В чем заключается гипотеза ампера
Гипотеза Ампера
Наблюдая сходство во взаимодействии катушек, по которым текут токи, и магнитов, Ампер предположил, что все магнитные взаимодействия обусловлены взаимодействием электрических токов. Это предположение получило название гипотезы Ампера.
Согласно этой гипотезе, свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в них одинаково направленными незатухающими «молекулярными» токами. Во внутренних частях магнита «соседние» молекулярные токи направлены противоположно и поэтому компенсируют друг друга. Но вблизи поверхности магнита эти токи текут в одном направлении, образуя как бы ток, обтекающий поверхность магнита (см. рис. 12.7).
Этот «поверхностный ток», как считал Ампер, и сообщает постоянному магниту его магнитные свойства.
Гипотеза Ампера объясняет также, почему не удается разъединить полюса магнита: ведь каждая половинка магнита снова подобна катушке с током.
В дальнейшем гипотеза Ампера подтвердилась лишь частично. Выяснилось, что «молекулярные» токи действительно существуют: они обусловлены движением электронов в атомах. Однако магнитное взаимодействие, связанное с этими токами, не может объяснить существования постоянных магнитов: во-первых, магнитное взаимодействие таких токов слишком слабо, во-вторых, эти токи ориентированы хаотично. «Секрет» постоянных магнитов оказался в другом.
Выяснилось, что каждый электрон (о существовании которых Ампер, конечно, не мог знать) сам по себе является микроскопическим магнитом. И в некоторых веществах, например в железе, электроны близко расположенных атомов ориентируются одинаково. Такие области одинаковой намагниченности называют «доменами». Каждый домен представляет собой крошечный магнитик, поэтому любой железный образец является как бы совокупностью очень маленьких магнитиков.
Обычно железный образец не проявляет магнитных свойств, так как домены в нем ориентированы хаотично. Но если поместить этот образец вблизи сильного магнита, то под действием магнита домены в образце через некоторое время ориентируются сходным образом.
И тогда этот железный образец сам станет постоянным магнитом.
Закон Ампера
Движение электрических зарядов приводит к возникновению магнитных полей.
Одним из главных направлений развития естественной науки в начале XIX века стало растущее осознание взаимосвязей между, казалось бы, совершенно не связанными между собой феноменами электричества и магнетизма. Ханс Кристиан Эрстед (см. Открытие Эрстеда) экспериментально установил, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Андре-Мари Ампер так заинтересовался этим явлением, что принялся за углубленное экспериментальное и математическое исследование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В результате и был сформулирован закон, носящий теперь его имя.
Ключевой эксперимент, проведенный Ампером, достаточно прост. Он положил два прямых провода бок о бок и пропускал по ним электрический ток. Выяснилось, что между проводами действует сила притяжения или отталкивания (в зависимости от направления тока. — Прим. переводчика). Конечно, не надо быть семи пядей во лбу, чтобы прийти к такому выводу. Ведь при достаточно сильном токе провода действительно притягиваются или отталкиваются так, что это видно невооруженным глазом. Но Ампер путем тщательных измерений сумел определить, что сила механического взаимодействия пропорциональна силам токов и падает по мере увеличения расстояния между ними. Исходя из этого Ампер решил, что наблюдаемая сила объясняется возникновением магнитного поля.
Рассуждал Ампер примерно так. Электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Второй провод попадает в область воздействия этого магнитного поля, и в нем возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера демонстрирует нам два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле; во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Первое из этих утверждений сегодня и называют законом Ампера, и закон этот тесно связан с законом Био—Савара. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля (см. Уравнения Максвелла).
Если же трактовать закон Ампера чуть шире, то мы поймем, что находящийся в пространстве замкнутый электрический контур формирует вокруг себя магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна силе протекающего через контур электрического тока и площади внутри контура. То есть, например, если вокруг отдельного прямолинейного проводника с током формируется магнитное поле, индукция которого равна B на расстоянии r от проводника, то при замыкании такого проводника в круговой контур, путём сложения этих полей внутри контура, образованного замкнутым проводником с током, то есть, выражаясь научным языком, путём интегрирования, мы получим значение интенсивности магнитного поля внутри контура 2рrB, где 2рr — площадь кругового контура. По закону Ампера эта величина и будет пропорциональна силе тока в контуре.
На самом деле вы не раз сталкивались с упоминанием имени Андре-Мари Ампера, возможно сами того не сознавая. Взгляните на любой электроприбор у вас дома — и вы на нем обнаружите его электротехнические характеристики, например: «
220V 50Hz 3,2А». Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера. Единица силы тока ампер (сокращенно — А) как раз и названа в честь ученого.
Официальное определение единицы выводится из исходного эксперимента, проделанного Ампером. Это сила тока, протекающего в каждом из двух параллельных прямолинейных проводников, помещенных в вакууме на расстояние одного метра друг от друга, вызывающая между двумя проводниками силу взаимодействия, равную 2×10 –7 ньютона на метр длины. (Все научные определения единиц измерения даются в такой строгой формулировке. Причем речь здесь идет о так называемых «идеальных проводниках» бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения.) Кстати, при силе тока в 1 ампер в любой точке проводника каждую секунду протекает около 6×10 23 электронов.
В чем заключается гипотеза ампера
Открытия Эрстеда и Ампера привели к новому и более глубокому представлению о природе магнитных явлений. Опираясь на установленную в этих опытах тождественность магнитных действий магнитов и соответствующим образом подобранных токов, Ампер решительно отказался от представления о существовании в природе особых магнитных зарядов. С точки зрения Ампера, элементарный магнит – это круговой ток, циркулирующий внутри небольшой частицы вещества: атома, молекулы или группы их. При намагничивании большая или меньшая часть таких токов устанавливается параллельно друг другу, как показано на рис. 209 (амперовы токи).
Рис. 209. Упорядоченное расположение амперовых токов в намагниченном железе, помещенном в магнитном поле
Мы видели в § 115, что по своим магнитным свойствам круговой ток вполне подобен короткому магниту, ось которого перпендикулярна к плоскости тока. Поэтому изображенная условно на рис. 209 система ориентированных молекулярных токов совершенно равносильна цепочкам элементарных магнитиков в гипотезе Кулона.
Таким образом, теория Ампера сделала ненужным допущение о существовании особых магнитных зарядов, позволив объяснить все магнитные явления при помощи элементарных электрических токов. Дальнейшее более глубокое изучение свойств намагничивающихся тел показало не только, что гипотеза магнитных зарядов или элементарных магнитиков излишня, но что она неверна и не может быть согласована с некоторыми экспериментальными фактами. Мы позже познакомимся с этими фактами (§ 147).
С точки зрения теории Ампера становится совершенно понятной неотделимость друг от друга северных и южных полюсов, о которой мы говорили в предыдущем параграфе. Каждый элементарный магнит представляет собой круговой виток тока. Мы видели уже, что одна сторона этого витка соответствует северному, другая – южному полюсу. Именно поэтому нельзя отделить друг от друга северный и южный полюсы, как нельзя отделить одну сторону плоскости от другой.
Таким образом, мы пришли к следующему основному результату.
Никаких магнитных зарядов не существует. Каждый атом вещества можно рассматривать в отношении его магнитных свойств как круговой ток. Магнитное поле намагниченного тела слагается из магнитных полей этих круговых токов.
В ненамагниченном теле все элементарные токи расположены хаотически, и поэтому мы не наблюдаем во внешнем пространстве никакого магнитного поля.
Процесс намагничивания тела заключается в том, что под влиянием внешнего магнитного поля его элементарные токи в большей или меньшей степени устанавливаются параллельно друг другу и создают результирующее магнитное поле.
