МАГНЕТИЗМ
Исторический обзор
Первые упоминания о постоянных магнитах и их использовании в устройствах типа компаса встречаются в древнекитайских лето писях. О свойствах природных магнитов сообщается в трудах Фалеса Милетского (прибл. 600 до н. э. ). В китайской энциклопедии находятся и первые сведения об использовании магнитной стрелки на кораблях (262— 419 гг. н. э). Позже ее стали применять индийцы, арабы, греки, помещая магнит на плавающий в воде тростник. Название «магнит» возникло в связи с тем, что природные магниты были обнаружены греками в Магнесии (Фессалия). Магнитным силам приписывалось духовное происхождение – недаром и в настоящее время слово «магнетизм» имеет и другое значение – явления, обусловленные сверхъестественными силами
У. Гильберт (1540 — 1603). Гильберт первый отделил электричество от магнетизма, и именно после этого электричество и магнетизм стали изучать раздельно. Именно Гильберт ввел само понятие «электричество» . Под электричеством он стал понимать притягивание куском янтаря шерсти. До него это явление считали разновидностью магнетизма.
Ш. О. Кулон (1736 – 1806). Ш. О. Кулон выдающийся французский инженер и физик, более известный как один из основателей электростатики, установил не только закон взаимодействия точечных зарядов, но и аналогичный ему закон взаимодействия магнитных масс.
1820 год – начало новой эры в магнетизме
Х. Х. Эрстед (1777 -1851) В феврале 1820 года Эрстед - профессор химии Копенгагенского университета, случайно открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. Эрстед демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба. На лабораторном столе находились источник тока, провод, замыкающий его зажимы, и компас. Вдруг кто-то из студентов случайно заметил, что когда Эрстед замкнул цепь, стрелка компаса отклонилась в сторону. При размыкании цепи стрелка возвращалась в исходное положение. Уже в июне 1820 Эрстед печатает на латинском языке работу: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку» . В ней учёный пишет: «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут. Это было первое экспериментальное подтверждение связи электричества и магнетизма
А. М. Ампер (1775 -1836) В 1820 г. Ампер установил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера) , провёл опыты по исследованию взаимодействия между магнитом и электрическим током, обнаружил, что магнитное поле Земли влияет на движущиеся проводники с током. В том же году он обнаружил взаимодействие между электрическими токами (закон Ампера). Через два года Ампер открыл магнитный эффект катушки с током – "соленоида". Ему принадлежит заслуга введения в науку терминов "электростатика", "электродинамика", "электродвижущая сила", "напряжение", "гальванометр", "электрический ток" и даже… "кибернетика"
В том же 1820 году Араго заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки. Он изобрел электромагнит, пропустив ток по изолированной проволоке , намотанной на железный стержень. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив ее в катушку и разрядив лейденскую банку через катушку. В том же 1820 году Ж. Б. Био и Ф. Савар провели первые количественные определения действия тока на магнит.
Новый этап развития учения об электромагнетизме
М. Фарадей Трудно переоценить вклад М. Фарадея в становление науки о магнетизме. Если работами Х. Х. Эрстеда, А. М. Ампера, Ж. Био, Ф. Савара и других было установлено, что источниками магнитного поля и объектами его воздействия являются токи, то М. Фарадей открыл обратный эффект – изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток. Помимо открытия явления электромагнитной индукции М. Фарадей ввел понятие поля, посредством которого осущест вляется магнитное взаимодействие, предложил изображать это поле с помощью силовых линий. Он создал первый генератор электрического тока – диск, вращающийся в поле постоян ного магнита (диск Фарадея)
М. Фарадей обнаружил влияние магнитного поля на свет – «намагничивание света» , которое в современной физической литературе носит название «магнитного вращения плоскости поляризации» . Он также открыл явления диа и парамагнетизма, показав, что каждое вещество либо притягивается к полюсу магнита, либо отталкиваются от него. Один из вариантов индукционного прибора Фарадея представлял собой железное кольцо, на которое были намотаны две изолированные обмотки — первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Это было первой моделью трансформатора. Он первый выдвинул идею об электромагнитных волнах, считая, что на распространение электрической индукции требуется время, и что для описания этого процесса возможно применить теорию колебаний
Дж. Максвелл (1831 -1879) Самым большим научным достижением Джеймса Максвелла является созданная им в 1860 -1865 годах теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. По образному выражению Роберта Милликена, Максвелл «облёк плебейски обнажённое тело фарадеевских представлений в аристократические одежды математики» . В своей теории электромагнитного поля Максвелл использовал новое понятие - ток смещения, дал определение электромагнитного поля и предсказал новый важный эффект: существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) и его распространение в пространстве со скоростью света.
