Страница 179 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Во времена Ампера строение атома не было известно, и природа микроскопических токов оставалась непонятной. Используя знания о планетарной модели атома, выдвиньте гипотезу о том, что могут представлять собой токи Ампера.

Решение

Гипотеза Андре-Мари Ампера, выдвинутая в начале XIX века, заключалась в том, что магнитные свойства веществ, в частности постоянных магнитов, объясняются существованием внутри их молекул микроскопических незатухающих круговых токов. В то время строение вещества и атома не было известно, поэтому природа этих токов оставалась загадкой.

Планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году, дала ключ к разгадке этой тайны. Согласно этой модели, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Это движение электронов можно сопоставить с гипотетическими токами Ампера.

По определению, электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Движение электрона (заряженной частицы с зарядом $q = -e$) по замкнутой орбите вокруг ядра полностью подпадает под это определение. Таким образом, каждый электрон в атоме, вращаясь по своей орбите, создает микроскопический круговой ток.

Исходя из этого, можно выдвинуть следующую гипотезу:

Токи Ампера — это и есть орбитальное движение электронов вокруг ядер в атомах вещества.

Каждый такой элементарный ток создает свое собственное магнитное поле, и атом в целом ведет себя как микроскопический магнит (магнитный диполь). В обычном веществе ориентация этих атомных магнитных диполей хаотична, поэтому их магнитные поля взаимно компенсируют друг друга, и тело не проявляет макроскопических магнитных свойств. В постоянных магнитах (ферромагнетиках) эти элементарные токи (а точнее, создаваемые ими магнитные моменты) выстраиваются преимущественно в одном направлении. Их поля складываются, что и приводит к возникновению сильного внешнего магнитного поля.

Хотя позднее было установлено, что планетарная модель не является полной и была заменена квантово-механической, а также был открыт собственный магнитный момент электрона (спин), который вносит основной вклад в магнетизм многих веществ, сама фундаментальная идея о том, что магнетизм — это следствие движения электрических зарядов внутри атомов, оказалась абсолютно верной.

Ответ:

Используя планетарную модель атома, можно выдвинуть гипотезу, что токи Ампера представляют собой движение электронов по замкнутым орбитам вокруг атомных ядер. Каждый такой движущийся по орбите электрон эквивалентен микроскопическому круговому току, который создает собственное магнитное поле. Совокупность этих полей от всех атомов и определяет магнитные свойства вещества.

УПРАЖНЕНИЕ 42

1. Почему в опыте Эрстеда проводник располагался параллельно оси магнитной стрелки, а не перпендикулярно?

1. Почему в опыте Эрстеда проводник располагался параллельно оси магнитной стрелки, а не перпендикулярно?

Цель опыта Эрстеда состояла в том, чтобы продемонстрировать, что электрический ток создает магнитное поле. Действие этого поля обнаруживается по его влиянию на магнитную стрелку, которая является индикатором магнитного поля. Магнитная стрелка поворачивается и устанавливается вдоль линий магнитной индукции.

Магнитное поле прямого проводника с током представляет собой систему концентрических окружностей, плоскость которых перпендикулярна проводнику. Направление вектора магнитной индукции в любой точке определяется по правилу правой руки (правилу буравчика).

Чтобы получить максимальный и наиболее заметный эффект (поворот стрелки), необходимо, чтобы создаваемое током магнитное поле было направлено перпендикулярно первоначальному положению магнитной стрелки. Изначально стрелка ориентирована вдоль магнитного поля Земли (приблизительно север-юг).

• Если расположить проводник параллельно магнитной стрелке (например, над ней), то силовые линии создаваемого им магнитного поля в месте расположения стрелки будут направлены перпендикулярно ей (на восток или на запад). Такое поле создаст максимальный вращающий момент, и стрелка заметно отклонится.
• Если же расположить проводник перпендикулярно магнитной стрелке, то созданное им магнитное поле в месте расположения стрелки будет направлено параллельно ей (вдоль направления север-юг). Такое поле не создаст вращающего момента в горизонтальной плоскости, а лишь немного усилит или ослабит поле, действующее на стрелку. В результате заметного поворота стрелки не произойдет, и обнаружить явление будет крайне затруднительно.

Следовательно, для наиболее наглядной демонстрации силового действия магнитного поля тока на магнитную стрелку проводник необходимо располагать параллельно ей.

Ответ: Проводник в опыте Эрстеда располагался параллельно магнитной стрелке для того, чтобы создаваемое током магнитное поле было направлено перпендикулярно оси стрелки. Это создает максимальный вращающий момент и вызывает наиболее заметное ее отклонение, что наглядно демонстрирует существование магнитного поля вокруг проводника с током. При перпендикулярном расположении проводника вращающий момент в горизонтальной плоскости не возникает, и эффект был бы незаметен.

2*. Магнитная стрелка, помещённая около провода, отклонилась при пропускании по нему тока. За счёт какой энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?

Решение

Когда по проводу пропускают электрический ток, вокруг него возникает магнитное поле. Это явление было открыто Гансом Христианом Эрстедом. Энергия, необходимая для создания и поддержания этого магнитного поля, поступает от источника электрического тока (например, батареи, аккумулятора или генератора).

Магнитная стрелка является, по сути, маленьким постоянным магнитом (магнитным диполем). Когда она помещается во внешнее магнитное поле, созданное током в проводе, на нее начинает действовать вращающий момент. Этот момент стремится развернуть стрелку так, чтобы ее собственный магнитный момент $\vec{p}_m$ сориентировался по направлению вектора магнитной индукции $\vec{B}$ внешнего поля. Потенциальная энергия стрелки в магнитном поле описывается выражением $U = -\vec{p}_m \cdot \vec{B}$.

Под действием этого вращающего момента стрелка поворачивается, то есть магнитное поле совершает над ней механическую работу. Эта работа совершается за счет уменьшения потенциальной энергии системы «провод с током — магнитная стрелка».

Таким образом, можно проследить следующую цепочку преобразования энергии: энергия источника тока преобразуется в энергию создаваемого им магнитного поля, а часть энергии этого поля, в свою очередь, преобразуется в механическую работу по повороту стрелки.

Ответ: Работа, необходимая для поворота стрелки, совершается за счет энергии магнитного поля, которое создается электрическим током в проводе. Первоисточником этой энергии является источник тока.