В чем состоит знаменитый опыт Эрстеда, показавший взаимосвязь электричества и магнетизма?

Знаменитый опыт датского физика Ханса Эрстеда в 1820 году навсегда изменил наши представления об электричестве и магнетизме. Это открытие породило целую эпоху в науке и технике - эпоху электромагнетизма. Давайте разберемся, в чем же заключался этот революционный эксперимент.

Предпосылки опыта Эрстеда

Ханс Кристиан Эрстед родился в 1777 году в Копенгагене. Он изучал физику, химию и математику в Копенгагенском университете, а позже стал профессором этого университета.

К 1820 году ученые накопили определенные знания об электричестве и магнетизме как отдельных явлениях. Были открыты закон Кулона, закон Био-Савара-Лапласа и многое другое. Однако взаимосвязь между этими явлениями пока не прослеживалась.

Я предполагаю, что между магнетизмом и электричеством существует известная связь, которую мне хотелось бы обнаружить.

Так писал Эрстед в своем дневнике незадолго до знаменитого открытия.

В 1820 году активно развивались технологии, связанные с электричеством - Вольта изобрел первый химический источник тока, проводились опыты по передаче сигналов с помощью электричества.

Описание экспериментальной установки Эрстеда

Экспериментальная установка Эрстеда была довольно простой (см. рисунок):

Она состояла из источника тока (батареи Вольта), соединительных проводов и магнитной стрелки компаса, расположенной параллельно одному из проводов на некотором расстоянии от него.

Я поместил над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке.

Так описывал Эрстед свою установку.

В современных условиях эту установку можно легко воспроизвести в домашних условиях при помощи батарейки, проводов и обычного компаса. При этом важно выбрать оптимальные параметры:

• Источник тока должен давать напряжение хотя бы 3 В для заметного эффекта;
• Провод должен быть достаточной длины и проходить на расстоянии 1-2 см от стрелки;
• Компас нужно жестко закрепить, чтобы он не двигался.

Какие компоненты для установки вы бы выбрали и почему?

В чем состоит опыт Эрстеда

Итак, перейдем к описанию самого процесса эксперимента.

Я пропустил через проводник электрический ток, и стрелка повернулась почти перпендикулярно проводнику.

Вот как Эрстед описывает ключевой момент.

Для начала Эрстед включил ток в цепи. Затем он плотно закрепил магнитную стрелку компаса так, чтобы она могла свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Стрелка изначально указывала строго на север из-за действия магнитного поля Земли.

Как только Эрстед замкнул электрическую цепь с батареей и проводами, магнитная стрелка резко повернулась и встала почти перпендикулярно проводнику с током. Это и было то самое отклонение стрелки, которое впоследствии назвали магнитным действием тока.

Наблюдаемый эффект отклонения магнитной стрелки

Эрстед отметил, что чем сильнее ток в проводнике, тем сильнее отклоняется стрелка. А если поменять полярность батареи или переложить провод на другую сторону от стрелки, то она повернется в противоположную от первоначального отклонения сторону.

Таким образом, в чем состоит опыт Эрстеда - это в наглядной демонстрации воздействия электрического тока, текущего по проводнику, на находящуюся рядом магнитную стрелку.

Объяснение результатов опыта

Сейчас мы знаем, что причиной отклонения стрелки в опыте Эрстеда является возникающее вокруг проводника с током магнитное поле. Оно и воздействует на магнитную стрелку, пытаясь развернуть ее перпендикулярно к направлению линий этого поля.

Величина магнитного поля описывается формулой:

B = k·I/r

где I - сила тока в проводнике, r - расстояние до проводника, k - коэффициент пропорциональности.

Историческое значение результатов

Сам Эрстед писал об этом опыте так:

Это открытие стало первым экспериментальным доказательством взаимосвязи электрических и магнитных явлений.

Действительно, после опытов Эрстеда началось бурное развитие электромагнетизма как науки. Были изобретены электродвигатель, электрогенератор, трансформатор и многое другое.

Развитие идей Эрстеда другими учеными

Опыты Эрстеда послужили толчком к новым открытиям. В частности, французский физик Андре Мари Ампер продемонстрировал в чем состоит взаимодействие между параллельными проводниками с током - притяжение или отталкивание в зависимости от направления тока в проводниках.

Английский ученый Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и построил первый в мире электродвигатель.

Российский инженер Павел Яблочков изобрел первую электрическую свечу на основе явлений, открытых Эрстедом.

Таким образом, заслуга Эрстеда состоит в том, что он доказывает экспериментально наличие связи между электричеством и магнетизмом. А уже другие ученые развивали дальше это направление.

Применение открытия Эрстеда на практике

Помимо теоретического значения, опыт Эрстеда нашел и практическое применение в различных областях.

Вскоре после открытия стали создаваться электрические измерительные приборы, использующие постоянные магниты и подвижные катушки с током. Примером может служить электроизмерительный механизм, изобретенный в 1821 году Швейггером.

Электродвигатели

Принцип действия электродвигателей также основан на взаимодействии катушек с током и постоянных магнитов. Катушка с током помещается в магнитное поле так, что возникает вращательный момент.

Первый электродвигатель был построен в 1821 году Пикси и крутился со скоростью вращения порядка 2 об/мин.

Электрические свечи

В изобретенных Яблочковым и Лодыгиным электрических свечах использовался принцип электрической дуги между угольными электродами. Электрическая дуга возникает благодаря ионизации воздуха вокруг проводников с током.

Электрические звонки

В электрических звонках используется электромагнит, который притягивает подвижный якорь с колокольчиком. Как только цепь замыкается, якорь отклоняется и ударяет по колокольчику.

Телеграф

В 1833 году был сконструирован электромагнитный телеграф, использовавший открытый Эрстедом принцип отклонения магнитной стрелки под действием тока. Таким образом передавались электрические сигналы на расстояние.