1.3. Опыт Эрстеда. Закон Ампера

Опыт Эрстеда — классический опыт, проведённый в 1820 году Эрстедом и являющийся первым экспериментальным доказательством воздействия электрических токов на магниты.

Суть опыта

Ганс Христиан Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.

Принято считать, что это открытие было совершенно случайно: профессор Эрстед демонстрировал студентам опыт по тепловому воздействию электрического тока, при этом на экспериментальном столе находилась также и магнитная стрелка. Один из студентов обратил внимание профессора на то, что в момент замыкания электрической цепи стрелка немного отклонялась. Позднее Эрстед повторил опыт с более мощными батареями, усилив тем самым эффект.

Закон Ампера — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 году для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Выражение для силы , с которой магнитное поле действует на элемент объёма  проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией .

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент  проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока  в проводнике и векторному произведению элемента длины  проводника на магнитную индукцию :

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sin a

I - сила тока в проводнике; B - модуль вектора индукции магнитного поля; L - длина проводника, находящегося в магнитном поле; a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.

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

Максимальная сила Ампера равна:

F = I·L·B

Ей соответствует a = 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 обэлектричестве 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):

4

Рис. 3

. На числовое значениекулоновской 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.