Г. Гертц (1857 -1894) Основное достижение Г. Гертца в области электромагнетизма – это экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное как разновидность электромагнитных волн.
Эксперименты Г. Гертца с электромагнитными волнами стимулировали дальнейшие работы в этом направлении. Так в августе 1894 г. , Лодж произвел первую успешную демонстрацию радиотелеграфии. Изобретённый Лоджем радиоприёмник «Прибор для регистрации приёма электромагнитных волн» содержал кондуктор - (когерер), источник тока, реле и гальванометр. Н. Тесла одним из первых запатентовал способ надёжного получения токов, которые могли быть использованы в радиосвязи. В 1891 году на публичной лекции он описал и продемонстрировал принципы радиосвязи. В 1893 году вплотную занялся вопросами беспроволочной связи и изобрёл мачтовую антенну.
А. С. Попов (1859 -1906) Александр Степанович Попов внес выдающийся вклад в практическое применение беспроводной электрической связи. Прибор А. С. Попова возник из установки для учебной демонстрации опытов Герца, построенной им с учебными целями ещё в 1889 году. В начале 1895 года он усовершенствовал когерер Лоджа, а также использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретенную Теслой. А. С. Попов продемонстрировал изобретённый им радиоприёмник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 года.
Магнетизм и движущиеся заряды
Даже после создания теории электромагнетизма Дж. Максвеллом в физике господствовали представления о неделимости атомов и в качестве объектов воздействия магнитного поля выступали токи, текущие по проводам. Исследования У. Крукса в 1869 -1875 гг. электрических разрядов в разреженных газах привело к открытию катодных лучей, а в 1886 г. немецкий физик Э. Гольдштейн, экспериментируя с решетчатым катодом, открыл каналовые лучи. В 1895 г. Ж. Б. Перрен обнаружил отклонение катодных лучей электрическим полем, доказав тем самым, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. В 1898 г. Вин показал, что каналовые лучи представляют собою пучок положительных ионов, изменяющих свое направление в магнитном поле.
Х. Лоренц (1853 -1928) После открытия свободно движущихся зарядов вне проводников возникла необходимость получения соотношения, которое бы определяло силу, действующую на электрический заряд со стороны магнитного поля, аналогичную силе Ампера – силе действующей на проводник с током в магнитном поле. Это соотношение было получено Х. Лоренцем в 1895 году.
Магнетизм в атомной физике
Экспериментальные исследования в области магнитных явлений, выполненные в конце 19 -начале 20 века, оказали решающее влияние на формирование основ атомной физики. Так в 1919 г. Астон по отклонению ионов в магнитном поле (масс-спектрограф) обнаружил, что один и тот же химический элемент может иметь различные массы (изотопы). Особо следует отметить работы Зеемана по расщеплению спектральных линий в магнитном поле, опыты Эйнштейна – де Гааза, Штерна – Герлаха, результаты которых привели к открытию собственного магнитного момента у электрона -спина. Как оказалось в дальнейшем строение атомов, аномальные магнитные свойства ферромагнетиков … определяются состоянием спина. В настоящее время ведутся активные разработки в области спинтроники, основанной на том, что электроны с разной ориентацией спина по-разному проходят через слои магнитных материалов. Работы в этом направлении позволили увеличить емкость компьютерных магнитных накопителей в тысячи раз!
РЕЗЮМЕ Как видно из данного исторического обзора развитие науки о магнетизме проходило достаточно сложным путем. На этом пути можно выделить несколько подходов к становлению раздела физики под названием «магнетизм» : 1. Магнетизм обусловлен существованием магнитных масс – северных и южных. Кулоном установлен закон взаимодействия магнитных масс, аналогичный закону взаимодействия электрических зарядов. 2. Магнетизм обусловлен электрическими токами. В качестве такого подхода аналогом пробного заряда в электростатике в магнетизме является контур с током. 3. Первопричиной возникновения магнитного поля являются движущиеся заряды как свободные, так и текущие по проводам. Однако действие магнитного поля на свободные заряды было обнаружено уже после создания Максвеллом электродинамики.
Основные законы магнетизма в плане их исторического развития
Северные и южные магнитные массы – источник и объект воздействия в «раннем» магнетизме
В 1600 г. Уильям Гильберт впервые показал, что Земля является магнитом. Для этого он изготовил магнит сферической формы, «маленькую Землю» . Затем, обходя с помощью небольшой намагниченной стрелки поверхность шара, он исследовал магнитные свойства своего шара и нашел, что они соответствуют магнитным свойствам Земли – большого магнита. Он установил, что у магнита всегда имеются два неразделимых полюса: если магнит распилить на две части, то у каждой из половинок оказывается вновь по паре полюсов. Полюса, которые Гильберт назвал одноименными, отталкиваются, а другие — разноименные — притягиваются
Аргументы Гильберта в пользу разделения электрических и магнитных явлений состояли в следующем: Сила янтаря перестает действовать, если на ее пути всего лишь листок бумаги, а магнит притягивает даже через толстые каменные, деревянные и металлические доски; Сила янтаря появляется от трения и вскоре исчезает, а магнит сохраняет свои свойства постоянно; Магнит притягивает лишь железо, а янтарь – все вещества; Магнит может поднять даже тяжелые предметы, янтарь – только легкие; Сила янтаря исчезает от влажного воздуха, а магниту даже вода нипочем.
Свойства постоянных магнитов Результат эксперимента: 1. Независимо от ориентации магнита стержневой формы мелкие железные предметы притягиваются только к торцевым его частям 2. Подковообразные магниты также притягивают мелкие железные предметы только своими торцевыми частями
РЕЗЮМЕ Независимо от формы и ориентации магнитные свойства постоянных магнитов сосредоточены на их торцах. Отсюда и появилось понятие северных и южных магнитных масс m. N m. S m. N - северная магнитная масса m. S - южная магнитная масса
Визуализация силового воздействия постоянных магнитов Если на стекло насыпать железные опилки и придвинуть магнит к стеклу с другой стороны, то эти опилки образуют фигуру, представленную на данной фотографии. Мелкие железные предметы, притягиваясь к магнитам, намагничиваются сами и, в свою очередь, становятся магнитами. Эти мелкие магнитики выстраиваются вдоль направлений силового воздействия магнита в окружающем пространстве.
Опыты Кулона по взаимодействию магнитных масс (1785 -1789 гг)
метод качания
Из теории колебаний следует, что квадрат числа колебаний N 2, совершаемых магнитной стрелкой за некоторый промежуток времени Δt пропорционален действию магнитного поля: N 2 ~H где H – напряженность магнитного поля. В первом случае N 02 ~H 0 , где H – напряженность магнитного поля Земли. В остальных случаях к полю Земли добавляется поле, создаваемое вертикально расположенным магнитом Для двух положений магнитной стрелки N 12 ~H 0+Hм 1 и N 22 ~H 0+Hм 2
Полагая, что закон взаимодействия магнитных масс аналогичен закону взаимодействия электрических зарядов, Кулон установил справедливость соотношения: Откуда следовал закон взаимодействия магнитных масс: Сила взаимодействия магнитных масс прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними
метод крутильных весов Метод крутильных весов, более известный как метод на основании которого Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов, был им же использован для изучения взаимодействия магнитных масс. Схема эксперимента
Постоянный магнит в виде однородного бруска подвешивался на тонкой упругой нити. В исходном состоянии магнит устанавливался вдоль магнитного меридиана при полностью раскрученной упругой нити. Затем нить закручивалась на определенный угол a 0 и при этом магнит поворачивался в поле Земли на угол j 0. Это позволило определить упругость нити. Далее на место положения торца подвешенного магнита помещался другой магнит, расположенный вертикально. Расстояние между одноименными полюсами этих магнитов можно было регулировать за счет изменения угла закручивания упругой нити.
