2014-02-03
5732
Повне, або замкнуте електричне коло складається з двох частин: так званої внутрішньої, або джерела Е.Р.С. і зовнішньої, яка з’єднує полюси джерела поза ним. До зовнішнього кола відносяться всі електроспоживачі, реостати, вимірювальні прилади. Джерело Е.Р.С., як і будь який провідник, має певний опір, який називають внутрішнім опором і позначають 
на відміну від зовнішнього опору 
кола.
Припустимо, що до джерела електроенергії з електрорушійною силою Е і внутрішнім опором 
приєднано опір 
(мал.4). Нехай за час t через поперечний переріз провідника пройде заряд 
. Тоді робота сторонніх сил з переміщенням заряду q дорівнює 
. За рахунок цієї роботи на зовнішньому і внутрішньому опорах виділяється кількість теплоти 
. Згідно із законом збереження енергії. 
або 
, звідки 
.
Таким чином, Е.Р.С. дорівнює сумі спадів напруг на зовнішньому і внутрішньому опорах замкнутого кола.
Тоді =>
- закон Ома для повного кола: сила струму в замкнутому колі прямопропорційна Е.Р.С. джерела і обернено пропорційна сумі зовнішнього і внутрішнього опорів.
|
|
|
; 
; 
; 
- сила струму короткого замикання.
Питання для самоконтролю
1. Чи може тривалий час існувати електричний струм у колі, якщо на рухомі заряди діють лише кулонівські сили?
2. У чому полягає фізична суть Е.Р.С.?
3. Від чого залежить величина Е.Р.С.? Як на практиці вимірюється Е.Р.С.?
4. Сформуйте закон Ома.
5. Від чого залежить струм короткого замикання?
Лекція №40
Тема: Електричний струм в металах. Закон електролізу. Контактна різниця потенціалів. Термо-Е.Р.С. Термопара.
Мета: систематизувати матеріал про носіїв електричного струму, вивчити основні положення електронної теорії провідності матеріалів, пояснити причини виникнення контактної різниці потенціалів; розкрити механізм утворення термо-Е.Р.С.
Оснащення: таблиці, опорні конспекти.
План лекції
1. Будова металів та її зв’язок з провідністю.
2. Електризація при дотику двох різнопорідних металів.
3. Механізм утворення термо-Е.Р.С.
4. Використання термопар в техніці.
Література
3. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995, с.336…340.
2 Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984, с.186…190.
Зміст лекції
Як пояснити проходження струму в металах? Як рухаються електрони створенні між кінцями провідника різниці потенціалів?
Нагадаємо внутрішню будову металів. Валентні електрони в атомах металів зв’язані з ядрами дуже слабко. Тому при утворенні кристалічної решітки вони легко відриваються від атомів і хаотично рухаються у проміжках між іонами, а самі іони здійснюють коливання у вузлах кристалічної решітки. Ці електрони і є вільними носіями заряду в металах. Їх звичайно називають електронами провідності.
|
|
|
Концентрація електронів провідності у металі дуже велика: вона дорівнює кількості атомів в одиниці об’єму металу, тобто порядку 
. Цим пояснюється добра електропровідність металів.
Електрони провідності в металах перебувають у безперервному русі. Їх хаотичний рух нагадує рух молекул ідеального газу. Якщо в металі створити електричне поле, то воно діятиме на електрони з певною силою і надаватиме їм прискорення в одному напрямі – протилежному до напряму вектора напруженості поля. Тому електрони, рухаючись хаотично, одночасно зміщуються в одному напрямі.
Створена наприкінці ХІХ – початку ХХ століть класична електронна теорія електропровідності металів припускала, що під час руху під дією електричного поля електрони провідності співударяються з іонами кристалічної решітки. Саме ці зіткнення і відповідальні за електричний опір металу.
Обчислимо силу струму. Кількість електронів, що проходять через поперечний переріз 
провідника за час 
, дорівнює 
. При цьому переноситься заряд 
. Отже, в провіднику йде струм 
.
Якщо оцінити значення середньої швидкості 
, то отримаємо досить малу величину порядку 
. Між тим добре відомо, що як тільки “клацнемо” вимикачем, лампа, яка міститься на відстані кількох десятків метрів від нього, загоряється миттєво. Взагалі при замиканні електричного кола всі прилади, на які би відстані не були один від одного, починають діяти практично одночасно. Звідси випливає, що швидкість поширення струму і швидкість упорядкованого руху носіїв струму – це не одне й те саме. Коли говорять про величезну швидкість поширення струму в провідниках, то мають на увазі, що з такою швидкістю поширюється дія електричного поля на заряди в провіднику. Електричне поле поширюється зі швидкістю близько 
, тобто зі швидкістю світла. Цю швидкість і мають на увазі, коли говорять про швидкість поширення поля.
Що стосується напряму електронного струму, то умовно за додатний напрям струму приймається напрям, в якому рухаються додатно зарядженні частки під дією електричного поля.
Тепер повернемося до питання, пов’язаного з електризацією при дотику двох різнопорідних тіл, а саме різнопорідних металів. Існують дві причини, що викликають таку електризацію. Перша причина – це різниця в роботі виходу електронів з металів; друга – неоднакова густина електронного газу в металах, тобто різна кількість вільних електронів в одиниці об’єму металів. Розглянемо вплив різниці в роботі виходу електронів з металів.
Нехай пластини 1 і 2 виготовленні з різних металів, причому 
(мал. а). У випадку дотикання цих пластин потенціальна крива буде мати вигляд, представлений на (мал. б). Графік показує, що для переходу електронів з металу 1 до металу 2 їм необхідно виконати роботу 
, яка значно менша ніж 
. Тому багато електронів будуть переходити зліва направо навіть при кімнатній температурі. Що ж стосується електронів в металі 2, то всі ті електрони, що при хаотичному русі перейдуть межу ВС, залишаться в металі 1, так як їх потенціальна енергія при цьому зменшується.
