Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

     Електричне  поле - це особливий вид матерії, засобами якої взаємодіють електрично заряджені тіла.

     Властивості електричного поля:

• Електричне поле породжується нерухомими електричними зарядами.
• Електричне поле можна виявити за його дією на нерухомі електричні заряди.

 

      Розділ 2. Магнітне поле

     2.1 Постійні магніти.  Магнітне поле  Землі. Взаємодія магнітів 

     У природі існують деякі види залізної руди, які мають властивості притягувати  до себе залізні предмети (цвяхи, залізні  ошурки тощо). Шматки такої руди називаються  природними магнітами. Назва «магніт» походить від назви гори Магнеcія (область давньогрецької Фасалії), на якій і були вперше помічені властивості цієї руди.  Магніти володіють рядом цікавих властивостей. Наприклад, магніти можуть притягувати до себе металеві предмети. Крім того, після від’єднання від магніту металевого предмету, останній може теж набувати магнітних властивостей. Магнітні властивості по-різному проявляються різними металами. Також бувають штучні магніти створені людиною.

     Будова  магнітів

     Якщо  доторкатись магнітом до металевої  кульки, що лежить на столі, то виявиться, що в одних точках – біля кінців магніту - для того, щоб відірвати кульку від магніту, потрібно прикласти деяке зусилля, а в інших точках – біля середини магніту – металева кулька практично не притягується до магніту. У зв’язку з цим ті частини магніту, у яких притягання металевих предметів проявляється значним чином, називають полюсами магніту, а частини поверхні магніту, у яких сили притягання не виявляються або надзвичайно слабкі, називаються нейтральною зоною. 

     Полюс магніту – це частина магніту (найчастіше це краї), у якій сили притягання металевих предметів  найбільш великі. 

     Нейтральна  зона – це частина магніту (найчастіше середина), у якій сили притягання металевих предметів слабкі чи відсутні. 

     Зазвичай  штучним магнітам надають вигляд смужки – прямої чи підковоподібної. Такі магніти майже завжди мають два полюси на кінцях цієї смужки і нейтральну зону між ними. Проте шматок сталі можна намагнітити і так, щоб він мав не 2, а 4, 6, 8 та більше полюсів. Що характерно, полюсів у магніту завжди парне число. Неможливо отримати магніт лише з одним полюсом. Співвідношення між розмірами полюсних частин магніту і нейтральною зоною залежить від форми магніту. Якщо виготовити магніт у вигляді довгого і тонкого стержня, то полюсні частини його зводяться майже до точок, які лежать біля кінців магніту, а вся інша поверхня являє собою нейтральну зону. Подібний видовжений магніт називають магнітною стрілкою. Якщо магнітну стрілку закріпити так, щоб вона могла вільно обертатись, то вона завжди встановиться так, що один з її полюсів показуватиме на північ, а інший на південь. Так само буде орієнтуватись будь-який магніт, підвішений на тонкій нитці. Магнітні стрілки використовуються для виявлення магнітних властивостей природного чи штучного магніту. Також магнітні стрілки використовують для орієнтування на місцевості, оскільки  магнітна стрілка завжди вказує напрям на полюси Землі.

       

     Однойменні  полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні - притягуються 

     Магнітні  полюси теж мають цікаву властивість: однойменні полюси відштовхуються, а  різнойменні притягуються. Взаємодія магнітних полюсів чимось нагадує взаємодію електричних зарядів.

     Найпростіші електричні і магнітні явища були відомі людству з давніх-давен. Стародавні греки ще у 600р. до н .е. знали, що магніт притягує до себе металеві предмети, а янтар (бурштин), потертий хутром, – легкі предмети (наприклад, пилинки, соломинки). Однак вони не розрізняли магнітні і електричні явища, вважаючи, що в їх основі лежить одна й та ж природа.      

     Чітке розмежування цих явищ – заслуга  англійського лікаря Уільяма Гілберта (1544-1603 рр), який у 1600 році опублікував книгу «про магніт, магнітні тіла і про великий магніт - Землю». У своїй книзі Гілберт описав всі відомі на той час властивості магнітів і вказав на суттєві відмінності магнітних і електричних явищ. Фактами, які найбільш  впадають  в очі, є намагнічування залізних предметів і перемагнічення магнітних стрілок під впливом блискавки. У своїй праці «Грім і блискавка» французький фізик Домінік Франсуа Араго описує, наприклад, випадок, коли блискавка, що вдарила у будинок, сильно намагнітила в ньому стальні ножі, виделки та інші металеві предмети. На початку XVIII століття було вже встановлено, що блискавка, яка являє соб ою сильний електричний струм, володіє магнітними властивостями. Саме тому виникла ідея про магнітні властивості електричного струму. Однак нікому не вдавалось це ще експериментально довести. Спостерігати на досліді магнітні властивості струму вперше вдалося  лише у 1820 році датському фізику Гансу Хрістіану Ерстеду. 

     Постійні  магніти

     Як  виникає магнітне поле постійного магніту? Які фізичні процеси, які перетворюють звичайний шматок сталі у магніт? Першим, хто спробував дати тлумачення цим явищам був У. Гілберт, який висловив припущення, що подібно електричним зарядам у природі існують «магнітні» заряди – північний і південний, які взаємодіють один одним. Цю ідею підтримував і Ш. Кулон, який, подібно до електростатики, записав закон для магнітної взаємодії двох тіл.    

     Однак, сам Кулон звернув увагу на суттєві і глибокі відмінності  між електричними і магнітними явищами. Ця відмінність полягала в тому, що ми можемо розділити електричні заряди і отримати тіло з надлишком (негативно заряджене) чи недостачею (позитивно заряджене) електронів, але ми ніяк не можемо розділити у тілі південний і північний магнетизм і отримати тіло з одним лише полюсом. Більш того, обидва полюси будь-якого магніту «мають рівну кількість магнетизму», таким чином, ми не можемо отримати тіло, яке у надлишку має «південний» чи «північний» магнетизм.    

     Провівши  ряд дослідів, Кулон зробив висновок, що отримати тіло з одним лише полюсом  неможливо, який би спосіб ми для цього  не обрали б.

       

     Кулон довів, що отримати магніт лише з одним  полюсом неможливо  

     З цього Кулон робить висновок, що ці два види «магнітних зарядів» нерозривно пов’язані один з одним у кожній елементарній частинці намагніченої речовини. Тобто була висунута гіпотеза про те, що найменша частинка атом, молекула являє собою маленький магніт з двома полюсами на кінцях. Таким чином Кулон дійшов висновку про існування найменших елементарних магнітів з нерозривно зв’язаними полюсами.   

     Яким  же чином намагнічується залізо? Справа в тому, що за гіпотезою Кулона у  ненамагніченому шматку заліза вже  існують описані вище елементарні  магніти, але всі вони розміщені безладно і хаотично. Через це дія всіх магнітів урівноважується і брусок заліза в цілому є ненамагніченим. Коли ж ми поміщуємо цей брусок у зовнішнє магнітне поле, то це магнітне поле примушує ці елементарні магнітики повернутись у певному напрямі і вистроїтись ланцюжком.

     

     Модель  магнітних властивостей речовини Кулона 

     Таким чином намагнічування тіла являє  собою впорядковану орієнтацію його елементарних магнітів під впливом зовнішнього магнітного поля.   

     Проте теорія Кулона мала ряд недоліків, одним  з яких є постулювання існування  «магнітних зарядів», яких, як було доведено пізніше, не існує. Крім того, деякі  висновки Кулона суперечили тому, що неможливо розділити полюси магніту.   

     Удосконалив гіпотезу Кулона Ампер. Спираючись на власні досліди і досліди Ерстеда, уявлення Ампера про природу магнетизму є більш ґрунтовними. Базуючись  на встановленій в цих дослідах тотожності між взаємодією природних магнітів і такою ж магнітною взаємодією спеціально підібраних струмів, Ампер відмовився від ідеї про існування «магнітних зарядів».     

     З точки зору Ампера, елементарний магніт – це коловий струм, який циркулює всередині невеликої частинки речовини: атома чи молекули. Коли тіло не намагнічене, ці колові струму безладно орієнтуються у тілі, компенсуючи магнітні властивості один одного. При намагнічуванні тіла (внесенні його у зовнішнє магнітне поле) більша чи менша частина цих струмів встановлюється паралельно один одному (див рис). Орієнтуючись певним чином, магнітні властивості цих колових струмів вже не компенсують, а навпаки підсилюють один одного, в результаті тіло набуває магнітних властивостей. Ця ідея колових струмів подібна до теорії Кулона про існування елементарних магнітів. Але теорія Ампера краща від теорії Кулона тим, що не використовує поняття «магнітного заряду», якого насправді і не існує.    

     З точки зору Ампера стає цілком зрозуміло  неподільність південного і північного полюсів магніту, про які ми говорили раніше. Кожен елементарний магніт являє собою виток струму. Ми будемо говорити на подальших уроках, що одна сторона цього витка відповідає південному полюсу, а інша – північному, саме тому не можна відділити південний полюс від північного, як не можна розділити виток струму. Можно зробити висновки:

     Ніяких  «магнітних зарядів» не існує. Кожен  атом речовини можна розглядати як коловий струм (стосовно його магнітних  властивостей). Магнітне поле намагніченого  тіла складається з магнітних полів цих колових струмів.

     У ненамагніченому тілі всі елементарні  струми розміщені хаотично, і тому ми не спостерігаємо у зовнішньому  просторі будь-яких магнітних властивостей цього тіла.

     Процес  намагнічування тіла полягає у тому, що під впливом зовнішнього магнітного поля його елементарні струми в більшій чи меншій мірі встановлюються паралельно один одному, підсилюючи один одного і створюючи результуюче магнітне поле.

     Набагато  пізніше створення теорії Ампером про систему елементарних колових струмів, які є причиною магнітних властивостей тіла, було створене вчення про атом. Рух електрона навколо ядра атома, являє собою коловий струм, який циркулює всередині атома. У ХХ та ХІХ століттях було експериментально доведено, що при внесенні металевого ненамагніченого тіла у магнітне поле, ці колові струм прагнуть орієнтуватись паралельно один одному, підсилюючи один одного. 
 

 

      2.2 Дослід Ерстеда 

     Основний  дослід Ерстеда зображено на рисунку. Над нерухомим дротом 1, розміщеним вздовж меридіану, тобто напрямленим  з півночі на південь, підвішена  на тонкій нитці магнітна стрілка 2. Ця стрілка, як вам вже відомо теж  встановлюється у напрямі північ-південь, і тому вона розміщувалась паралельно дроту. Як тільки замикався ключ і дротом йшов електричний струм, магнітна стрілка поверталась і встановлювалась перпендикулярно до провідника.

       

     Після замикання ключа, магнітна стрілка, яка була паралельна до провідника, поверталась і розташовувалась  пермендикулярно до провідника (напряму  струму) 

     Цей фундаментальний дослід доводить, що у просторі, який оточує провідник зі струмом, діють сили, завдяки яким рухається магнітна стрілка. Такі сили почали називати магнітними.      

     Оскільки  магнітна взаємодія  проявлялась на відстані, то є зміст говорити про існування магнітного поля – особливого виду матерії, засобами якої передається магнітна взаємодія.    

     Отже, дослід Ерстеда доводить, що у просторі, який оточує електричний струм, виникають  магнітні сили, тобто виникає магнітне поле. Тобто струм може чинити, крім теплової (дослід Джоуля-Ленца), хімічної (електроліз), ще й магнітну дію.  Серед трьох дій електричного струму, саме магнітна є найхарактернішою. Хімічна дія струму в одних провідниках – електроліти – присутня, а в інших – металах – ні. Тепло, яке виділяється струмом за одного і того ж струму, може бути більше чи менше в залежності від опору провідника. У надпровідному стані можливе взагалі проходження струму без виділення тепла. А отмагнітне поле завжди присутнє навколо будь-якого провідника зі струмом. Воно не залежить від властивостей провідника, а визначається лише силою і напрямом струму.   

     Те, що магнітні властивості провідника зі струмом залежать від сили і напряму струмом, було доведено Ампером. Ампер встановив, що два паралельні провідники, по яким тече електричний струм, по-різному взаємодіють в залежності від напряму струму. Якщо по обом провідникам струм тече в одному напрямі, вони притягуються один до одного, а якщо і взаємно протилежних, то відштовхуються. Сила взаємного притягання чи відштовхування двох паралельних провідників зі струмом залежала від сили струм, який протікав ними. З цього Ампер зробив висновок, що магнітні властивості, які проявляли ці провідники, у кожному з випадків різні.

       

     Якщо  струми, які протікають по двом паралельним  провідникам, співнапрямлені, то провідники притягуються, якщо протилежно напрямлені - то відштовхуються 
 

     2.3 Електромагнітна індукція 

     Складемо  установку, яка складається з гальванометра, котушки та з'єднувальних провідників. Всі елементи кола з'єднані між собою послідовно.

     Опускаємо полосовий магніт у котушку різними  полюсами і спостерігаємо відхилення стрілки гальванометра. Це свідчить про те, що в колі йде електричний струм.

     

     Те, що стрілка при опускання магніту  у котушки і при вийманні магніту  з котушки відхиляється у різні  сторони, свідчить про те, що струм в цих двох випадках тече у різних напрямках.