Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Максимальная сила Ампера равна:

F=I·L·B

 

Ей соответствуетa = 90⁰.

 

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

 

1.4. Закон взаимодействия наэлектризованных тел

Прошло более двух тысячелетий, прежде чем началось систематическое исследование электричества и был открыт закон взаимодействия наэлектризованных тел. На протяжении многих веков никаких серьезных попыток научного объяснения опытов с наэлектризованными телами фактически не было предпринято.

 

Опытами с наэлектризованными телами больше развлекались. Причем развлекались ими состоятельные люди, не имевшие никакого отношения к науке. При дворах европейских государей устраивались «электрические сеансы». Особенно увлекалась этим Екатерина II. Были построены электрические машины. Научились получать большие электрические искры. Тем не менее, эти развлекательные опыты послужили развитию интереса, любопытства и способствовали развитию науки об электричестве.

До середины XVIII в. успехи в изучении электричества были невелики: было обнаружено электричество двух родов — положительное и отрицательное, открыта возможность передачи и накопления электричества, правильно истолкована молния. Первоначальные знания по электричеству нашли свое применение: Франклином был изобретен молниеотвод.

Знания об электричестве накапливались, и к середине XVIII в. возникла необходимость в количественном определении электрической силы, которая действует между неподвижными наэлектризованными телами. Высказывались предположения, что закон взаимодействия зарядов аналогичен закону всемирного тяготения. Первым доказал это англичанин Генри Кавендиш примерно в 1774 г.

Но этот выдающийся ученый отличался также выдающимися странностями. Преданность его науке была просто фанатической. Так, для сбережения времени он объяснялся с домашними раз и навсегда установленными знаками. Своих работ по электричеству Кавендиш не печатал. Более ста лет пролежали его рукописи в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек Дж. Максвелл (1831-1879 гг.) и не опубликовал в 1879 г. К этому времени закон взаимодействия зарядов был уже установлен во Франции ученым и инженером Шарлем Огюстеном Кулоном (1736-1806 гг.) и с тех пор носит его имя. Закон Кулона — это экспериментальный закон.

Сила взаимодействия измерялась по закручиванию проволочки, и исследовалась зависимость силы от расстояния и величины зарядов. Измерять силу и расстояние в те времена умели. Единственная трудность была с зарядом. Кулон поступил просто и остроумно. Он менял величину заряда одного из шариков в 2,4 и т.д раз, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало величину исследуемого заряда в известном отношении. Одновременно наблюдалось, как меняется сила.

Благодаря опытам Кулон в 1785 году открыл Закон, который определяет силу, с которой взаимодействуют неподвижные заряженные тела.

Закон, который определяет силу, с которой взаимодействуют неподвижные заряженные тела. Сила взаимодействия двух неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

 

где q₁ и q₂ — заряды взаимодействующих тел;

r — расстояние между взаимодействующими телами.

«K» - коэффициент пропорциональности. Его числовое

значение было определено экспериментально:

к = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл².

Закон справедлив только для точечных зарядов, т.е. зарядов, геометрические размеры которых малы по сравнению с расстоянием между зарядами.

Закон Кулона впервые позволил рассматривать заряд как определенное количество, то есть измерять его и выражать числом.

Электрические или кулоновские силы, возникающие при взаимодействии неподвижных заряженных тел или частиц, обладают рядом особенностей.

Кулоновские силы:

1. Дальнодействующие и медленно убывают с увеличением расстояния.

2. Не действуют между электрически нейтральными частицами и телами, поэтому их нельзя назвать универсальными. Они универсальны лишь в том, что закон Кулона можно применять для определения силы взаимодействия как заряженных макроскопических тел, так и элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.

3. Направление кулоновских сил определяется в соответствии с правилом:

 

! Силы взаимодействия между зарядами равны по модулю и направлены противоположно друг другу вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

 

На рисунке 3 показаны как направлены силы взаимодействия между двумя заряженными шариками в случаях: когда заряды одинаковы (рис. За) и когда их заряды противоположны (рис. 36):

Рис. 3

4. На числовое значение кулоновской силы влияет среда, в которой происходит взаимодействие. Всякая среда характеризуется диэлектрической проницаемостью £.

 

! Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме

 

 

Учитывая это, закон Кулона для любой среды может быть записан в следующем виде:

 

 

Диэлектрическая проницаемость среды — величина безразмерная, её значение для различных сред можно найти в специальных таблицах физических справочников.

Например, диэлектрическая проницаемость для дистиллированной воды 81; для парафина 2,1; для масла 2,5; для керосина 2,1; для слюды 6; для стекла 7 и т. д. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1.