З вищезазначеного можна зробити висновок, що справа наліво повинно переходити більше електронів, ніж навпаки. Тому метал 1 заряджається негативно, а метал 2 – позитивно, тобто між ними виникає електричне поле. Це поле зосереджено в тонкому перехідному шарі між металами (мал. в). Воно гальмує перехід електронів з метала 2 в метал 1. Тому потоки електронів в обидві сторони між металами швидко врівноважуються й натупає динамічна рівновага.
Різниця потенціалів 
, яка виникає між металами що дотикаються при динамічній рівновазі електронів, називаються контактною різницею потенціалів. Контактна різниця потенціалів, що виникає в наслідок відмінності роботи виходу електронів з металів, може досягти кількох вольт та практично не залежить від температури.
|
|
|
Розглянемо тепер дію другої причини. Нехай концентрація вільних електронів в першому металі більша ніж у другому, тобто 
. Будемо вважати, що роботи виходу електронів з металів однакові. Тоді потік електронів з металу 1 в метал 2, обумовлені їх хаотичним рухом, буде перебільшувати потік електронів з металу 2 в метал 1. При цьому метал 1 набуває позитивного заряду, а метал 2 – негативного. Електричне поле, яке з’являється при цьому в перехідному шарі між металами, гальмує перехід електронів з металу 1 в метал 2, і між потоками електронів в обидві сторони виникає динамічна рівновага.
Контактна різниця потенціалів 
між металами, обумовлена різною концентрацією вільних електронів у металах, не перевищує кількох сотих вольта й зростає при підвищенні температури металів, що дотикаються. Це пояснюється тим, що при нагріванні електрони рухаються швидше й потоки електронів в обох напрямках збільшуються. Але оскільки , то потік електронів з металу 1 в метал 2 збільшується більше й різниця потенціалів збільшується.
Контактна різниця потенціалів при однаковій температурі всіх контактів в замкненому колі з металевих провідників не може створити струм, так як лише врівноважує потоки електронів в протилежних напрямках. Однак якщо температура контактів С і Д буде різною, то в колі виникне Е.Р.С.
Дійсно, якщо підігріти контакт Д, то в ньому відбувається перехід електронів з металу В в метал А, а контактна різниця потенціалів в Д збільшиться. Так як в метал А на кінці Д електронів стало більше, то вони рухаються в напрямі С. Збільшення концентрації електронів на кінці С приведе до їх переходу з металу А в метал В в точці С. Звідси вони по металу В перейдуть до контакту Д. Таким чином, якщо підтримувати температуру контакту Д більшого, ніж температура контакту С, то в замкнутому колі буде відбуватися напрямлений рух електронів, тобто діятиме Е.Р.С.
|
|
|
Е.Р.С. в замкненому колі, що складається з різнопорідних металів, обумовлена різними температурами контактів, називають термоелектрорушійною силою (термо-Е.Р.С.). Термо–Е.Р.С. в колі з двох різнопорідних металів прямо пропорційна різниці температур їх контактів й залежить від роду металів. Електрична енергія в такому колі отримується за рахунок внутрішньої енергії джерела, що підтримує різницю температур контактів.
Термо – Е.Р.С. невелика й досягає для металів лише 
вольта на один градус різниці температур контактів у колі. Значно більшу термо–Е.Р.С. мають напівпровідники (
вольт на градус). Це пояснюється тим, що концентрація електронів у напівпровідниках сильно залежить від температури.
Прилад, який складається з двох різнопорідних металів зі спаяними кінцями, в якому відбувається утворення електричної енергії за рахунок внутрішньої енергії іншого тіла, яке підтримує різницю температур контактів, називають термопарою або термоелементом.
Оскільки Е.Р.С. термопари прямо пропорційна різниці температур контактів, можна застосувати її для визначення температури. Це дозволяє використовувати термопари в якості дуже точних термометрів.
На практиці часто застосовується термопари залізо-константан (
), мідь-констант, хромель (
), алюмель (
) й інші. Для вимірювання високих температур користуються термопарой, зробленої з тугоплавких металів, наприклад платини та її сплавів.
Термопари широко застосовуються не тільки для контролю, а й автоматичного регулювання температури, оскільки від термопари данні про температуру надходять у вигляді електричного сигналу (термо–Е.Р.С.), який можна легко посилити й використовувати для регулювання потужності нагрівника.
Питання для самоконтролю
1. Чим пояснити велику концентрацію електронів провідності в металах?
2. Як рухаються електрони провідності в металевому провіднику: а) коли вньому не має електричного поля; б) коли в ньому створене електричне поле?
3. Поясніть дві причини виникнення контактної різниці потенціалів?
4. Розкрийте механізм виникнення термо – Е.Р.С.
Лекція №42
Тема: Електричний струм в електролітах. Закон електролізу. Застосування електролізу. Застосування електролізу.
Мета: поглибити поняття електролітичної дисоціації, вивчити природу електричного струму в розчинах і розплавах електролітів та процесу електролізу, зв’язати фізичний зміст закону електролізу Фарадея, поняття електрохімічного еквівалента речовини, познайомити учнів із застосуванням електролізу в техніці.
План лекції
5. Механізм електролітичної дисоціації.
6. Закон електролізу Фарадея.
7. Застосування електролізу в техніці.
Література
4. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995.
3 Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984.
Зміст лекції
Розглянемо проходження електричного струму через розчин солей, кислот і лугів. Струм в електролітах супроводжується електролізом — окисно-відновлювальними реакціями з виділенням на електродах речовини. Таким чином електропровідність електролітів обумовлена переміщенням іонів, на відміну від металів, які мають електронну провідність.
Ні дистильована вода, ні розчинова сіль, кислота чи луг вільних іонів не містять. Іони виникають лише в процесі взаємодії молекул розчиненої речовини з молекулами води. Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони під впливом розчинника називається електролітичною дисоціацією.
Причина дисоціації електролітів полягає в тому, що молекули води є полярними молекулами. При розчиненні речовини навколо кожного з іонів (наприклад Na+ і Cl-) орієнтуються полярні молекули розчинника. до додатного іона молекули розчиненої речовини притягаються від’ємні полюси молекул води, при цьому вони відштовхують другий іон цієї молекули. Зв’язок між іонами послаблюється, і енергії теплових співударів виявляється достатньо для відокремлення іонів один від одного.
 |
Поряд з дисоціацією при співударах можливі зворотні процеси об’єднання різнойменних іонів у нейтральні молекули —рекомбінація. В електроліті встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість іонів, що рекомбінують за той же час.
Здатність дисоціювати у різних рідин різна і для кількісної характеристики ступеня дисоціації a, який показує, яка частка молекул розчиненої речовини розпалася на іони.
За відсутності зовнішнього електричного поля іони в електролітах здійснюють хаотичний тепловий рух. Якщо ж створити в електроліті електричне поле, то на хаотичний тепловий рух накладається напрямлене переміщення іонів, тобто виникає електричний струм.
Дослід довели, що електропровідність електролітів з підвищенням температури зростає. Це пояснюється тим, що при нагріванні електроліта зростає ступінь дисоціації, тобто концентрація іонів, і зростає їх рухливість що веде до зменшення опору.
Іонну провідність мають не лише розчини солей, кислот і лугів, а й розплавлені солі, кристали багатьох сполук.
В процесі електролізу на електродах виділяються нові речовини, яких не було в розчині. Розглянемо явище електролізу з кількісного боку, спробуємо встановити зв’язок між масою речовини, виділеного під час електролізу на електродах, і кількість електрики, яка пройшла через електроліт. Така залежність була встановлена Майклом Фарадеєм у 1833 році.
Нехай за час t через електроліт проходить заряд q. Заряд одного іона 
, де n — валентність іона, а е- — елементарний електричний заряд.
Кількість іонів n0, що досягли за цей час t електрода, дорівнює 
. масу речовини, яка виділилася на електроді, можна визначити 
, де mi— маса іона. Маса іона приблизно дорівнює масі атома 
. масу однієї молекули (атома) даної речовини можна визначити через число Авогадро.
, де М— молярна маса речовини, а NA — стала Авогадро.
Для даної речовини 
— стала. Тоді 
В цьому полягає перший закон електролізу Фарадея: маса речовини, що виділяється на одному електроді, пропорційна кількості електрики, що проходить через електроліт.
Коефіцієнт пропорційності k — електрохімічний еквівалент речовини. Залежить від хімічної природи речовини, яка виділяється на електроді при проходжені одиниці заряду (1 Кл).
Проаналізуємо вираз для електрохімічного еквівалента.
Добуток числа Авогадро NA на електричний заряд е є величиною сталою, яка називається сталою Фарадея. Її значення:
Таким чином 
; — електрохімічні еквіваленти речовини прямопропорційної масам їх молів і обернено пропорційні їх валентностям.
В цьому полягає другий закон Фарадея.
Об’єднати обидва закони Фарадея можна в одному виразі:
або 
Розрахований на основі законів Фарадея елементарний заряд відповідає заряду електрона.
Це є підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів: від’ємний іон утворюється приєднанням до атома електронів, додатний іон утворюється при втраті атомом електронів. Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів.
Розглянемо найбільш важливі застосування електролізу в техніці.
Дуже широко застосовується електроліз в металургійній промисловості. Багато металів одержують електролізом руд в розплавленому стані.
Наприклад, алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого оксиду (глинозему Al2O3 у кріоліті Na2AlF6). Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом, а анодами — опущені в розплав вугільні стержні.
Електроліз відбувається при температурі близько 900°С, при чьому ця температура підтримується самим струмом. Розплавлений алюміній опускається на дно ящика, звідки через спеціальний отвір випускається у форми для вимівки.
У процесі електролізу дістають також натрій, магній, берилій, кальцій, фтор та інші елементи.
Також метод електролізу застосовується для очищення (рафінування) металів. Для цього очищений метал відливають у вигляді пласти і роблять їх анодами в електролітичній ванні. Електролітом служить розчин солі даного металу. Напруга підбирається такою, щоб лише очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді. Домішки випадають на дно посудини у вигляді осадку.Найчастіше цей спосіб застосовується для очищення міді.
Широке застосування в техніці знайшло електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми — гальванопластика. для цього з предмета знімають зліпок з воску, стеаріну, гіпсу тощо, покривають його порошком графіту для надання електропровідності, а потім використовують зліпок як катод в електролітичній ванні з розчиненою сіллю відповідного металу. Під час електролізу метал електроліту осідає на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета. Цим способом виготовляють друкарське кліше, безшовні труби і інші деталі складної форми.
Електричне осадження металів застосовується для покриття одних металів шаром інших, з метою захисту від корозії. Таким є електролітичне сріблення, золотіння й платинування для ювелірної промисловості, покриття хромом, нікелем, цинком тощо.
Питання для самоконтролю
1. Що таке електроліт?
2. Що називається електролітичною дисоціацією?
3. Яка природа електричного стуму в електролітах?
