28-10-2018

Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств. Но не эти исследования, интересные сами по себе, и не его математические работы сделали имя Ампера знаменитым. Классиком науки, всемирно известным ученым он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма. В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока - создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед - открыл взаимодействие токов. Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах. О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В докладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты. Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? - спросил Ампера один из его противников. - Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Аліпер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда». 182 Несмотря на нападки своих научных противников. Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука - электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели. С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время. Ампер сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью... Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах Я располагаю считанными минутами».

Тема 10. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯДЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

10.1. Закон Ампера.

10.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током. 10.4. Единицы измерения магнитных величин. 10.5. Сила Лоренца.

10.6. Эффект Холла.

10.7. Циркуляция вектора магнитной индукции.

10.8. Магнитное поле соленоида.

10.9. Магнитное поле тороида.

10.10. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

10.1. Закон Ампера.

В 1820 г. А. М. Ампер экспериментально установил, что два проводника с током взаимодействуют друг с другом с силой:

	F = k	I 1I 2

где b – расстояние между проводниками, аk – коэффициент пропорциональности зависящий от системы единиц.

В первоначальное выражение закона Ампера не входила никакая величина характеризующая магнитное поле. Потом разобрались, что взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле и следовательно в закон должна входить характеристика магнитного поля.

В современной записи в системе СИ, закон Ампера выражается формулой:

Если магнитное поле однородно и проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, то

где I = qnυ др S – ток через проводник сечениемS.

Направление силы F определяется направлением векторного произведения или правилом левой руки (что одно и тоже).Ориентируем пальцы по направлению первого вектора, второй вектор должен входить в ладонь и большой палец показывает направление векторного произведения.

Закон Ампера – это первое открытие фундаментальных сил зависящих от скоростей. Сила зависящая от движения! Такого еще не было.

10.2. Взаимодействие двух параллельных бесконечных проводников с током.

Пусть b – расстояние между проводниками. Задачу следует решать так: один из проводниковI 2 создаёт магнитное поле, второйI 1 находится в этом поле.

Магнитная индукция, создаваемая током I 2 на расстоянииb от него:

B 2 = µ 2 0 π I b 2 (10.2.1)

Если I 1 иI 2 лежат в одной плоскости, то угол междуB 2 иI 1 прямой, следовательно

sin (l ,B ) =1 тогда, сила, действующая на элемент токаI 1 dl
F21 = B2 I1 dl=				µ0 I1 I2 dl
				2 πb
На каждую единицу длины проводника действует сила
F 21 ед=						I1 I2

(разумеется, со стороны первого проводника на второй действует точно такая же сила). Результирующая сила равна одной из этих сил! Если эти два проводника будут

воздействовать на третий, тогда их магнитные поля B 1 иB 2 нужно сложить векторно.

10.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током.

Рамка с током I находится в однородном магнитном полеB , α – угол междуn иB (направление нормали связано с направлением тока правилом буравчика).

Сила Ампера действующая на сторону рамки длиной l равна:

F1 = IlB(B l ).

На другую сторону длиной l действует такая же сила. Получается «пара сил» или «вращающий момент».

M = F1 h = IlB bsinα,

где плечо h = bsinα . Так какlb = S – площадь рамки, тогда можно записать

M = IBS sinα = Pm sinα.

Вот откуда мы писали с вами выражение для магнитной индукции:

где M – вращающий момент силы,P – магнитный момент.

Физический смысл магнитной индукции B – величина численно равная силе, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины по которому течет

единичный ток. B = I F l ; Размерность индукции[ B ] = А Н м . .

Итак, под действием этого вращательного момента рамка повернётся так, что n r ||B . На стороны длинойb тоже действует сила АмпераF 2 – растягивает рамку и так

как силы равны по величине и противоположны по направлению рамка не смещается, в этом случае М = 0, состояние устойчивого равновесия

Когда n иB антипараллельны,M = 0 (так как плечо равно нулю), это состояние, неустойчивого равновесия. Рамка сжимается и, если чуть сместится, сразу возникает

вращающий момент такой что она повернется так, что n r ||B (Рис. 10.4).

В неоднородном поле рамка повернется и будет вытягиваться в область более сильного поля.

10.4. Единицы измерения магнитных величин.

Как вы догадываетесь, именно закон Ампера используется для установления единицы силы тока – Ампера.

Итак, Ампер – сила тока неизменного по величине, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным на расстояние один метр, один от другого в вакууме

вызывает между этими проводниками силу в 2 10 − 7 Н м .

I1 I2

где dl = 1 м; b = 1 м; I1

I2 = 1 А;

2 10− 7

Определим отсюда размерность и величину µ 0 :

В СИ: 2·10

µ0 = 4π·10

или µ0 = 4π·10

–7 Гн

В СГС: µ 0 = 1

Био-Савара-Лапласа,

прямолинейного

проводника с током

µ0 I

Можно найти размерность индукции магнитного поля:

4 πb

1 Тл

Один тесла 1 Тл = 104 Гс.

Гаусс – единица измерения в Гауссовой системе единиц (СГС).

1 Тл (один тесла равен магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором) на плоский контур с током, имеющим магнитный момент 1 А·м2 действует вращающий момент 1 Н·м.

Единица измерения B названа в честь сербского ученого Николы Тесла (1856 – 1943 г.), имевшего огромное количество изобретений.

Другое определение: 1 Тл равен магнитной индукции при которой магнитный поток сквозь площадку 1 м2 , перпендикулярную направлению поля равен 1 Вб.

Единица измерения магнитного потока Вб, получила свое название в честь немецкого физика Вильгельма Вебера (1804 – 1891 г.) – профессора университетов в Галле, Геттингеме, Лейпциге.

Как мы уже говорили, магнитный поток Ф, через поверхность S – одна из характеристик магнитного поля(Рис. 10.5)

«Что изучает физика» - Что изучает физика? Электрические явления природы. Атомные явления природы. Вступительное слово учителя. Явления природы. Техника. Горение. Оптические явления природы. Гроза. Утренняя роса. Знакомство учащихся с новым предметом школьного курса. Вызов интереса учащихся к сознательному изучению данного предмета.

«Сопротивление проводника» - Сопротивление и проводимость проводников. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах. Природа сторонних сил может быть различной. Мощность тока. Применение источников с разным значением ЭДС возможно, но затруднительно. Второй интеграл. Величина? служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник.

«Дизельный двигатель» - Способы изменения внутренней энергии. Реактивный двигатель. Переработка нефти. Масла. Форма существования материи. Паровая машина. Способ существования материи. Теплопроводность. Теплопередача. Модель теплового двигателя. Конвекция. Один из способов изменения внутренней энергии. Излучение. Паровая турбина.

«Ток в цепи» - Что такое напряжение? Как на опыте показать, что сила тока в цепи зависит от свойств проводника? От какого полюса источника тока и к какому принято считать направление тока? Как зависит сила тока в проводнике от напряжения на концах проводника? Какой вид имеет график зависимости силы тока от напряжения?

«Электрический заряд» - Формулировка закона Кулона. Напряженность поля точечного заряда в вакууме. Электрический заряд дискретен. Экспериментальная проверка закона Кулона на макро и микро дистанциях. Электрический заряд и закон его сохранения. Свойства электрического заряда. Электрический заряд аддитивен. Напряженность электростатического поля.

«Теория относительности Энштейна» - Биография Альберта Эйнштейна. В 1905г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. Движения системы. Теория относительности - физическая теория пространства и времени. Любой перенос энергии связан с переносом массы. Общая теория относительности. Физик, автор теории относительности.

Всего в теме 18 презентаций

Андре-Мари Ампер (фр. Andre-Marie Ampere, 1775-1836) – известнейший французский ученый, прославившийся своими открытиями в области физики, математики и естествознания. Был избран членом многих Академий наук, в том числе Парижской и Петербургской. Ампер – автор теории, объясняющей связь электрических и магнитных явлений, выдвинул гипотезу о происхождении магнетизма и ввел в научный оборот термины «электрический ток» и «электродинамика». Ученому принадлежит открытие воздействия магнитного поля Земли на проводники с током, находящиеся в движении.

Андре Мари Ампер был рожден в Лионе 22 января 1775 года. Его родители были потомственными ремесленниками и несмотря на свое рабочее происхождение имели довольно высокий культурный уровень. Отец будущего ученого Жан Жак Ампер имел хорошее образование, говорил на нескольких древних языках, имел богатую библиотеку и увлекался трудами популярных в то время просветителей. Даже воспитание своих детей он выстраивал в духе педагогической теории Жан Жака Руссо.

Накануне Великой французской революции Жан Жак Ампер был назначен на высокую должность королевского прокурора и несмотря на последовавшее вскоре падение Бастилии и начавшееся гонение на роялистов поддержал революцию. Но ему сильно не повезло. Через несколько лет к власти пришли ультрарадикальные якобинцы, которые начали истреблять многих неугодных, в том числе приверженцев умеренных взглядов, коих придерживался и отец Андре Мари. В итоге арест и неутешительный приговор – казнь на гильотине. «Бритва революции» лишила жизни достойного гражданина Франции в ноябре 1793 года, что стало страшным потрясением для юноши и всех членов семьи. Молодой человек впал в уныние и почти 1,5 года не прикасался к книгам.

С раннего детства талантливый мальчик питал огромную тягу к знаниям. Он не посещал школу, однако смог самостоятельно освоить арифметику и чтение. Уже в 12 лет Ампера многие считали математическим гением, а его личный педагог больше ничему не мог его научить. К 14 годам он освоил всю французскую «Энциклопедию», но особый интерес вызывали физические явления. Андре стал завсегдатаем библиотеки лондонского колледжа, где активно осваивал имеющуюся там литературу. Чтобы читать книги Эйлера и Бернулли он специально выучил латынь.

Первые самостоятельные шаги

Из-за полного безденежья, вызванного конфискацией семейного имущества, Ампер приступает к преподаванию математики в частном пансионе Дюпра и Оливье, параллельно устроившись в школу небольшого городка Бурга, расположенного близ Лиона. В 1802 году он успешно прошел собеседование в комиссии, признавшей его годным к проведению занятий.

Убогая жизнь небогатого учителя только обострила тягу Ампера к науке. Именно в этот период молодой ученый высказал гипотезу, объясняющую магнитные и электрические явления схожими принципами. Причем однажды он озвучил свою догадку в присутствии самого на заседании Лионской академии.

Не остается без внимания и любимая математика, где Ампера привлекает теория вероятности. Вскоре он пишет эссе «Размышление на тему математической теории игр». В нём автор доказывает, что игрок всегда уступит сопернику, имеющему больше денег. Андре Мари сразу заметили в Академии наук и пригласили преподавать в Лионском лицее. Карьера шла в гору и в 1804 году Ампер переезжает в Париж в качестве репетитора местной Политехнической школы. До переезда в столицу случилось очередное горькое событие в его жизни – смерть любимой жены и начавшееся одиночество, которое подстегнуло к переезду.

После трех лет занятия репетиторством наступил период самостоятельных занятий, а вскоре Андре Мари становится профессором математического анализа и экзаменатором по механике. Вместе с этим он трудился в Консультативном бюро ремесел и искусств, а в 1808 году приступил к обязанностям главного инспектора университета, что вынуждало ездить в постоянные командировки.

В 1814 году Ампера избирают в члены Парижской Академии в секции геометрия, что вроде бы свидетельствовало о его сформировавшихся научных интересах. Но жизнь внесла в этот расклад свои коррективы.

Открытие электромагнетизма

В 1820 году Андре Мари посетил заседание Французской Академии наук, на котором была озвучена информация об открытии влияния электричества на магнитную стрелку. Большинство академиков восприняло это как рядовое событие, но только не Ампер. Он незамедлительно приступил к экспериментам, превратив свою маленькую комнату в мини-лабораторию, и даже сам смастерил столик, ставший настоящей реликвией. В течение двух недель он сформулировал свои выводы, которые оказали влияние на многие отрасли науки.

Еще со времен Ньютона утвердилось убеждение о параллельности электричества и магнетизма. Многие были уверены, что каждое из этих явлений живет по своим законам. Факты, полученные Эрстедом, трактовались следующим образом – намагничивание провода происходит в результате воздействия электричества, что и вызывало воздействие на стрелку. Ампер не согласился с общепринятой трактовкой и сформулировал смелую и в чем-то вызывающую идею – магнитных зарядов нет вообще, существуют лишь электрические, а явление магнетизма происходит от перемещения электрических зарядов.

По мнению ученого, магнетизм возникает от огромного количества мельчайших электрических атомных контуров. Каждый из них выступает в качестве своеобразного «магнитного листка» – простейшего магнитного двухполюсника. Поэтому становится ясно, почему магнитные монополя в природе не существуют, в отличие от электрических. Версию Ампера в столь смелой формулировке поддерживают не все ученые, но то что она стала важнейшей предпосылкой для утверждения мысли о единстве природы, сомнений не возникает. Это потребовало дать ответ на некоторые актуальные вопросы, в частности, представить законченную теорию взаимодействия токов. С поставленной задачей на отлично справился сам Ампер.

В 1820 году было сформулировано правило Ампера для определения воздействия магнитного поля на магнитную стрелку. Согласно этому выводу северный полюс будет на конце стержня, находящемся слева от человека, который движется по направлению тока и находится лицом к нему. Вскоре автор подтвердил наличие взаимодействия между электрическими токами, названное законом Ампера. Он показывает силу воздействия магнитного поля в отношении находящегося внутри его проводника. Француз эмпирически доказал, что параллельно находящиеся проводники начинают взаимно притягиваться при движении тока в одном направлении и отталкиваются при его пропускании в обратном.

Направление силы Ампера можно узнать согласно правилу левой руки. Размещаем руку таким образом, чтобы перпендикулярный вектор магнитной индукции умещался в ладони, а четыре пальца находились в вытянутом положении по направлению движения заряженных частиц в проводнике. При этом отставленный под углом 90° большой палец обозначает направление силы Ампера.