Серия экспериментов, выполненная Кулоном, показала, что в пределах погрешности измерений выполняется закон Математическая форма этого закона в точности повторяет закон Кулона о взаимодействии электрических точечных зарядов, а также закон всемирного тяготения Ньютона. Кулон отметил существенное различие между электрическими и магнитными явлениями: мы можем разделить электрические заряды и получить тело с избытком положительного или отрицательного электричества, но мы никак не можем разделить в теле северный и южный магнетизм и получить тело с одним только полюсом.
P. S. В настоящий момент этот закон имеет чисторическое значение, поскольку от использования магнитных полюсов для определения характеристик магнитных полей пришлось отказаться, потому что нельзя изолировать отдельный полюс; ни положение, ни величину полюса нельзя точно определить; магнитные полюса – по существу, фиктивные понятия
От магнетизма Земли и магнитных масс к магнетизму токов. Опыты Эрстеда, Био и Савара, Ампера. (Электрический ток - источник и объект воздействия магнитного поля)
Открытие Эрстеда и попытки свести магнетизм к электростатике
Опыты Эрстеда при различной ориентации проводника с током по отношению к магнитному поля Земли Результат эксперимента: если проводник с током расположен вдоль магнитного меридиана, то отклонение стрелки компаса растет с увеличением силы тока
Результат эксперимента: если проводник с током расположен перпендикулярно магнитному меридиану, то либо стрелка компаса не реагирует на ток, либо поворачивается в противоположном направлении при смене направления тока
ток сила Из представленных результатов следует, что сила, действующая на магнитную стрелку со стороны тока, перпендикулярна линии, соединяющей стрелку с проводником (нормаль, опущенная из центра стрелки на проводник) В данном эксперименте не работает ньютоновский принцип взаимодействия тел – «сила взаимодействия направлена по линии, соединяющей тела» . Этот факт приводит к нарушению III закона Ньютона – «сила действия равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия»
Опыты Био и Савара
Био и Савар исследовали магнитные поля, создаваемые проводниками различной конфигурации. Рассмотрим один из таких опытов – магнитное поле прямого проводника с током. В этом эксперименте, по-существу, был повторен опыт Кулона, в котором сила магнитного воздействия оценивалась по периоду колебаний магнитной стрелки. Разница состояла лишь в том, что вместо вертикально расположенного магнита был использован прямой проводник с током.
Было установлено: а) маленькая магнитная стрелка вблизи проводника с током ориентируется под прямым углом к перпендикуляру, опущенному из центра стрелки на проводник; б) сила, с которой действует на магнитную стрелку данный ток, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до магнитной стрелки. В дальнейшем результаты опытов Ж. Б. Био и Ф. Савара были обобщены теоретически Лапласом
Опыты Ампера
Магнитное взаимодействие прямых токов Результат эксперимента: параллельные токи, направленные в одну сторону притягиваются, в противоположную – отталкиваются
Такого рода притяжение/отталкивание токов нельзя было объяснить в рамках электростатики При замыкании ключа К показания амперметров А 1 и А 2 одинаковы в любой момент времени (входящий в проводник заряд равен выходящему) – прохождение тока по проводнику не связано с изменением его электронейтральности Если между токами поместить проводящий лист (не ферро- магнетик) и заземлить его, то электрическое поле между проводниками будет полностью экранировано –но характер притяжения токов не изменится
Станок Ампера Для определения характера взаимодействия токов различной конфигурации Ампер использовал станок оригинальной конструкции Он состоит из изолирующей подставки (1) и токовводов (2), которые оканчиваются чашечками со ртутью. Напряжение от источника тока (3) по токопроводам (4), опирающимся на дно чашечек со ртутью, подается на проводящий контур различной конфигурации (5), что обеспечивает свободное вращение этого контура под действием магнитного поля.
Магнитное взаимодействие двух соленоидов Результат эксперимента: соленоиды, обращенные друг к другу одинаковыми полюсами отталкиваются, а разноименные – отталкиваются. Магнитное поле, создаваемое соленоидом с током эквивалентно полю постоянного магнита.
Исходя из аналогии между полем постоянного магнита и соленоида Ампер предположил, что и стационарное поле постоянных магнитов обусловлено круговыми токами, постоянно циркулирующими внутри этих магнитов. Поля, создаваемые круговыми токами внутри магнитов взаимно уничтожают друга и остается поле нескомпенсированной части токов, текущих по внешней поверхности.
Вопрос о том каким образом осуществляется взаимодействие токов через пустоту? Или о магнитном поле и его изображении с помощью силовых линий
Как следует из исторического обзора, взгляды на природу магнетизма претерпели кардинальные изменения: Самые ранние представления о природе магнетизма были связаны с силами духовного происхождения. До 18 века явления магнетизма объясняли с помощью флюида - гипотетической тончайшей жидкости. Эрстед утверждал, что магнетизм возникает в результате неизбежного конфликта между положительным и отрицательным аспектом электричества. Био считал, что если по проводнику пропускать ток, то он становится магнитом. Ампер отрицал существование в природе магнитных флюидов и предложил свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Все эти воззрения опирались на Ньютоновскую концепцию дально- действия – взаимодействие тел осуществляется мгновенно без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии.
Фарадей первым отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. - концепция теории близкодействия Он ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий, считая их реально существующими, обладающими упругостью и способными изменять свою форму подобно резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии. В дальнейшем Фарадеевское представление о силовых линиях как о материальных образованиях было отброшено, но существо его идей получило полное признание. Картину силовых линий магнитного поля можно визуализировать с помощью множества мелких магнитных стрелок, которые использовались в экспериментах Био и Савара, либо мелкие железные опилки, как это делали Араго и сам Фарадей
Картина силовых линий магнитного поля прямого проводника с током ток B поле Мелкие железные опилки намагничиваются в магнитном поле и ведут себя как маленькие магнитные стрелки, выстраиваясь по полю. Правило буравчика: Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции» .
Картина силовых линий магнитного поля кругового проводника с током ток поле Мелкие железные опилки намагничиваются в магнитном поле и ведут себя как маленькие магнитные стрелки, выстраиваясь по полю. Правило буравчика: Если вращение ручки буравчика совпадает с направлением тока , то буравчик ввинчивается по направлению вектора магнитной индукции» .
Картина силовых линий магнитного поля соленоида ток поле Правило буравчика: Если вращение ручки буравчика совпадает с направлением тока , то буравчик ввинчивается по направлению вектора магнитной индукции» .
Теория Дж. К Максвелла вводит в физику фундаментальное понятие единого электромагнитного поля, реально существующего в отрыве от зарядов и токов его породивших, и способного переносить энергию в окружающем пространстве. В этой теории средой, в которой распространяются электрические и магнитные волны, является эфир. Сам Дж. К. Максвелл рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механистических процессов в эфире. Однако свойства эфира не могли быть сведены к свойствам механистических процессов, которые обеспечили бы распространение электромагнитных волн. С появлением теории относительности идея эфира как носителя электрических и магнитных явлений была признана ошибочной.
Современное понятие о магнитном поле Магнитное поле (м. п. )— это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между токами. Источник м. п. электрические токи. Объект воздействия также электрические токи. Магнитное поле – это одна из составляющих единого электро магнитного поля, способного переносить энергию в пространстве. В отличие от электростатики силовые линии магнитного поля являются замкнутыми. Основной характеристикой магнитного поля является его сила, действующая на проводник с током, которая определяется вектором магнитной индукции.
РЕЗЮМЕ Опыты Эрстеда, Био и Савара, Ампера наглядно показали, что источником магнитного поля и объектом его воздействия являются электрические токи. Для количественного описания магнитного поля необходимо указать способ определение основной характеристики этого поля – индукции магнитного поля. В электростатике количественные характеристики поля определялись на основании поведения пробного точечного заряда в этом поле. В данном случае в качестве аналога пробного заряда удобнее всего использовать плоский контур с током.
Скачать презентацию МАГНЕТИЗМ Исторический обзор Первые упоминания о
МАГНЕТИЗМ Ч1A.pptx