Опыт + Ученые

Известно, что вокруг движущихся заряженных частиц создается особый вид материи - магнитное поле. Следовательно, вокруг провода с током, который и является потоком большого количества заряженных частиц, также образуется магнитное поле. Этот вопрос был изучен Эрстедом в 1819 году.

Если поднести магнитную стрелку компаса к проводнику без тока, то проводник и стрелка никак не взаимодействуют. Однако при пропускании электрического тока стрелка поворачивается таким образом, чтобы направления магнитных полей от стрелки и от проводника совпадали.

Для демонстрации данного явления нужны токи порядка нескольких ампер, поэтому в качестве проводника используется медная трубка с большим сечением, чтобы сопротивление было как можно меньше.

2. Визуализация магнитного поля

При обсуждении магнитных полей используют термин - магнитная линия. Это такая условная линия, вдоль которой будут выстраиваться бесконечно маленькие магнитики, если их высыпать в достаточном количестве вокруг магнита. Магнитная индукция в любой точке направлена по касательной к магнитным линиям.

В видео показано несколько визуализаций магнитных линий от разных постоянных магнитов. В качестве визуализатора используют просто железные опилки.

3. Сила Ампера

Если поместить проводник, по которому течет электрический ток, в магнитное поле, то он начнет отклоняться. Причиной этому является сила Ампера.

Направление силы Ампера определяется по легендарному правилу левой руки. Берем левую руку, направляем четыре пальца по направлению тока, вектор магнитной индукции должен входить в ладонь, тогда большой палец указывает направление силы. Можете попробовать с векторами из видео.

Применение силы Ампера крайне обширно. Например, любые электродвигатели работают по закону Ампера.

4. Демонстрация силы Ампера - два параллельных проводника.

На видео показана классическая демонстрация закона Ампера.

Если пустить по двум расположенным близко проводникам ток, то они будут притягиваться, если токи направлены в одну сторону, и отталкиваться, если в разные стороны.

Объяснить данное поведение несложно. При прохождении тока каждый из проводников создает вокруг себя магнитное поле, как мы уже видели в опыте Эрстеда. То есть, левый проводник создает магнитное поле, в которое попадает правый, и наоборот. Таким образом, каждый проводник с током оказывается в магнитном поле, в результате чего возникает сила Ампера, притягивающая или отталкивающая проводники.

5. Демонстрация силы Ампера - рамка с током в магнитном поле.

Еще одна демонстрация силы Ампера. Если поместить рамку, по которой протекает ток, в магнитное поле, то на ее стороны начнет действовать сила Ампера, которая будет либо вращать рамку, либо ее растягивать.

Если рамка будет только одна, то она просто займет определенное положение, при котором силы Ампера направляются на ее растяжение, и вращение прекратится.

6. Электродвигатель

В электродвигателях используют тот же принцип - пускают по рамке ток и помещают ее в магнитное поле. Однако вместо одной рамки используют сразу несколько рамок, повернутых друг относительно друга. Это позволяет сделать движение непрерывным и плавным.

7. Электродвигатель из батарейки и магнитов №1

Широко известный опыт, который легко повторить самостоятельно.

Берем магнит, батарейку и медную проволоку. Загибаем проволоку в форму рамки с острием на одной стороне и кольцом на другой. Острие помещаем на полюс батарейки, батарейку ставим на магнит. Важно сделать кольцо таким, чтобы оно касалось магнита при вращении.

Объяснение крайне простое - при касании проволоки через нее протекает электрический ток благодаря батарейке. Как мы выяснили ранее, на проводник с током в магнитном поле (которое создает магнит) действует сила Ампера, которая и заставляет рамку вращаться.

8. Электродвигатель из батарейки и магнитов №2

Еще один своеобразный двигатель на батареечно-магнитной тяге. Повторить уже чуть сложнее, но можно.

Медная проволока закручивается в спиральку. Чем плотнее, тем лучше. Затем к полюсам батарейки цепляем по несколько магнитов и толкаем батарейку в спираль. Батарейка с магнитами движется по ней, как поезд по тоннелю.

Принцип работы прост. Сквозь магниты проходит электрический ток, поэтому по участку медной проволоки, который располагается между двумя магнитами, течет электрический ток. Как мы помним, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Таким образом, в системе есть два магнитных поля - от участка медной проволоки и от магнитов. Поля взаимодействуют друг с другом, и появляется движущая сила.

9. Сила Лоренца

Наряду с силой Ампера существует и другая сила в магнитном поле - сила Лоренца. Она действует на движущиеся заряженные частицы и также подчиняется правилу левой руки.

Если летящая заряженная частица попадет в магнитное поле, то перпендикулярно скорости на нее начнет действовать сила Лоренца, из-за чего частица будет двигаться по дуге окружности. Сила Лоренца не меняет скорость частицы, а только направление движения.

Вот эти два серых кольца называются катушкой Гельмгольца - просто две параллельных катушки медной проволоки. По ним идет ток, создавая вокруг колец магнитное поле, которое будет направлено от центра одного кольца к центру другого.

