ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ ФАРАДЕЯ
ПРАВИЛО ЛЕНЦЯ
Одним із головних напрямів розвитку природної науки на початку XIX століття стало зростаюче усвідомлення взаємозв'язків між, здавалося б, зовсім не пов'язаними між собою феноменами електрики та магнетизму. Ханс Крістіан Ерстед (див. відкриття ерстеда) експериментально встановив, що провід, яким тече електричний струм, відхиляє магнітну стрілку компаса. Андре-Марі Ампер так зацікавився цим явищем, що взявся за поглиблене експериментальне та математичне дослідження взаємозв'язку між електрикою та магнетизмом. У результаті і було сформульовано закон, що носить тепер його ім'я.
Ключовий експеримент, проведений Ампером, є досить простим. Він поклав два прямі дроти пліч-о-пліч і пропускав по них електричний струм. З'ясувалося, що між проводами діє сила тяжіння чи відштовхування (залежно від напрямку струму. — Прим. перекладача). Звичайно, не треба бути семи п'ядей у лобі, щоб дійти такого висновку. Адже при досить сильному струмі дроти справді притягуються або відштовхуються так, що це видно неозброєним оком. Але Ампер шляхом ретельних вимірів зумів визначити, що сила механічної взаємодії пропорційна сил струмів і падає в міру збільшення відстані між ними. Виходячи з цього Ампер вирішив, що сила, що спостерігається, пояснюється виникненням магнітного поля.
Міркував Ампер приблизно так. Електричний струм в одному дроті виробляє магнітне поле, конфігурація силових ліній якого є концентричними колами навколо перерізу дроту. Другий провід потрапляє в область впливу цього магнітного поля, і в ньому виникає сила, що діє на електричні заряди, що рухаються. Ця сила передається атомам металу, з якого зроблено провід, в результатічого провід і згинається. Таким чином, експеримент Ампера демонструє нам два взаємодоповнюючі факти про природу електрики та магнетизму: по-перше, будь-який електричний струм породжує магнітне поле; по-друге, магнітні поля надають силовий вплив на електричні заряди, що рухаються. Перше з цих тверджень сьогодні і називають законом Ампера, і цей закон тісно пов'язаний із законом біо-савара. Саме ці два закони потім лягли основою теорії електромагнітного поля (див. рівняння максвелла).
Якщо ж трактувати закон Ампера трохи ширше, то ми зрозуміємо, що замкнутий електричний контур, що знаходиться в просторі, формує навколо себе магнітне поле, інтенсивність якого пропорційна силі протікає через контур електричного струму і площі всередині контуру. Тобто, наприклад, якщо навколо окремого прямолінійного провідника зі струмом формується магнітне поле, індукція якого дорівнює на відстані від провідника, то при замиканні такого провідника в круговій
контур шляхом складання цих полів усередині контуру, утвореного замкнутим провідником зі струмом, тобто, висловлюючись науковою мовою, шляхом інтегрування, ми отримаємо значення інтенсивності магнітного поля всередині контуру 2prB, де 2рг - площа кругового контуру. За законом Ампера ця величина і буде пропорційна силі струму в контурі.
Насправді ви неодноразово стикалися зі згадкою імені Андре-Марі Ампера, можливо, самі того не усвідомлюючи. Погляньте на будь-який електроприлад у вас вдома — і ви на ньому виявите його електротехнічні характеристики, наприклад: «
220V 50Hz 3,2А». Це означає, що прилад розрахований на живлення від стандартної електромережі змінного струму напругою 220 вольт з частотою 50 герц, а сила струму, що споживається приладом, становить 3,2 ампера. Одиниця силиструму ампер (скорочено А) якраз і названа на честь вченого.