Правило левой руки

В 1822 году Андре Мари описал магнитный эффект соленоида. Как утверждал сам Ампер, любой электрический проводник создает рядом с собой магнитное поле. Его силовые линии образуют концентричные по отношению к центральной линии проводника круги, которые находятся в плоскостях, нормальных к элементам проводника. Ещё больший магнитный эффект электричества можно наблюдать при условии скручивания проводящей проволоки в ряд параллельных, взаимно изолированных колец.

Подобную форму проводника ученый назвал соленоидом. Проводя опыты со многими материалами, автор убедился, что железо полностью утрачивает магнитные свойства при нулевом токе, а сталь сохраняет магнетизм на протяжении длительного времени. Но самый большой эффект демонстрировали специально сконструированные электромагниты, по сути железные стержни в проволочной обмотке, по которой пропускали электроток.

Все полученные выводы Андре Мари изложил в собственном научном труде, увидевшем свет в 1826 году и названном «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».

Телеграф Ампера

Первые осмысленные попытки создать устройство, способное транслировать некие сигналы на расстояние стали предприниматься в конце XVIII века. Первопроходцами в этом деле стал Ален-Рене Лесаж, создавший простейшую конструкцию из двух приемников и 24 изолированных проволок. Внес свой вклад в развитие этого направления и Ампер. В 1829 году он предложил идею телеграфа, которая основывалась на открытии Эрстеда. Ученый разработал передающее устройство, состоящее из полусотни проводов и 25 магнитных стрелок, прикрепленных к осям. Однако этот проект не нашёл широкого применения, так как был довольно непрактичен. Предполагалось, что для каждого знака будет предназначена отдельная проволока и стрелка.

Можно сказать, что Андре Мари смог опередить ход времени. Тогда еще не существовало устройств, которые бы могли распознавать электрический сигнал. Протягивать для каждой буквы, цифры или знака свой провод очень времязатратно и неэкономично. Однако польза от этого изобретения все же была – сегодня по этому принципу функционируют электромагнитные коммутаторы.

Кибернетика и кое-что ещё

В своей фундаментальной работе «Опыт о философии наук» Ампер дал понятие новой науке кибернетике. Он понимал ее как учение об управлении государством для обеспечения всеобщих благ. Её первая часть увидела свет в 1834 году, а вторая была издана уже после кончины автора в 1843 году. Важным элементом кибернетики Андре Мари называл теорию законов. По его мнению, она должна изучать происхождение законов, предвосхищая последствия, порождаемые ими. Автор подчеркивал принципиальное значение личности управленца, поэтому выступал за отбор лучших кандидатов, которым по силам справляться со своими обязанностями.

Также Ампер вывел необходимость существования ещё одного научного направления, как ответвления от кибернетики – ценольбологии, то есть науки об общественном счастье. Он ставил перед ней задачу определить лучшие условия жизни народов, чтобы создать оптимальную для этого экономическую систему. Фактически Андре Мари поднял вопрос о рациональности ведения хозяйства людьми, что должно способствовать всеобщему счастью.

Среди изобретений ученого были и вещи иного характера. Так, Ампер пытался создать новый язык международного общения, оптимизировал конструкции воздушных змеев и планировал написать эпическую поэму. Француз одним из первых стал рассматривать дифференциальные уравнения с частными производными, которые стали называть именем Монжа-Ампера. В химии независимо от Амедео Авогадро Ампер смог вывести закон молярных объемов газов. Кроме того, он предпринимал попытки систематизировать химические элементы по их свойствам.

Андре Мари Ампер скончался от осложнений, связанных с пневмонией 10 июня 1836 года, когда находился в очередной командировке в качестве главного инспектора.

• Как и многие выдающиеся ученые, Ампер ввел в научный оборот ряд новых терминов, среди которых электродинамика, кибернетика и кинематика.
• Помимо математики и физики, Андре Мари преуспел и в других научных областях. В частности, его заслуги отмечены в химии, ботанике, лингвистике и даже философии.
• Во время чтения доклада Ампером о взаимодействии проводников с токами кто-то из ученых воскликнул, что ничего нового не услышал. Ведь если токи влияют на магнитную стрелку, то они способны воздействовать друг на друга. От такого наступления докладчик совсем растерялся, но положение спас его коллега Араго. Он достал из кармана два ключа и сказал, что каждый из них воздействует на стрелку, но не влияет друг на друга.
• Ампер не учился в школе ни одного дня, но благодаря невероятной тяге к знаниям сумел стать одним из образованнейших людей своего времени.
• Имя Андре Мари внесено в перечень самых великих ученых Франции, который находится на первом этаже Эйфелевой башни.
• В 1881 году на первом Международном конгрессе электриков, который состоялся в Париже, в честь Ампера была названа единица силы тока.

Видео

Андре Мари Ампер и электромагнетизм.