4. Чим відрізняється механізм провідності електролітах від механізму провідності металів?
5. Як на основі механізму іонної провідності та електролізу пояснити суть закону електролізу Фарадея?
6. У ролі якого електрода виступає виріб при гальванопластиці?
Лекція № 43
Тема: Електричний струм в газах. Дуговий та іскровий розряди. Поняття про плазму. Використання газових розрядів у техніці.
Мета: з’ясувати природу електричного струму в газах і вивчити характерні його особливості; ознайомити учнів з різними видами самостійного розряду в газах; показати технічне застосування газових розрядів; ознайомити з основними властивостями плазми.
План лекції
1. Іонізація газів.
2. Вольтамперна характеристика іонізованого газу.
3. Види самостійного розряду.
4. Основні властивості плазми.
Література
5. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995, с.134…139.
6. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984, с.191…197.
Зміст лекції
За звичайних умов (не дуже високій температурі та тиску наближеному до атмосферного) гази практично не містять вільних заряжених часток (електронів та іонів), здатних переміщатися під дією електричного поля. Тому за таких умов гази є ізоляторами. Якщо помістити в сухе атмосферне повітря заряжений електрометр, то його заряд досить довго буде залишатися незмінним. Це пояснюється тим, що гази за звичайних умов містять тільки нейтральні атоми та молекули.
Газ стає провідником електрики тільки тоді, коли деяка частина його молекул іонізується, тобто відбувається розщеплення нейтральних атомів і молекул на іони і вільні електрони. Цей процес відбувається під дією різноманітних іонізаторів: нагрівання газу (зіткнення швидких молекул стають на стільки сильними, що молекули розбиваються на іони), високочастотне електромагнітне випромінювання (ультрафіолетове, рентгенівське та g-випромінювання), корпускулярне випромінювання (потоки електронів, протонів, aчасток) та інші.
Для того, щоб відірвати від молекули один електрон, необхідно затратити енергію, яка називається енергією іонізації, значення якої для різних речовин різні.
Одночасно з процесом іонізації газу завжди відбувається й обратний процес— процес рекомбінації :позитивні та негативні іони, позитивні іони та електрони при зустрічі об’єднуються силами електричної взаємодії з утворенням нейтральних атомів та молекул.
Проходження електричного струму через гази називається газовим розрядом.
Нехай в електричному колі, що містить газовий проміжок, цей проміжок підлягає безперервній, незмінній за інтенсивністю дії іонізатора. внаслідок цієї дії газ набуває деякої електропровідності і в колі виникне електричний струм, залежність якого від докладеної напруги дається на малюнку:
На ділянці ОА виконується закон Ома (сила струму прямопропорційна напрузі). При подальшому збільшенні напруги сила струму зростає повільніше (ділянка АВ) й, досягнувши певного значення jнас (струм насичення), не змінюється (ділянка ВС). Це пояснюється тим, що іони та електрони, утворені зовнішнім іонізатором за одиницю часу, за той самий інтервал досягають електродів. Значення jнас визначається потужністю іонізатора. Якщо в режимі ОС припинити дію іонізатора, то припиниться й розряд. Такі розряди, що існують тільки при дії зовнішніх іонізаторів, називаються не самостійними. Розряди, що зберігаються після припинення дії зовнішнього іонізатора, — самостійні.
Якщо продовжувати збільшувати напругу, то на дільниці СD відбувається досить швидке зростання сили струму. При великих напругах, електрони, прискорені електричним полем, іонізують нейтральні молекули, вибиваючи з них вторинні електрони. Вторинні електрони в свою чергу теж іонізують молекули газу, загальна кількість електронів і іонів буде зростати лавиноподібно.
Називається цей процес ударною іонізацією.
Але тільки ударної іонізації недостатньо для підтримання струму при припиненні дії іонізатора. Самостійний розряд виникне тоді, коли прискорені полем позитивні іони, ударяючись катод, вибиватимуть з нього електрони. Напруга, при якій виникає самостійний розряд, називається напругою пробою.
В залежності від тиску газу, конфігурації електродів, параметрів зовнішнього кола, самостійний розряд буває чотирьох видів: тліючий, іскровий, коронний, дуговий.
I. Тліючий розряд виникає при низькому тиску (-5-6кПа). Використовується як джерело світла в газосвітних трубках. Колір світних шарів залежить від роду газу. Світіння повітря має бузковий відтінок, неону - оранжево-червоний, аргону – зеленуватий тощо.
II. Іскровий розряд має вигляд тонкого яскравого світного, погнутого і розгалуженого шнура. Відбувається в газах при атмосферному тиску та тиску більшому, ніж атмосферний. Прикладом іскрового розряду є блискавка.
III. Коронний розряд виникає при великому (атмосферному) тиску в різко неоднорідному полі поблизу електродів з великою кривизною поверхні. Світна область нагадує корону. Виникає на високовольтних лініях, що веде до витрати енергії. Зустрічається і в природі на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів (вершинах дерев, шпилях башт, мачтах кораблів). В давнину отримав назву вогнів святого Ельма.
IV. Дуговий розряд виникає, якщо дістати іскровий розряд, а потім поступово зменшувати електричний опір кола, зменшуючи при цьому відстань між електродами. Дуговий розряд може існувати при досить низькій напрузі. Основною причиною є інтенсивне випускання термоелектронів розжареним катодом. Електрони прискорюють електричним полем і здійснюють ударну іонізацію газу.
Електрична дуга є потужним джерелом світла і широко використовується в проекційних, прожекторних та інших установах. Особливо широко електрична дуга використовується для зварювання і різання металів. Вперше зварювання металів в електричній дузі було здійснено в 1882 році. російським інженером М.М Бенардосом і вдосконалено у 1888 році М.Г. Славяновим. В Україні під керівництвом Є.О. Патона та Б.Є. Патона опрацьовані і впроваджені у виробництво електрозварювальні автомати різного призначення.