Значение теории Ампера не вызывало сомнения. Однако представления Ампера о существовании элементарных токов, непрерывно циркулирующих внутри частиц веществ, были чрезвычайно смелы и необычны для его времени. Дальнейшее развитие науки сделало эти представления естественным следствием созданной в XX веке теории атома. Атом представляет собой систему из центрального положительно заряженного ядра и электронов, обращающихся около него, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Движение электронов представляет собой круговые токи, циркулирующие внутри атомов. Удалось даже осуществить специальные опыты, показывающие, что намагничивание тел сопровождается ориентировкой осей этих круговых токов, стремящихся расположиться параллельно.
Такие наглядные представления о строении атомов являются слишком грубыми и потому неточными, однако они в общих чертах правильно передают сущность дела.
В чем заключается гипотеза ампера
движение электронов в атомах и молекулах приводит к возникновению (существованию) элементарных токов, которые называют микротоками
Для объяснения намагничения тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле В’
В начале исследования магнетизма для объяснения свойств постоянных магнитов Ампер выдвинул смелую по тем временам гипотезу о существовании так называемых «молекулярных токов», совокупность которых объясняет магнитные свойства вещества. В настоящее время гипотеза Ампера представляется чуть ли не очевидной, физические механизмы, ответственные за магнитные свойства веществ, изучены значительно более глубоко, чем это было возможно во времена Ампера
Магнитное поле. Источники. Гипотеза Ампера.
Гипотеза Ампера. Ампера (1775- 1836г.) выдвинул гипотезу о существовании электрических токов, циркулирующих внутри каждой молекулы вещества. В 1897г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен. Вывод: движение электронов представляет собой круговой ток, а о том, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть «магнетиками». Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.
Магнитная индукция.
Если заряд частицы равен q, ее скорость равна v, а индукция магнитного поля в данной точке пространства равна В, то на частицу в данной точке со стороны магнитного поля действует сила, равная:
Таким образом, В — это вектор, величина и направление которого таковы, что сила Лоренца, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля равна:
Здесь альфа — это угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. Вектор силы Лоренца F перпендикулярен вектору скорости и вектору магнитной индукции. Его направление для случая движения положительно заряженной частицы в однородном магнитном поле определяется правилом левой руки:
«Если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца».
Поскольку ток в проводнике является движением заряженных частиц, то магнитную индукцию можно определить и как отношение максимального механического момента, действующего со стороны однородного магнитного поля на рамку с током, к произведению силы тока в рамке на площадь рамки:
Магнитная индукция — фундаментальная характеристика магнитного поля, как напряженность для электрического поля. В системе СИ магнитная индукция измеряется в тесла (Тл), в системе СГС — в гауссах (Гс). 1 тесла = 10000 гаусс. 1 Тл — это индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2, по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н • м.
Кстати, индукция магнитного поля Земли на широте 50° в среднем составляет 0,00005 Тл, а на экваторе — 0,000031 Тл. Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной силовой линии.
Магнитные силы.
Магнитное поле действует получила название – сила Сила, действующая на проводник тока, длине проводника, магнитной направлением вектора магнитной определить по правилу левой движущиеся заряды широко циклотроне- ускорителе элементарных Хорошо известно, что магнитное постоянными магнитами. Постоянные веществ, но все вещества создают магнитное поле. Согласно микроскопическими токами Закон Фарадея, основной закон э.д.с. индукции в проводнике пересекает магнитные силовые Если замкнутый проводник изменяющемся магнитном проводника в магнитном поле создавая на другом конце проводника проводника возникает разность только тогда, когда проводник проводник удаляют из магнитного Электромагнитная проводник когда Напряжение индуцированным э.д которой углом поля больше перемещается Относительное возникать вследствие перемещения поля или и того, и другого перемещается под прямым углах меньших 90 градусов перемещается параллельно проводник, тем больше индуцированное действует с определенной силой на проводник с током сила Ампера.