Из источника вылетает поток электронов, вызывающий свечение газа внутри колбы.

Поток электронов попадает в магнитное поле и начинает отклоняться под действием силы Лоренца. Степень отклонения и направление отклонения регулируется величиной и направлением тока в катушках. Красота же, ну!

10. Электромагнитная индукция

Познакомимся с еще одним интересным эффектом - электромагнитной индукцией!

Если поместить замкнутый проводник (подойдет даже кусочек провода, замкнутый сам на себя) в переменное магнитное поле, то по нему потечет электрический ток. Не нужно дополнительных проводов, батареек, гидроэлектростанций... Только замкнутый проводник и переменное магнитное поле.

Подчеркну, что ток будет течь только в процессе изменения магнитного поля. Как только магнитное поле установится неизменным, ток течь перестанет.

Есть три способа создать переменное магнитное поле. Все три продемонстрированы в видео.

1. Изменять магнитную индукцию. Если поле создается магнитом, то можно магнит перемещать. Если поле создается другим проводником с током, то достаточно постоянно менять силу тока.

Обратите внимание, что когда Павел Андреевич перемещает магнит - ток течет. Как только руки останавливаются - ток пропадает.

2. Изменять площадь проводника.

3. Поворачивать проводник.

11. Падение магнита в медной трубе. Токи Фуко.

Если взять магнит и отпустить его, то он испытает нечто вроде обычного падения. А вот если взять магнит и отпустить его в медную трубу, то он почему-то тоже падает, но гораздо медленнее. Это значит, что при падении появляется новая сила, которой без медной трубы не было.

Как мы недавно выяснили, если поместить замкнутый проводник в переменное магнитное поле, то по нему начинает течь ток. Так работает электромагнитная индукция.

Падающий магнит и создает переменное магнитное поле, которое возбуждает в медной трубке токи. Токи в объемных контурах называются токами Фуко. Эти самые токи Фуко создают вокруг себя новое магнитное поле. Получается целая цепочка превращений: падающий магнит создает переменное магнитное поле -> переменное магнитное поле создает токи Фуко -> токи Фуко создают новое магнитное поле. Соль ситуации в том, что это новое магнитное поле начинает 'противодействовать' магнитному полю магнита, результатом чего и является появление тормозящей силы.

12. Магнитный тормоз

Одно из распространенных применений электромагнитной индукции и токов Фуко - магнитный тормоз. Если проносить магнит над металлическими пластинами, то в пластинах будут возбуждаться токи Фуко, которые порождают вокруг пластин новое магнитное поле, тормозящее магнит.

Данное явление активно применяется в электромагнитных тормозах для поездов. Особенно оно актуально для сверхбыстрых поездов, для которых обычные тормоза являются уже крайне плохим решением.

13. Левитационная плавка

Еще одно из применений электромагнитной индукции - плавка и закалка металлов. На видео показана не хухры-мухры, а целая левитационная плавка!

Принцип работы прост - по катушке из толстенного медного проводника течет переменный ток, который создает переменное магнитное поле. Это поле возбуждает в железяке токи Фуко, которые и нагревают железо, и создают вокруг дополнительное магнитное поле, за счет которого деталь и держится.

Данный способ плавки активно используется в промышленности при работе с химически активными металлами и другими зверями.

14. Индукционная закалка

Помимо левитационной плавки с помощью электромагнитной индукции можно делать и обычную плавку, или, например, закалку.

На видео показан процесс закалки некоей шестерни с помощью электромагнитной индукции. По толстому медному проводнику течет переменный ток, приводящий к возникновению в металле шестерни токов Фуко, которые его и разогревают.

15. Электромагнитная индукция: кипячение воды в кювете.

Просто милый опыт, мне очень понравился.

На катушку, через которую течет ток и создает переменное магнитное поле, надета кювета - металлическая емкость, заполненная водой. По прошествии времени индукционные токи разогревают кювету, вода внутри тоже разогревается, начинает кипеть и вышибает пробку.

Реакция Валериана Ивановича бесценна :)

Если кювету не держать, то будет примерно так...

16. Гроб Магомета

Как мы уже видели ранее, магнит в медной трубе попадает под действие токов Фуко, вызываемых этим же магнитом, что приводит к чрезвычайно медленному падению.

Посмотрим на схожий опыт с электромагнитом. Серая пластина сделала из алюминия. Внутрь помещена катушка, вокруг которой при прохождении тока возникает магнитное поле. Данное магнитное поле генерирует в алюминии токи Фуко и заставляет катушку 'парить' над поверхностью.

Данный опыт при рассмотрении эффектов сверхпроводимости называют "Гроб Магомета", потому что гроб с телом пророка парил посреди Мекки. У физиков свои ассоциации, это точно!

17. Сверхпроводимость: эффект Мейсснера

Немножко посмотрим сверхпроводимость.