1.5. Природные магниты. Их взаимодействие

Еще в древности были известны природные магниты.

Природные магниты — минералы, обладающие способностью притягиваться друг к другу, а также притягивать и удерживать небольшие кусочки железа.

 

!Существует два полюса магнитов — северный (N) и южный (S).

Отделить северный магнитный полюс от южного, т.е. получить изолированный магнитный полюс никому не удавалось.

Разноименные полюсы магнитов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Взаимодействие магнитов напоминает взаимодействие наэлектризованных тел, но магнит не нуждается в таких предварительных операциях, как трение, для того, чтобы взаимодействовать; эта способность его не исчезает с течением времени, как у наэлек­тризованных тел. На протяжении многих веков взаимодействие магнитов и взаимодействие наэлектризованных тел путали, лишь Гильберту в конце XVI в. удалось доказать, что это не одно и то же. Как и в случае электрического взаимодействия, научного исследования магнитных свойств очень длительное время не велось. Начиная с работ английского ученого и врача Гильберта, исследование магнитов было поставлено на строгую научную основу. В сочинении под названием «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», опубликованным в 1600 г., Уильям Гильберт (1540-1603 гг.) изложил свои соображения о неделимости полюсов магнитов; он догадался, что земной шар является гигантским магнитом, и поэтому магнитная стрелка компаса поворачивается определенным образом. Гильберт смог изготовить шаровой магнит и тем самым показал, что свойства шарового магнита подобны свойствам Земли. Это было экспериментальное подтверждение догадки ученого.

Количественное взаимодейств ие магнито в пытался изучать Кулон. Он использовал тот же метод, что и при изучении взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Для выведения закономерности Кулон ввел понятие магнитного заряда. Ему удалось найти закон взаимодействия полюсов длинных магнитов (и менно их он рассматривал как места сосредоточения магнитных зарядов — аналогов зарядов электрических). Закон этот оказался таким же, как и закон взаимодействия электрических зарядов. Невозможность разделить северный и южный полюса магнита Кулон объяснял неспособностью магнитных зарядов противоположного знака внутри молекул вещества свободно передвигаться из одной молекулы в другую, в чем, конечно же, ошибался. Кулон действовал по готовому «шаблону», надеясь, введение представления о магнитных зарядах исчерпывает проблему магнетизма. В действительности все оказалось гораздо сложнее.

Разгадали природу магнетизма после того, как научились создавать электрический ток — поток движущихся электрических зарядов — значительной силы, длящийся достаточно долго.

1.6. Электродинамические явления

Учение о магнетизме развивалось медленно. Долгое время считалось, что между электрическими и магнитными явлениями никакой связи не существует. Поэтому когда в 1802 г. итальянский физик Джованни Романъози (1761-1835 гг.) заметил, что находящаяся вблизи проводника, по которому течет ток, магнитная стрелка изменяет свое положение, он совершенно не оценил значения своего наблюдения.

Вторично это явление было открыто в 1820 г. датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1777-1851 гг.). Соединив длинным проводом полюсы гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально к параллельно подвешенной свободно магнитной стрелке. Как только был включен ток, стрелка немедленно откло нялась, стремясь стать перпенди кулярно к направле нию провода. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону.

Открытие взаимодействия между током и магнитом было важным шагом на пути утверждения идеи единства сил природы.

Магнетизм и электричество обнаружили глубокую взаимосвязь, и это было доказано прямым опытом. Магнитная стрелка взаи модействовала лишь с дв ижущимися зар яда ми, то есть когда по проводнику протекал электрический ток. Когда по проводнику не протекал электрический ток, взаимодействие магнитной стрелки с покоящимися зарядами не обнаруживалось.

Работа Эрстеда о поставленном эксперименте и выводах из него была написана на четырех страницах на латинском языке и разослана в различные страны. Сообщение Эрстеда поразило его современников. Французский физик Франсуа Араго (1786-1853 гг.),ознакомившись с работой Эрстеда, выступил на заседании Парижской Академии наук. Завершая выступление, он резюмировал: «Господа, происходит переворот!» Это был действительно переворот во взглядах ученых на природу магнетизма, на установление взаимосвязи электричества и магнетизма. Началась новая эпоха в учении об электричестве и магнетизме.

Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током.

 

Кроме того, взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента. По отклонению магнитной стрелки было возможно судить о силе проходящего вблизи нее тока. Стало возможно устроить очень чувствительный прибор для измерения силы тока — гальванометр и другие электроизмерительные приборы.

Открытие Эрстеда способствовало не только разгадке причин магнетизма, но и открытию нового фундаментального типа взаимодействия электрических зарядов.

