил почти все значимые характеристики явления электромагнитной индукции.

И так, в замкнутом проводящем контуре появляется индукционный ток если:

• контур неподвижен (или движется) в изменяющемся магнитном поле;
• контур перемещается в постоянном магнитном поле;

самое главное, чтобы количество силовых линий магнитного поля, которые пронизывает, рассматриваемый контур изменялось.

Появление тока индукции означает, возникает электродвижущая сила (ЭДС), названная ЭДС индукции.

В математическом виде закон, описывающий электромагнитную индукцию, представляют в виде:

$Ɛ_{i}=-\frac{dФ}{dt}\left( 2 \right)$,

где $Ɛ_i$ - электродвижущая сила индукции; $Ф$ - магнитный поток (поток магнитной индукции)

Генератор Фарадея

На основе своего открытия электромагнитной индукции ученый создал первую модель генератора электрического тока, который преобразовывал энергию механического вращения в электричество.

Основными элементами данного генератора стали:

• Медный диск большой массы.
• Сильный магнит.

Диск совершал вращения между полюсами магнита. Ось и край диска Фарадей соединил с гальванометром. Приводя диск во вращение, он увидел, что стрелка гальванометра отклоняется.

Индукционный ток получался очень слабым, но предложенный принцип в дальнейшем был положен в основу создания мощных генераторов.