Офіційне визначення одиниці виводиться з вихідного експерименту, зробленого Ампером. Це сила струму, що протікає в кожному з двох паралельних прямолінійних провідників, поміщених у вакуумі на відстань одного метра один від одного, що викликає між двома провідниками силу взаємодії, що дорівнює 2 х 10 -7 ньютона на метр довжини. (Всі наукові визначення одиниць вимірювання даються в такому строгому формулюванні. Причому тут йдеться про так звані «ідеальні провідники» нескінченної довжини і мізерно малого поперечного перерізу.) До речі, при силі струму в 1 ампер у будь-якій точці провідника кожну секунду протікає близько 6 х 10 23 електронів.
Закон Архімеда
Виштовхувальна сила, що діє на занурене в рідину тіло, дорівнює вазі витісненої ним рідини
"Еврика!" («Знайшов!») — саме цей вигук, згідно з легендою, видав давньогрецький вчений та філософ Архімед, відкривши принцип витіснення. Легенда свідчить, що сиракузький цар Герон II попросив мислителя визначити, чи з чистого золота зроблена його корона, не завдаючи шкоди царському вінцю. Зважити корону Архімеду праці не склало, але цього було мало — треба було визначити об'єм корони, щоб розрахувати щільність металу, з якого вона відлита, і визначити, чи це золото є чистим.
Далі, згідно з легендою, Архімед, стурбований думками про те, як визначити обсяг корони, поринув у ванну — і раптом помітив, що рівень води у ванній піднявся. І тут учений усвідомив, що об'єм його тіла витіснив рівний йому об'єм води, отже, і корона, якщо її опустити в заповнений до країв таз, витіснити з нього об'єм води, що дорівнює її об'єму. Вирішення завдання було знайдено і, відповіднонайвідповідальнішої версії легенди, вчений побіг доповідати про свою перемогу в царський палац, навіть не попрацювавши одягнутися.
Однак, що правда, то правда: саме Архімед відкрив принцип плавучості. Якщо тверде тіло занурити в рідину, воно витіснить об'єм рідини, що дорівнює обсягу зануреної в рідину частини тіла. Тиск, який раніше діяв на витіснену рідину, тепер діятиме на тверде тіло, що її витіснило. І, якщо діюча вертикально вгору виштовхує сила виявиться більше сили тяжіння, що тягне тіло вертикально вниз, тіло залишиться наплаву; в іншому випадку воно піде на дно (потоне). Говорячи сучасною мовою, тіло плаває, якщо його середня щільність менша за щільність рідини, в яку воно занурене.
Закон Архімеда можна витлумачити з погляду молекулярно-кінетичної теорії. У рідині, що покоїться тиск проводиться за допомогою ударів рухомих молекул. Коли певний обсяг рідини зганяється твердим тілом, спрямований вгору імпульс ударів молекул буде припадати не на витіснені тілом молекули рідини, а на саме тіло, чим і пояснюється тиск, що чиниться на нього знизу і виштовхує його в напрямку поверхні рідини. Якщо ж тіло занурене в рідину повністю, сила, що виштовхує, як і раніше діятиме на нього, оскільки тиск наростає зі збільшенням глибини, і нижня частина тіла піддається більшому тиску, ніж нижня, звідки і виникає виштовхувальна сила. Таке пояснення сили, що виштовхує, на молекулярному рівні.
Така картина виштовхування пояснює, чому судно, зроблене зі сталі, яка значно щільніша за воду, залишається на плаву. Справа в тому, що обсяг витісненої судном води дорівнює обсягу зануреної у воду сталі плюс обсягу повітря, що міститься всередині корпусу судна нижчеватерлінії. Якщо усереднити щільність оболонки корпусу та повітря всередині неї, вийде, що щільність судна (як фізичного тіла) менша за щільність води,
Закон Біо-Савара
Магнітне поле у точці простору, створюване малим відрізком провідника, яким тече електричний струм, пропорційно силі струму, назад пропорційно квадрату
відстані від цієї точки до провідника і спрямовано перпендикулярно по відношенню і до струму, і напрямку на провідник