Також дуговий розряд використовується в дугових електропечах в металургійній промисловості для виплавки сталі, чавуну, бронзи та інших металів.
Плазмою називається сильно іонізований газ, в якому концентрація позитивних та негативних зарядів майже однакова. Тобто плазма в цілому електрично нейтральна.
Цьому стані речовини притаманні властивості, пов’язані з сильною кулонівською взаємодією. Вона має високу ступень іонізації, велику електропровідність, є своєрідним пружнім середовищем, в якому можуть легко збуджуватися та поширюватися різноманітні коливання й хвилі.
Розрізняють газорозрядну й високотемпературну плазму.
Дослідження високотемпературної плазми має велике значення в здійснені керованих термоядерних реакцій. Низькотемпературна плазма широко застосовується в газорозрядних приладах. Перспективними напрямами використання низькотемпературної плазми є магнітогідродинамічні генератори (МГД - генератори) та плазмові реактивні двигуни.
Питання для самоконтролю
1. Яка природа електричного струму в газах?
2. Якщо гарячий газ охолодити, то він втрачає провідність. Чому?
3. За рахунок чого триватиме самостійний розряд при вимкнутому іонізаторі?
4. Як застосовуються розряди в газах сучасною технікою?
Лекція № 46
Тема: Магнітне поле.
Мета: Ознайомити студентів з поняттям магнітного поля, як особливий вид матерії;навчити тлумачити інформацію про магнітне поле, наведену у вигляді картини магнітних силових ліній.
Оснащення: опорні конспекти; демонстраційні досліди по створенню та спостереженню магнітних полів; плакати.
План лекції
1. Магнітне поле, як особливий вид матерії.
2. Лінії магнітної індукції. Магнітні поля прямолінійного, колового струму та соленоїда. Магнітне поле постійного магніту.
3. Сила взаємодії паралельних струмів. Відносна магнітна проникність середовища. Магнітна стала.
Література
5. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995, с.266…270.
4 Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984.с.217…225.
5 Фізика, Шкільний курс, с.426…429.
Зміст лекції
1. Магнітне поле, як особливий вид матерії.
Магнітні явища були відомі ще з глибокої давнини з спостережень за властивістю магнітного залізняка (
) притягувати залізні предмети та намагнічувати їх. Тоді ж були помічені магнітні властивості Землі, завдяки яким магнітна стрілка встановлювалась вздовж географічного медіану. Заснований на такій властивості компас існував у Китаї приблизно 3000 років тому.
Перші дослідження та описування властивостей постійних магнітів були виконані у 1600 році Гільбертом. З’Ясувати, що постійний магніт має два полюси – кінцеві області, притягуючи залізні предмети з найбільшою силою, і розташованому між ними нейтральну зону. Один з полюсів орієнтується на північ (північний або позитивний магнітний полюс), інший – на південь (південний або негативний магнітний полюс). З’ясувалось також, що різноіменні полюси магнітів взаємно притягуються, а одноіменні – відштовхуються.
В результаті таких досліджень у фізиці виникла уява про особливу магнітну субстанцію, “магнітну масу” зосереджену у полюсах магніту. Але поряд з цим виник сумнів в існуванні такої субстанції, так як з’ясувалось, що ніяким чином неможливо розділити полюси магніту, тобто одержати окремо позитивний та негативний “магнітні заряди”. З розрізаного вздовж вісі магніту завжди одержували два менших магніти, кожний з яких мав північний та південний полюси.
Вже в ХVIII ст. звернули увагу на намагнічування залізних предметів та перемагнічування компасу, якщо поблизу від них проходив грозовий заряд. Це наводило на думку про зв’язок магнітних явищ з електричними, що було підтверджено у 1820 році експериментально фізиком з Данії Ерстедом. Який встановив, що, як5 і постійний магніт, електричний струм у провіднику діє на розташовану поблизу магніту стрілку, повертаючи її перпендикулярно до провідника. Тоді ж французький фізик Ампер експериментально виявив магнітну взаємодію двох провідників зі струмами.
Наступні досліди, проведенні у ХІХ ст. вченими, довели, що магнітні властивості має не тільки струм у провідниках, але і струм у рідинах і газах і взагалі будь-який рухомий електричний заряд.
Таким чином, виявилось, що навколо рухомих електричних зарядів (струмів) виникає ще один вид поля – магнітне поле, за допомогою якого ці заряди взаємодіють з магнітами або іншими рухомими електричними зарядами.
Магнітне поле – особливий вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.
Основні властивості магнітного поля, встановлені експериментально:
а) Магнітне поле народжується електричним струмом (рухомими зарядами) або змінним електричним полем.
б) Магнітне поле помітне по дії на електричний струм (рухомі заряди).
в) Подібно електричному полю, магнітне поле існує реально, незалежно від нас, від наших знань про нього.
2. Лінії магнітної індукції. Магнітні поля прямолінійного,
колового струму та соленоїдаю. Магнітне поле постійного магніту.
З досліду відомо, що магнітна стрілка, внесена в магнітне поле, повертається. Отже, на її кінці діють магнітні сили, які утворюють пару сил, під дією яких стрілка повертається. Це означає, що за допомогою магнітних стрілок можна визначити розміщення ліній, уздовж яких діють магнітні сили на стрілки.
Магнітне поле на схемах умовно зображають магнітними силовими лініями, або лініями індукції магнітного поля.
Лінією індукції магнітного поля називають таку лінію, по дотичній до кожної точки якої розміщують маленькі магнітні стрілки.
На практиці картину розміщення магнітних ліній індукції в площині легко створити за допомогою стальних ошурок, бо кожна частинка ошурок, потрапивши в магнітне поле, намагнічується і стає дуже маленькою магнітною стрілкою, яка розміщується вздовж лінії індукції поля.
Лінії індукції вважають напрямленими в той бік, в який показують північні полюси стрілок.
На малюнку 1 наведені картини магнітних полів в різних об’єктах:
а) штабового магніту;
б) прямолінійного провідника зі струмом;
в) колового струму;
г) соленоїда.
На кожній з цих картин слід звернути увагу на наступні особливості:
- лінії індукції магнітного поля завжди замкнені, вони не мають ні початку, ні кінця і завжди охоплюють провідник зі струмом або постійний магніт (на відміну від силових ліній електростатичного поля, які мають початок і кінець на електричних зарядах або в конечності); поле, лінії індукції якого замкнуті, називається вихровими;
- лінії магнітної індукції у зовнішньому просторі постійних магнітів ідуть від північного полюса до південного, а в середині – від південного до північного;
- магнітні поля прямолінійних провідників зі струмами мають вигляд концентричних кіл, розміщених у площинах, перпендикулярних до провідника; напрям ліній індукції магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом визначається за правилом “свердлика” або “правого гвинта”:
напрям магнітної силової лінії збігається з напрямом обертання рукоятки “свердлика” при вгвинчуванні його вздовж напряму струму;
- правило “свердлика” для колового струму можна використовувати інакше: якщо обертати рукоятку “свердлика” в напрямі струму в контурі, то поступальний рух “свердлика” покаже напрям ліній індукції всередині контуру;
- магнітне поле соленоїда, що являє собою котушку з струмом, ззовні практично дорівнює нулю, а всередині і на кінцях котушки практично співпадають з магнітним полем штабового постійного магніту; всередині соленоїда лінії індукції паралельні і огинають його ззовні; напрям ліній індукції магнітного поля соленоїда визначають як і для колового струму.
3. Сила взаємодії паралельних струмів.
Відносна магнітна проникність середовища. Магнітна стала.
Розглянемо 2 прямолінійних провідника з струмами 
і 
. Якщо струми в провідниках мають однакові напрями, то провідники притягуються з однаковими за величиною силами 
і 
(мал.2).
Наявність цих сил пояснюється тим, що другий провідник знаходиться у магнітному полі першого провідника, яке створює силу . Сила у свою чергу створюється магнітним полем другого провідника.
Змінюючи силу струму в провідниках і відстань 
між ними, можна показати на досліді, що сила 
, яка діє на відрізок 
довгого провідника, що знаходиться у вакуумі, визначається за формулою:
(1)
Змінюючи середовище, у якому розміщенні провідники, можна встановити, що сила 
взаємодії залежить від навколишнього середовища:
(2)
де 
- магнітна стала, її величина визначається вибором одиниць вимірювання;
- відносна магнітна проникність середовища, яка показує, у скільки разів сила взаємодії струмів у певному середовищі більша, ніж у вакуумі.
Досліди показали, що середовище може як підсилювати взаємодію струмів, так і послаблювати її у порівнянні з вакуумом. Тому величина 
може бути як більша, так і менша за одиницю. Числове значення визначають на досліді і для розрахунків беруть з таблиць.
У міжнародній системі одиниць СІ формулу (1) було використано для визначення одиниці сили струму – Ампера.
При однакових струмах у провідниках вона має вигляд:
(3)
З цієї формули випливає, що коли помістили два паралельні провідники з однаковими струмами у вакуумі на певній відстані і задати силу, яка діятиме на одиницю довжини кожного з них, то сила струму в цих провідниках матиме тільки певне значення. Таким способом і було визначено величину Ампера.
Ампером називають силу струму, що проходить у кожному з двох нескінченно довгих паралельних провідників, розміщених у вакуумі на відстані 1м один від одного, яка спричиняє силу в 
, що діє на кожний метр довжини провідника.
Знайдемо тепер числове значення магнітної сталої:
(4)
Підставимо у формулу (4) значення, які відповідають визначенню Ампера, дістанемо:
Далі буде показано, що 
(Генрі поділити на метр).
Питання для самоконтролю
1. Чим породжується магнітне поле?
2. За допомогою чого можна помітити у просторі наявність магнітного поля?
3. Які явища природи підтверджують зв’язок магнітних явищ з електричними?
4. У чому полягає істотна відмінність силових ліній електричного поля і ліній індукції магнітного поля?
5. Як за допомогою магнітної стрілки визначити полюси колового струму і котушки зі струмом?
6. Які лінії лінії називають лініями магнітної індукції?
7. Який вигляд мають магнітні поля постійних магнітів?
8. Який вигляд мають магнітні поля прямолінійних провідників зі струмами?
9. Який вигляд мають магнітні поля колового струму?
10. Який вигляд мають магнітні поля соленоїда?
11. За яким правилом визначається напрям ліній індукції для прямолінійного струму? Для колового струму?
12. Дайте визначення відносної магнітної проникності середовища?
13. Дайте визначення одиниці сили струму – Ампера?
14. Знайдіть числове значення та одиниці вимірювання магнітної сталої.
Лекція № 47
Тема: Магнітне поле.
Мета: Розглянути сили, що діють з боку магнітного поля на провідник з струмом і на рухомі заряджені частинки, та основні параметри магнітного поля – індукцію та напруженість, встановити зв’язок між ними.
Оснащення: опорні конспекти; демонстраційні досліди спостереження за дією магнітного поля на прямолінійний провідник зі струмом; таблиці.