Как только стал известен опыт Эрстеда, французский физик Андре Ампер (1775-1836 гг.) усердно занялся исследованием электромагнетизма. Сначала под непосредственным впечатлением от наблюдения поворачивающейся вблизи тока магнитной стрелки Ампер предложил, что магнетизм Земли вызван токами, обтекающими Землю с запада на восток. Главный шаг был сделан. Следующий шаг — объяснение магнитных свойств тела циркулирующим внутри него током. Далее Ампер пришел к заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств токами к утверждению, что магнитное взаимодействие — это взаимодействие токов, свидетельство большой научной смелости Ампера.

 

 

! Согласно гипотезе Ампера:внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если этитоки расположены хаотически друг по отношению к другу, то ихдействие взаимно компенсируется, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются.

Там, где Кулон видел неразделимые магнитные полюса молекул, оказались просто замкнутые электрические токи. Неразделимость магнитных полюсов полностью потеряла свою загадочность: нет магнитных зарядов и нечего делить.

Ни Ампер, ни его современники не знали природу этих токов. Гипотеза Ампера — это его гениальная догадка. Теперь известно, что элементарный ток — это результат вращения электронов вокруг атомного ядра и их собственного вращения.

! Магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, подобно электрическим, а движением электрических зарядов, т.е. током.

Рис. 4

Далее Ампер занялся экспериментальным исследованием взаимодействия проводников с электрическим током. Если взять два параллельно расположенных проводника (рис. 4) и пропустить по ним электрический ток, то можно обнаружить, что проводники начнут взаимодействовать.

В результате опытов Ампер установил, что:

• проводники, в которых протекают токи одного направления, притягиваются;

• проводники, в которых протекают токи противоположных направлений, отталкиваются;

• взаимно перпендикулярные проводники с током не действуют друг на друга.

Ампер предложил назвать обнаруженные явления электродинамическими (в отличие от электростатических).

Магнитное (электродинамическое) взаимодействие — притяжение или отталкивание проводников с током. Магнитное взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.

!Электрический ток — это направленно движущиеся электрические заряды.

Следовательно, взаимодействие проводников с током — это взаимодействие движущихся электрических зарядов. Таким образом, наряду с взаимодействием Кулона, которое существует у неподвижных заряженных тел (или частиц) и определяется только величиной зарядов и расстоянием между ними, при движении зарядов возникает новый тип взаимодействия. Он определяется не только величинами зарядов и расстоянием, но и скоростями движения зарядов. Проявляется этот тип взаимодействия в виде действия фундаментальной силы, зависящей от скоростей движущихся зарядов, — магнитной.

Сила Ампера - сила, которая действует на проводник с током со стороны магнитного поля.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки (рис. 5).

Если расположишь ладонь левой руки так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а четыре вытянутые пальца совпадали с направлением электрического тока в проводнике, то отставленный на 90° большой палец укажет направление силы Ампера.

Экспериментальным путем был установлен закон Ампера, позволяющий вычислить значение магнитной силы: сила Ампера зависит от длины проводника, силы тока в проводнике, от расположения проводника и силовой характеристики магнитного поля.

Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника:

F_a = ВI Isin а.

Обобщающим трудом Ампера была книга «Теория электрических явлений, выведенная из опыта» (1826).

Магнитная сила действует не только на проводник с током, но и на каждую заряженную частицу в проводнике.

Сила Лоренца сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля:

Fa = [q]*V*B sin a.

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Сила Ампера и сила Лорен — магнитные силы, которые имеют свои особенности.

• Магнитные силы не имеют центрального характера, как кулоновские и гравитационные. Это обнаруживалось уже в опытах Эрстеда: магнитная стрелка не притягивалась к проводу и не отталкивалась от него, а поворачивалась.

• Магнитная сила действует на движущиеся частицы в направлении, перпендикулярном их скорости. Поэтому в однородном магнитном поле заряженная частица движется по окружности.

• Силы магнитного взаимодействия частиц гораздо слабее кулоновских в обычных условиях, и лишь при скоростях частиц, приближающихся к скорости света, они становятся сравнимыми.

• Магнитные силы больше проявляют себя в технике, так как можно создать токи, достигающие очень больших значений. Эти силы приводят во вращение якорь любого электродвигателя. В отличие от магнитных кулоновские силы почти никак не проявляют себя в технике, но в природе играют основную роль.

Открытие Ампера расширяет наши представления об электрическом заряде. Обнаруживается новое фундаментальное свойств зарядов: способность взаимодействовать с силами, зависящими от скоростей движения.