на проводник, по которому течет ток, прямо пропорциональна проводника, магнитной индукции и синусу угла между направлением вектора магнитной индукции. Направление силы Ампера правилу левой руки. Кроме этого, магнитное поле действует частицу, находящуюся в магнитном поле называют силой Лоренца. Силу Лоренца можно определить по формуле :
На движущуюся частицу со стороны магнитного действует сила Лоренца, которая перпендикулярна и не совершает работы. Действие магнитного широко используется в современной технике, например ускорителе элементарных частиц. магнитное поле создается ни только электрическими магнитами. Постоянные магниты могут быть изготовлены вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются поле. Согласно гипотезе Ампера эти поля порождаются токами, циркулирующими внутри атомов и молекул основной закон электромагнетизма, формулируется проводнике прямо пропорциональна скорости, с которой магнитные силовые линии, т.е. скорости изменения магнитного проводник перемещается в магнитном поле или находится магнитном поле, то в нем возникает электрический ток итном поле электроны перемещаются к одному концу конце проводника дефицит электронов. В результате возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов проводник перемещается относительно магнитного из магнитного поля, свободные электроны возвращаются Электромагнитная индукция имеет место в двух проводник перемещается относительно магнитного когда магнитное поле перемещается относительно апряжение, возникающее в проводнике, называется индуцированным напряжением, или э.д.с индукции э.д.с. определяется величиной магнитного поля которой проводник перемещается относительно углом, под которым находится проводник относительно поля, и длиной проводника. Чем сильнее магнитное больше величина э.д.с. индукции.
Чем быстре перемещается относительно поля, тем больше Относительное движение проводника и магнитного перемещения проводника (но не вдоль самого другого. Максимальное напряжение индуцируется прямым углом по отношению к силовым линиям магнитного градусов индуцируется меньшее напряжение. Если параллельно силовым линиям, э.д.с. индукции не возникает больше индуцированное напряжение.
Магнитные свойства веществ.
Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По величине и направлению этого момента, а также по причинам, его породившим, все вещества делятся на группы. Основные из них – диа- и парамагнетики.
Молекулы диамагнетика собственного магнитного момента не имеют. Он возникает у них только под действием внешнего магнитного поля и направлен против него. Таким образом, результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше, чем внешнее поле, правда, на очень малую величину. Это приводит к тому, что при помещении диамагнетика в неоднородное магнитное поле он стремится сместиться в ту область, где напряжение магнитного поля меньше.
Существует ряд веществ, в которых квантовые эффекты межатомных взаимодействий приводят к появлению специфических магнитных свойств.
Естественно, что ферромагнетики, как и парамагнетики, перемещаются в ту точку поля, где напряженность максимальная (втягиваются в магнитное поле). Из-за большой величины магнитной проницаемости сила, действующая на них, гораздо больше.
При понижении температуры все парамагнетики, кроме тех, у которых парамагнетизм обусловлен электронами проводимости, переходят либо в ферромагнитное, либо в антиферромагнитное состояние.
Для антиферромагнетиков также существует температура, при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает. Эта температура называется антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.
У некоторых ферромагнетиков (эрбин, диоброзин, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точка Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком.
Суперпарамагнетизм— квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности экстремально малых ферро- или ферримагнитных частиц. Частицы этих веществ при определенно малых размерах переходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объему частицы. Совокупность таких веществ ведет себя по отношению к воздействию внешнего магнитного поля и температуры подобно парамагнитному газу (сплавы меди с кобальтом, тонкие порошки никеля и т.д.).
Суперпарамагнетизмприменяется в тонких структурных исследованиях, в методах неразрушающего определения размеров, форм, количества и состава магнитной фазы и т.п.
Пьезомагнетики— вещества, у которых при наложении упругих напряжений возникает спонтанный магнитный эффект, пропорциональный первой степени величины напряжений. Этот эффект весьма мал и легче всего его обнаружить в антиферромагнетиках.
21) Гармонические колебания. Условия, характеристики, уравнение, графики.
Гармонические колебания — колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид
или 
где х — смещение (отклонение) колеблющейся точки от положения равновесия в момент времени t; А — амплитуда колебаний, это величина, определяющая максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия; ω — циклическая частота, величина, показывающая число полных колебаний происходящих в течение 2π секунд; 
— полная фаза колебаний, 
— начальная фаза колебаний.
Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде: 
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).