План лекції
4. Сила Ампера. Індукція та напруженість магнітного поля, зв’язок між ними.
5. Сила Лоренца. Рух заряду в магнітному полі.
Література
6. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995, с.271…275, с.283…285.
6 Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984.с.225…228, с.238…240.
7 Фізика, Шкільний курс, с.427…429, с.437…441.
Зміст лекції
1. Сила Ампера. Індукція та напруженість магнітного поля,
зв’язок між ними.
Розташуємо рухомий провідник зі струмом І між полюсами підковоподібного магніту (мал.3). під дією магнітної сили 
(її називають силою Ампера) цей провідник втягується в проміжок між полюсами. При змінні напряму струму І провідник рухається у зворотний бік.
Напрям сили , яка діє на прямолінійний провідник зі струмом у магнітному полі, визначається за правилом лівої руки: якщо розмістити ліву руку вздовж провідника так, щоб чотири пальці показували напрям струму в ньому, а лінії магнітної індукції входили в долоню, то відігнутий великий палець показуватиме напрям сили, яка діє на провідник зі струмом (сили Ампера).
Ампер показав, що сила прямо пропорційна довжині провідника і сили струму в ньому І. Вона залежить також від кута 
між напрямом струму і напрямом лінії індукції в тому місці, де є провідник:
(4)
Сила прямо пропорційна 
і має максимальне значення 
, коли провідник перпендикулярний до ліній індукції поля:
(5)
Множник В у формулах (4) та (5) визначає залежність сили ампера від магнітного поля, в яке вміщено провідник зі струмом:
(6)
Величину В, яка є силовою характеристикою магнітного поля в певній точці, називають магнітною індукцією.
Магнітна індукція в будь-якій точці поля вимірюється силою, яка діє на одиницю довжини провідника, розташованого в цій точці перпендикулярно до ліній індукції, при силі струму в ньому, яка дорівнює одиниці.
При цьому треба мати на увазі, що магнітна індукція 
є вектором, у будь-якій точці магнітного поля напрямлений по дотичній до лінії магнітної індукції в цій точці і в той бік, в який показує північний полюс магнітної стрілки.
З формули (6):
(Тесла).
Тесла – магнітна індукція такого однорідного поля, в якому на провідник зі струмом в 1А, розташований перпендикулярно до ліній індукції, діє сила в 1Н на кожний метр його довжини.
Умовились проводити через одиницю площі поверхні, перпендикулярної до ліній індукції, таке їх число, яке пропорційне значенню у тому місці де лежить поверхня. Це означає, що лінії індукції проводять частіше там, де діють більші магнітні сили.
Французькі вчені Ж. Біо і Ф. Савар у 1820 році показали, що індукція магнітного поля прямолінійного струму у будь-якій точці прямо пропорційна силі струму і обернено пропорційна відстані а від провідника до цієї точки:
(7)
Індукція магнітного поля провідника зі струмом довільної форми в кожній точці простору визначається геометричною сумою магнітних полів, які створюються окремими ділянками цього провідника.
Індукція магнітного поля в центрі колового струму І радіусом r визначається за формулою:
(8)
магнітна індукція поля всередині соленоїда зі струмом І, числом витків N і довжиною (довжина соленоїда 
, де d- діаметр соленоїда), визначається за формулою:
(9)
З формул (7), (8), (9) випливає, що величина магнітної індукції залежить від властивостей середовища, в якому створене магнітне поле. Ця залежність визначається величиною відносної магнітної проникності середовища - . Індукція В характеризує сумарне поле, створене у будь-якій точці середовища як струмами, що проходять у проводах електричного кола (макрострумами), так і молекулярними струмами (мікрострумами) цього середовища.
Якщо декілька точок, розташованих на однакових відстанях від прямолінійного провідника зі струмом, лежатимуть у неоднакових середовищах, то відмінність числових значень індукції зумовлюється тільки впливом навколишнього середовища. Щоб спростити розрахунки індукції в таких випадках, доцільно ввести нову фізичну величину Н, яка характеризує магнітне поле в цій точці залежно лише від макрострумів. Ця величина визначається з співвідношення:
, (10)
де Н – напруженість магнітного поля.
Напруженість магнітного поля вектор, напрям якого визначають за тими самими правилами, що і напрям вектора (в ізотропному середовищі напрям В і Н збігаються).
З порівняння формул (7), (8), (9) і (10) випливає:
(11)
(12)
а в центрі соленоїда
(13)
Одиницю напруженості можна одержати з попередніх формул:
Якщо магнітне поле утворене декількома струмами, то індукція (напруженість) поля в даній точці дорівнює векторній сумі індукцій (напруженостей 
) полів, утворених в цій точці кожним струмом окремо (принцип суперпозиції магнітних полів):
(14)
(
)
2. Сила Лоренца. Рух заряду в магнітному полі.
Голландський вчений Лоренц пояснив існування сили Ампера тим, що магнітне поле діє на рухомі заряди в провіднику зі струмом. Оскільки ці заряди вирватися з провідника не можуть, загальна сила, яка діє на них, буде прикладена до провідника.
Отже, сила Ампера є сумою сил, які діють на вільні заряди в провіднику зі струмом. Це припущення дає змогу знайти силу 
, яка діє на один рухомий заряд у магнітному полі. Цю силу називають силою Лоренца:
де 
- загальне число вільних зарядів у провіднику зі струмом. У металі такими зарядами є електрони, заряд кожного з них дорівнює 
.
Оскільки , а 
згідно електронної класичної теорії електропровідності металів, де 
- концентрація носіїв струму у провіднику, - площа перерізу провідника, 
- середня швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику під дією електричного поля.
Тоді 
, так як 
.
Враховуючи, що 
, одержимо формулу для визначення сили Лоренца:
(15)
де - кут між векторами і 
.
Напрям сили Лоренца знаходять за правилом “лівої руки”. Застосовуючи його, треба пам’ятати, що коли в магнітному полі рухається позитивний заряд, то чотири витягнути пальці повинні бути напрямленні в бік його руху, тобто співпадають з вектором швидкості , а коли рухається негативний заряд, то витягнуті чотири пальці мають бути напрямленні проти .
Сила Лоренца завжди перпендикулярна до площини, в якій лежать вектори і , тобто вона є доцентрованою силою.
Припустимо, що заряд 
, який має масу 
і швидкість , влітає в однорідне магнітне поле з індукцією так, що вектор швидкості перпендикулярний до вектора . Тоді 
, тобто:
У цьому випадку заряд рухається по колу (мал.4) з радіусом
(16)
Період обертання зарядженої частинки визначається за формулою:
(17)
Підставимо в цю формулу , знайдемо, що
(18)
З цієї формули витікає, що період обертання частинки в магнітному полі не залежить від швидкості, з якою вона попадає в магнітне поле, ні від радіуса кола, за яким вона обертається.
Якщо напрям швидкості відносно ліній індукції утворює кут , відмінний від 90°, то заряд рухатиметься по гвинтовій траєкторії навколо лінії індукції поля (мал.5), оскільки вектор можна розкласти на складові 
і 
. Одна з них напрямлена вздовж ліній індукції, а друга - перпендикулярно до них.
Остання визначає радіус витків, а - крок гвинтової лінії 
:
де 
- час, за який заряд проходить один виток.
Дію магнітного поля на рухомі електричні заряди використовують в техніці. Наприклад, відхилення електричного пучка у кінескопах телевізорів здійснюють за допомогою магнітного поля, яке утворюють спеціальними котушками.
У деяких електронних приладах магнітним полем здійснюють фокусіровку пучків заряджених частинок.
Рух заряджених частинок по колу в однорідному магнітному полі і незалежність періоду такого руху від швидкості частинки використовують в циклічних прискорювачах заряджених частинок – циклотронах.
Дію сили Лоренца використовують і в мас-спектрометрах та мас-спектрометричнихтечешукачах, в яких здійснюється розподіл траєкторії заряджених частинок по їх питомим зарядам, тобто по значенням 
. (див. формулу 16). За допомогою мас-спектрографів можна визначити масу іонів.
Питання для самоконтролю
1. Від чого залежить сила, яка діє на прямолінійний провідник зі струмом у зовнішньому магнітному полі?
2. Як визначити напрям сили Ампера (поясніть за допомогою малюнка)?
3. Дайте визначення індукції магнітного поля. Які одиниці вимірювання магнітної індукції?
4. Від чого залежить індукція магнітного поля, утвореного прямолінійним провідником зі струмом, у деякій точці простору? Наведіть малюнок?
5. Від чого залежить індукція магнітного поля у центрі колового контуру зі струмом? Як визначити напрям вектора індукції поля?
6. Від чого залежить індукція магнітного поля в середині соленоїда. Який напрям має вектор індукції вздовж вісі соленоїда? На кінцях соленоїда?
7. Навіщо була введена окрім індукції магнітного поля ще одна фізична величина – напруженість магнітного поля? Який зв’язок між ними?
8. Запишіть вивод формули Лоренца. Від чого залежить її напрям?
9. У трубці, заповненій газом, рухаються електрони та іони. Якою буде їх траєкторія, якщо трубку розташувати в однорідному магнітному полі, перпендикулярно до її індукції? Під кутом до ліній індукції?
10. Наведіть приклади використання дії магнітного поля на рухомі електричні заряди.
Лекція № 48
Тема: Магнітне поле.
Мета: Розглянути роботу магнітних полів при переміщенні провідників зі струмами та використання магнітної дії струму в електровимірювальних приладах та приладах для збудження звукових хвиль під дією електричного струму.
Оснащення: опорні конспекти; плакати.
План лекції
6. Робота магнітних сил по переміщенню в полі провідника зі струмом. Потік магнітної індукції.
7. Магнітний момент контуру зі струмом.
8. Принцип дії електровимірювальних приладів.
9. Будова і дія гучномовців.
Література
7. Гончаренко С. У. “Фізика: 10 кл.” К. “Освіта”, 1995, с.276…277, с.279…283.
8 Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов “Физика для средних специальных учебных заведений” Москва, “Наука”, 1984.с.227…229, с.236…238.
9 Фізика, Шкільний курс, с.449…452.
Зміст лекції
1. Робота магнітних сил по переміщенню в полі провідника зі струмом.
Потік магнітної індукції
На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила, тому під час руху провідника виконується певна механічна робота. Саме ця робота магнітних полів використовується в електродвигунах, електровимірювальних та інших багатьох приладах. Визначимо роботу при переміщенні провідника зі струмом магнітними силами.
Нехай провідник зі струмом завдовжки рухається в однорідному магнітному полі з індукцією паралельно самому собі на відстань 
і переходить з стану 1 в стан 2 (мал.6).
Напрям магнітної індукції вважатиме перпендикулярним до та .
У цьому випадку на провідник діє максимальна сила Ампера:
(19)
Тоді роботу, виконану цією силою можна визначити з формули:
(20)
(кут між напрямом дії сили та переміщенням провідника дорівнює 0)
Підставимо (19) у (20):
Добуток 
- площа, яку пронизують лінії індукції при переміщенні провідника зі струмом у магнітному полі, тобто площа контура, обмежена провідником.
Тоді:
(21)
Якщо індукція напрямлена до площі 
під кутом (кут між вектором та нормаллю