Существуют материалы, которые при охлаждении до низких температур (порядка температуры кипения жидкого азота) начинают обладать строго нулевым электрическим сопротивлением. Данное явление и называется сверхпроводимостью.

Если подвесить над сверхпроводником магнит, то внешнее магнитное поле будет создавать на поверхности сверхпроводника токи. Данные токи будут препятствовать проникновению магнитного поля вглубь материала. В таких случаях говорят, что сверхпроводник 'выталкивает' из себя магнитное поле, что и приводит к зависанию магнита. Явление называют эффектом Мейсснера, и именно оно показано на видео.

Еще несколько демонстраций, связанных с эффектом Мейсснера.

В видео:

1. Магнит поднимают, и проводник тянется за ним.

2. Раскручивают круглый магнит, висящий над сверхпроводником

3. Используют систему магнитов, которой можно придать любой наклон по отношению к сверхпроводнику.

18. Сверхпроводник на магнитных рельсах

Классический опыт, в котором сверхпроводник заставляют бегать по магнитным рельсам.

Обратите внимание на то, как автор опыта задает сверхпроводнику любое положение и ориентацию относительно магнитов.

Согласно распространённому мнению, направление закручивания воды в раковине зависит от того, в каком полушарии она находится. Эффект связывают с вращением Земли и действием силы Кориолиса. Мы проверили, так ли это.

Спойлер для ЛЛ: закручивание воды в зависимости от полушария работает только в особых условиях

Если эффект действительно имеет место, то можно определить, пересекла ли раковина экватор, непрерывно наблюдая за водой в воронке. В советской литературе эта идея получила популярность после того, как академик Дмитрий Граве в журнале «Хочу всё знать» (№ 4, 1931) написал:

«Если выпускать из резервуара воду при помощи отверстия на дне его, то образуется воронкообразный вихрь, который в Северном полушарии вращается в сторону, обратную движению часовой стрелки; в Южном же полушарии вращение идет в другую сторону. Каждый читатель сам может проверить справедливость сказанного, выпуская воду из ванны. Чтобы лучше заметить направление вращения вихревой воронки, можно бросить на нее маленькие обрывки бумаги. Получается эффектный опыт, доказывающий вращение Земли, произведенный самыми простыми средствами в домашней обстановке».

Публикацией заинтересовался известный популяризатор науки Яков Перельман, который в 1932 году организовал эксперимент при содействии своих читателей. Каждый должен был проследить десяток раз, в каком направлении вращается воронка при вытекании воды из ванны, умывальника и подобных резервуаров, и прислать Перельману сообщение, сколько раз наблюдалось вращение против часовой стрелки. Как заключил Перельман, «преобладания вращения в сторону против часовой стрелки замечено не было».

Западному обывателю этот эффект известен во многом благодаря многосерийному документальному фильму «От полюса до полюса с Майклом Пейлином» (1992). В нём некий житель кенийского города Наньюки пытался продемонстрировать фокус по разные стороны экватора. Как ни странно, направление циркуляции оказалось противоположным выкладкам академика Граве, но неподкованных зрителей это не смутило: напротив, миллионы людей поверили в замечательное свойство.

Возникает вопрос: если налицо такая нестабильность экспериментальных результатов, то верна ли сама теория? Во-первых, познакомимся ближе с понятием силы Кориолиса. Это инерционная сила, которая действует на материальную точку при движении относительно вращающейся системы отсчёта (в данном случае планеты Земля). Она заставляет движущиеся вдоль поверхности Земли объекты отклоняться вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. В случае стекания по наклонной вогнутой поверхности это и даст движение против и по часовой стрелке соответственно.

Но есть очень важный фактор — степень влияния этой силы. А она зависит, с одной стороны, от формы воронки и смежных поверхностей, с другой — от параметров потока и широты (так называемое число Россби). Иными словами, чем меньше масштабы потока и чем ближе к экватору мы находимся, тем микроскопичнее влияние силы Кориолиса на фоне других сил. Поэтому не стоит надеяться на стабильную работу эффекта на экваторе. Как и вообще на успех в условиях обычной ванной.

Зато в лабораторных экспериментах с соблюдением максимального числа условий (симметричность формы сосуда, отстой жидкости перед сливом, почти полное отсутствие движения воздуха, удалённость от экватора) нередко всё работало корректно: в обоих полушариях вода получала нужное вращение. Вот пример классического эксперимента, проведённого в США ещё в 1960-е годы:

Как видим, закручивание воды в зависимости от полушария работает только в особых условиях. Этот эффект практически полностью оторван от жизни. Поэтому, несмотря на корректную теоретическую базу, в произвольном случае подобные эксперименты практически всегда будут обречены на неудачу.

Наш вердикт: большей частью неправда

Другие проверки

Ещё нас можно читать в Телеграме, в Фейсбуке и во Вконтакте

В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла)

Аудиоверсии проверок в виде подкастов c «Коммерсантъ FM» доступны в «Яндекс.Подкасты», Apple Podcasts, «ЛитРес», Soundstream и Google.Подкаст