Повторение темы "Электромагнитные явления" (Гребенюк Ю.В.)
1. Введение
При изучении данной темы мы узнали о существовании различных электрических и магнитных явлений, объяснили причины их возникновения, а также рассмотрели связь между электричеством и магнетизмом. На этом уроке мы обобщим полученные знания.
2. Электромагнитная картина мира
Рассмотрим основные сведения об электромагнитной картине мира, пришедшей на смену механической, основоположником которой был Ньютон. В XIX веке продолжались попытки описывать различные электромагнитные явления с помощью механической картины мира, однако это не удавалось, поскольку электромагнитные явления сильно отличаются от механических процессов.
Наибольший вклад в развитие теории электромагнитных явлений внесли учёные Фарадей и Максвелл. Лишь после создания Максвеллом теории электромагнитного поля можно говорить о создании электромагнитной картины мира. Теорию электромагнитного поля Максвелл разработал на основе явления электромагнитной индукции открытого Фарадеем, который, проводя эксперименты (см. рис. 1) с магнитной стрелкой, пришёл к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами в проводнике, а особым состоянием окружающей стрелку среды. В связи с этим учёный ввёл понятие поля как множество магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять электрический ток.
Рис. 1. Эксперимент Фарадея
Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле вызывает появление не только в окружающих телах, но и вакууме вихревого электрического поля, которое вызывает появление магнитного поля. Эта теория является новым этапом в развитии физики. Согласно этой теории весь мир является единой электродинамической системой, состоящей из заряженных частиц, которые взаимодействуют с помощью электромагнитного поля.
Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Объединение электрической и магнитной силы получило название электромагнитной силы. Таким образом, электрические силы соотносятся с покоящимися и движущимися зарядами, а магнитные – с движущимися. Всё это многообразие сил и зарядов описывается уравнениями Максвелла, то есть уравнениями классической электродинамики. Из этих уравнений вытекает закон Кулона, который аналогичен закону всемирного тяготения Ньютона: 
– закон Кулона, 
– закон тяготения Ньютона, а также следующие утверждения:
- магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца;
- магнитных зарядов не существует;
- электрическое поле создаётся электрическими зарядами и переменным магнитным полем;
- магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.
Электромагнитная картина мира кардинально изменила представления о материи. Совокупность неделимых атомов перестала быть конечным пределом делимости материи. Согласно этой картине мира существует два вида материи: вещество и поле – они строго разделены и не могут превращаться друг в друга.
Электромагнитная картина мира объяснила широкий круг явлений, которые не могла объяснить механическая, однако дальнейшее развитие науки показало, что и эта картина несовершенна. Таким образом, появилась новая квантово-полевая картина мира.
3. Основные сведения по теме «Электромагнитные явления»
1) Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитное взаимодействие.
2) Существует два рода электрических зарядов:
- положительные (носители – протоны)
- отрицательные (носители – электроны)
3) Атом (см. рис. 2) состоит из ядра, которое состоит из протонов и нейтронов, а также электронов. Если атом отдаёт или получает несколько электронов, то превращается в ион.
Рис. 2. Атом
4) Процесс приобретения заряда макроскопическим телом называется электризацией. Существует два способа электризации:
- через трение;
- через влияние.
5) Электрическое поле – это особая форма материи, которая существует вокруг заряженных тел и частиц и действует с некоторой силой на другие частицы и тела, имеющий заряд.
6) Основные законы электростатики:
- закон Кулона для неподвижных точечных зарядов: 
- закон сохранения заряда для замкнутой системы: 
7) Электрический ток – это направленное движения частиц, имеющих электрический заряд.
Условия существования электрического тока:
- наличие свободных частиц, имеющих заряд;
- наличие электрического поля.
8) Действие электрического тока:
- тепловое;
- магнитное;
- химическое;
- световое.
9) Электрическое поле создаётся источниками тока (см. рис. 3), в которых происходит работа по разделению зарядов за счёт преобразования различных видов энергии в энергию электрического поля.
Рис. 3. Источники тока
10) Характеристики участка цепи:
- сила тока – 
, измеряется с помощью амперметра;
- напряжение – 
, измеряется вольтметром;
- сопротивление – 
, измеряется омметром.
11) Закон Ома для участка цепи: 
.
12) Два вида соединения проводников:
- последовательное (см. рис. 4)
Рис. 4. Последовательное соединения проводников
- параллельное (см. рис. 5)
Рис. 5. Параллельное соединение проводников
13) Работа тока: 
.
14) Мощность тока: 
.
15) Количество теплоты, которая выделяется при прохождении тока через проводник: 
.
16) Электрический ток в различных средах:
- в металлах происходит направленное движение свободных электронов;
- в жидкостях – направленное движение свободных ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза: 
- в газах – направленное движение свободных ионов и электронов, образующихся в
результате ионизации;
- в полупроводниках – направленное движение свободных электронов и дырок;
17) Магниты:
- электромагниты;
- постоянные:
природные;
искусственные.
18) Вокруг любой заряженной частицы, а следовательно, вокруг проводника с током существует магнитное поле.
19) Магнитное поле – особая форма материи, которая существует вокруг движущихся заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие заряженные частицы или тела, движущиеся в этом поле.
20) Линии магнитного поля – условные линии, вдоль которых в магнитном поле устанавливаются оси маленьких магнитных стрелок:
- направление линий магнитного поля совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки (см. рис. 6);
Рис. 6. Направление линии магнитного поля
- направление линий магнитного поля проводника с током можно определить с помощью правила правой руки или правила буравчика (см. рис. 7);
- линии магнитного выходят из северного полюса и входят в южный полюс;
- линии магнитного поля всегда замкнуты.
21) На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Её направление определяется по правилу левой руки (см. рис. 8).
Рис. 7. Правило правой руки и правило буравчика
Рис. 8. Правило левой руки
22) Явление электромагнитной индукции – явление порождения в пространстве электрического поля переменным магнитным полем.
4. Итоги
На этом уроке мы вспомнили различные факты, касающиеся электромагнитных явлений, изученных ранее, а также обсудили общую электромагнитную картину мира.
Интересные факты
Впервые вне лаборатории электрическая дуга была применена в 1845 году в Парижской национальной опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца.
В Таиланде при строительстве линий электропередач возникли проблемы. Первая касалась того, что обезьяны, подражая электромонтёрам, по опорам забираются на провода и, запутывая их, создают короткое замыкание. Слоны представляли собой вторую проблему, так как они вырывали опоры из земли.
Магнитное поле Земли периодически меняет свою полярность, совершая как вековые колебания, длительностью 5–10 тыс. лет, так и полностью переориентируясь (меняются местами магнитные полюса) 2–3 раза в течение миллиона лет. Об этом свидетельствуют «вмороженное» магнитное поле в осадочные и вулканические породы далёких эпох. Однако геомагнитное поле Земли не совершает хаотических изменений, а подчиняется определённому расписанию.
5. Неожиданные способы применения электромагнитных явлений
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали электрических скатов. Находясь в такой ванне, император подвергался действию электрических разрядов и полей.
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена электрическая няня. Изобретатель предложил подкладывать под детские пелёнки две изолированные металлические сетки, разделённые сухой прокладкой. Эти сетки были соединены с низковольтным источником тока, а также с электрическим звонком. Когда прокладка намокала, цепь замыкалась, и звонок сообщал матери о необходимости сменить пелёнку.
В тех регионах России, где бывают сильные морозы зимой, возникает проблема слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн, так как вязкость нефтепродуктов при низкой температуре слишком высокая. Учёные дальневосточных институтов разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн (см. рис. 9), позволяющую значительно сократить энергозатраты, так как для разогревания цистерн паром необходимо около 15 тонн топлива.
Рис. 9. Электроиндукционный нагрев цистерн
Для аварийных ситуаций, когда замерзают системы отопления и водоснабжения, разработан ручной электроиндукционный инструмент, обеспечивающий быстрый разогрев трубопроводов и высокую безопасность работ.
Даже на стреляных гильзах и патронах сохраняются отпечатки пальцев, уложившего их в оружие человека. Эти отпечатки могут быть выявлены по методике, разработанной специалистами Саратовского юридического института. Поместив гильзу или патрон в электрическое поле в качестве электрода, напыляют на него в вакууме тонкую металлическую плёнку, и на ней становятся видны отпечатки, которые возможно идентифицировать.
Решение задач на свойство силовых линий магнитного поля
Задача 1
На каком из рисунков правильно изображены полюсы магнитов (см. рис. 10)?
Рис. 10. Иллюстрация к задаче
Решение
Магнитными линиями для постоянного магнита называются линии, которые начинаются на северном магнитном полюсе и заканчиваются на южном, вне самого магнита. Внутри магнита эти линии замыкаются, но уже направлены от южного полюса к северному магнитному полюсу.
На первом рисунке полюсы изображены неправильно, так как магнитные линии направлены от южного полюса к северному.
На втором рисунке полюсы изображены неправильно, так как магнитные линии направлены от южного полюса к северному.
На третьем рисунке полюсы изображены верно, так как магнитные линии направлены от северного полюса к южному.
На четвёртом рисунке, по всей вероятности, имелись в виду два каких-то одинаковых полюса.
Ответ: на третьем рисунке полюсы изображены верно.
Попробуйте самостоятельно ответить на такой вопрос: в какой из этих точек действие магнита самое сильное, а в каких – самое маленькое (см. рис. 11)?
Рис. 11. Иллюстрация к задаче
Решить эту задачу можно, вспомнив, как распределяются магнитные линии в пространстве возле постоянного магнита.
Вопросы к конспектам