Оценивая вклад Ампера в развитие электродинамики, Дж. Максвелл назвал его «Ньютоном электричества».

1.7. Электрические и магнитные поля

После того, как были найдены законы взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов, оставался без ответа вопрос о том, как передается взаимодействие между зарядами.

Как может передаваться действие одного тела на другое, если они находятся на некотором расстоянии?

Отвечая на поставленный вопрос, прежде всего необходимо исследовать, нет ли между этими телами каких-либо связей, какой-либо среды, способной передавать взаимодействие. Попытки объяснить передачу действия подобным образом можно найти ещё у древних мыслителей: «Тело не может действовать там, где его нет».

В эпоху зарождения классического естествознания французский ученый Рене Декарт (1596-1650 гг.) провозгласил принцип согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени.

Принцип, согласно которому действие передается через промежуточное звено, через посредника с конечной скоростью, лежит в основе концепции близкодействия.

Когда был открыт закон Всемирного тяготения, и Ньютоном было установлено, что причиной движения являются силы, большинство ученых склонны были считать, что взаимодействие определяется лишь значением силы в той или иной точке пространства. По представлениям большинства ученых того времени, для пере­дачи взаимодействия не нужен никакой посредник. Утвердился принцип дальнодействия (действие на расстоянии) как способ передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно.

Закон Кулона, состоявшийся под впечатлением открытого Нью­тоном закона Всемирного тяготения, также трактует взаимодействие зарядов как «действие на расстоянии». Кулон был убежден, что взаимодействие зависит только от величин зарядов и от расстояния между ними, а «пустота» между зарядами никакого участия во взаимодействии не принимает.

Концепция дальнодействия или действия на расстоянии: тела способны мгновенно «чувствовать» присутствие друг друга без какой-либо среды.

На разных этапах развития науки доминировала либо одна, либо другая концепции. Они противостояли друг другу, ученые приводили аргументы, математические доказательства в подтверждение истинности теории, сторонниками которой они являлись. Иногда авторитет ученых, склонных придерживаться той или иной концепции, тоже был аргументом, доказывающим справедливость теории.

К XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая - на принципе близкодействия.

В 30-е г. xix в. был совершен поворот к концепции близкодействия, но только на более высоком уровне представлений. Это сделал великий английский естество испытатель М. Фарадей (1791 – 1867 гг.) – творец основ электромагнетизма. Фарадей выдвигает концепцию поля. Согласно Фарадею, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое, магнитное (если заряд движется) поля. Поле одного заряда действует на другой заряд и наоборот. Взаимодействие передается не мгновенно, а с конечной скоростью.

Физические поля - это первичные понятия. Поле - это одна из форм существования материи.

Поле реально, оно не зависит от наших знании о нем. Наши представления о том, что такое поле, образуются в результате опытного исследования его свойств.

 

 

!Электрическое поле создается зарядами.

Главное свойство электрического поля - это способность действовать на электрические заряды (как на подвижные, так и на неподвижные) с некоторой силой.

По действию на заряд устанавливается присутствие поля, распределение его в пространстве, изучаются все его характеристики.

Силовой характеристикой электрического поля яаляется физичес­кая величина, называемая напряженностью электрического поля. Для исследования силового действия здектрического поля заряда q нужно поместить в это поле пробный заряд q₀. Практически это будет какое-то заряженное тело, которое имеет малые размеры и малый заряд, чтобы можно было пренебречь влиянием этого заряда на изучаемое поле. Согласно закону Кулона на пробный заряд будет действовать сила:

 

Найдем отношение F к q₀:

 

Отношение, как видно, не зависит от выбора пробного заряда и характеризует поле в данной точке. Это отношение зависит только от величины заряда, который создает поле, и от расстояния от источника поля до точки, в которую помещают пробный заряд. Абсолютно очевидно, что чем больше величина заряда, создающе­го поле, тем больше отношение; чем дальше помещают пробный заряд от источника поля, тем меньше величина, определяемая вышеуказанным отношением. Величина, определяемая этим отношением, является напряженностью Е поля в данной точке.

Напряженность электрического поля - это физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на заряд, к величине этого заряда:

 

Напряженность поля — величина векторная. За направление вектора напряженности электрического поля принимается направление вектора кулоновской силы, действующей на положи­тельный электрический заряд, помещённый в данную точку поля.

Единица напряженности электрического поля в СИ — ньютон на кулон (Н/Кл).

Если значение напряженности в одних и тех же точках пространства с течением времени не меняется, то мы имеем дело с постоянным электрическим полем. Если значение напряженности в одних и тех же точках пространства с течением времени меняется, то электрическое поле — переменное.

Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами.