История открытия и практическое применение электромагнетизма

Бросается в глаза  симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических  и магнитных явлений, второе –  аналогичную связь магнитных  явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;

2) изменяющееся магнитное  поле всегда сопровождается электрическим  полем. 

В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие  вещественных носителей (металлических  колец в модели Брэгга, металлических  проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного  поля. Замкнутые на себя магнитные  и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению  радиусов во всех направлениях. 

Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил  свой восторг стихами, начинавшимися  фразой:

«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»

(«Не бог ли  эти знаки начертал?..») 

ГЛАВА 2

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. 

Электромагнитное  поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.

« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом  или магнитном состоянии»,

- писал Максвелл. 

Материальность электромагнитного  поля подтверждается тем, что в нем  наблюдается действие сил, что оно  является носителем и передатчиком энергии.

Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом  обычную, вещественную материю, которую  Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая»  материя, способная передавать электрические  и световые действия.

Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и  магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату». 

Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие  светового эфира, хотя в разговорной  речи до сих пор сохранились выражения  типа:

«волны эфира», «передача  в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле. 

Максвеллу не удалось  дожить до того времени, когда его  идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил  в 1879 году в возрасте 48 лет.

Теория электромагнитного  поля стала самым большим научным  достижением

Джеймса Максвелла. 

ГЛАВА 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА. 

3.1 Синхрофазотроны

В настоящее время  под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения.

Сила, с которой  действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой  Лоренца. 

Fл=qBvsin@ 

Где B – индукция магнитного поля, то есть его 

силовая характеристика. 

@ - это угол между  направлением скорости и направлением  индукции. 

Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде  радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость  создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий  – ускорителей. 

3.2 Радиовещание

После того как было открыто электричество, его использовали в качестве

«почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.

Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь  за кораблём или за самолётом, за поездом  или автомобилем. Перекинуть мост через  пространство людям помогло радио.

В переводе с латинского «радио» означает «излучать».

Первый кирпич в  фундамент радиотехники, как мы уже  знаем, заложил датский профессор  Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током  возникает магнитное поле. Его  соотечественник и последователь  Джеймс

Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное  поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в  свою очередь возбуждает магнитное  поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света –

300000 км/с.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет - это короткие волны, а электромагнитные волны

– это волны большей  длины.

В 1888 г. их впервые  смог получить и исследовать немецкий физик Генрих

Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.

Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для  обнаружения и регистрирования  электрических «колебаний» - радиоприёмник.

7 мая 1895г. А.С.  Попов сделал доклад на заседании  Русского физико- химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.

Первый радиоприёмник  Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция»

- «сцепление». (Рис.2)

Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую  Попов впервые в мире использовал  для беспроводной связи. Под действием  радиоволн, принятых антенной, металлические  опилки в когерере сцеплялись, и  он начинал пропускать электрический  ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал  «лёгкую встряску», сцепление между  металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий  сигнал.

Продолжая опыты  и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.

Через 5лет после  создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.

Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол

«Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.

Радио, начавшее свою практическую историю спасением  людей, стало новым прогрессивным  видом связи 20 века. 

3. Магнитотерапия.

В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и  другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и  магнитными полями.

Однако при определенных условиях электрическая и магнитная  составляющие становятся практически  независимыми, и их можно рассматривать  отдельно.

«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология»

(биологическое воздействие  магнитным полем)- термины, относящиеся  к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ- терапия).

Отмечено, что при  воздействии магнитным полем  происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 

История науки - тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и  их творцов.

На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся  чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.

И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.

Ученый – это  не специальность, ей нельзя обучить  в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.

Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться  новому, трудолюбие, смелость в отстаивании  своих убеждений. И , что очень важно, необходимость в данном открытии.

Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.

В таких условиях и находилось научное общество, когда  новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма. 

Список прочитанной  литературы:

В.З. Озерников «Неслучайные случайности. Рассказы о великих  открытиях и выдающихся ученых»

Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс физики»

Справочник школьника  под редакцией А.Барашкова

М.И.Блудов «Беседы по физике»

М.И.Яковлева «Физиологические механизмы действия электромагнитных полей» 
 
 
 

Электромагнит

 

Проведем интересный опыт, посвященный электромагнетизму. Как электрический ток повлияет на магнитные свойства металла? Попробуем  сделать своими руками электромагнит.  

Для этого наклеим  на гвоздь кусочек самоклеящегося цветного пластика. Поверх него аккуратно намотаем поверх него 100—150 витков тонкого провода, при этом не забыв оставить свободные концы провода длиной 15—20 см и отчистим их от лака шкуркой из набора.  

Теперь соберем  схему, согласно (Рисунку 1). Перед тем, как замыкать цепь поднесем к гвоздю какой-нибудь металлический предмет (в нашем случае — кнопки), и  убедимся, что предметы не взаимодействуют.

  

Теперь замкнем  цепь. Поднеся к гвоздю кнопки, мы увидим, что железный сердечник, внутри катушки с током становится магнитом. (Рисунок 2).  

   

 Это явление  широко используется в технике,  например при погрузке металлолома  вместо ковша или крюка используется  мощный электромагнит. В электротехнике  электромагниты используются для  замыкания контактов различных  реле.  

Интересно, что железный предмет сохраняет магнитные  свойства, даже после отключения электрического тока, правда, они в разы слабее. Это  свойство во многом зависит от свойств  сердечника. Искусственные магниты  намагничивают, помещая их в сильное  магнитное поле.  

Этот опыт можно  сделать с помощью набора «ЮНЫЙ  ФИЗИК» (опыт №21 
 
 

УРОК 8. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 

Оборудование: 2 пластмассовые  расчёски, фольга, кусочки меха, шерстяная  или шёлковая ткань, электрофорная  машина, провода, соль, перец, стеклянная, пластмассовая и эбонитовая палочки, лампа от фонарика, оконное стекло размером 40*25см (или лист плексигласа), катушка ниток, “султаны”, воздушный  шарик.  

Ход урока 

- Почему трудно  расчесать длинные сухие волосы  после мытья?  

Опыт 1.  

Подвесить на нитке  расчёску из пластмассы, привязав нитку  к её середине. Другую такую же расчёску наэлектризовать трением о сухую  шерстяную ткань или о свои волосы. Приблизьте конец наэлектризованной  расчёски к концу висящей расчёски. Что наблюдаете? Объясните наблюдаемое  явление. (При трении тела обменялись электрическими зарядами. Существуют два вида электрического заряда – положительный и отрицательный. Одни вещества способны заряжаться отрицательным зарядом, другие – положительным зарядом. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются).