Электромагнитные явления

Театрализованный повторительно-обобщающий урок-зачет.
11-й класс. Базовый курс

Урок проводится в форме диалога отца-бизнесмена с дочерью, которая хочет сдать зачет по физике. Учащиеся заранее готовят сообщения об электрических, магнитных и электромагнитных явлениях, сами организуют опрос и подводят итоги тестирования. Задействована вся группа. Учитель лишь следит за ответами и в конце урока обоснованно выставляет каждому учащемуся оценку: за правильно выполненные тестовые задания – «удовл.», за каждый правильный ответ с места – по 1–2 балла.

Учитель. Сегодня у нас заключительный урок по теме «Электромагнитные явления». Давайте проведем его в форме игры. У меня есть знакомый бизнесмен. У него дочь – ваша ровесница. У дочери проблемы с учебой. Давайте попробуем помочь решить эти проблемы. Итак, мы в гостях у бизнесмена Трепина и его дочери.

Бизнесмен. Дочка, ты что такая грустная и серьезная? Что это у тебя?

Дочь. «Физика». Нам задали обобщить знания по теме «Электромагнитные явления» и решить несколько задач. Только я плохо понимаю тему, задачи решить не могу.

Бизнесмен. Да ты бы лучше на дискотеку сходила.

Дочь. Мне, папа, это уже не интересно. Хочется общения с интеллектуальными ребятами.

Бизнесмен. Как же ты их узна1ешь?

Дочь. По результатам выполнения тестовых заданий. (Обращается к классу.) У вас на столах – тестовые задания. Подпишите свои фамилию, группу и отметьте правильные ответы из предложенных вариантов, на работу дается 5 минут. Кто сделает, сдает работу в жюри. Первые пятеро, верно выполнившие задания, наденут шапки «умников» и займут вот эти места (показывает).

Вариант 1

1. Какая формула выражает закон электромагнитной индукции?

2. При вдвигании в катушку постоянного магнита в ней возникает электрический ток. Как называется это явление?

А) электрическая индукция;
Б) магнитная индукция;
В) самоиндукция;
Г) электромагнитная индукция.

3. Единицей измерения какой физической величины является 1 вебер?

А) индукции магнитного поля;
Б) магнитного потока;
В) индуктивности;
Г) самоиндукции.

4) Какая сила действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле?

5) Кто открыл явление электромагнитной индукции?

А) Эрстед;
Б) Кулон;
В) Фарадей;
Г) Ампер.

Вариант 2

1) Изменяясь во времени, магнитное поле порождает:

А) вихревое электрическое поле;
Б) электростатическое поле;
В) постоянное магнитное поле;
Г) гравитационное поле.

2) Каким выражением определяется связь ЭДС самоиндукции с силой тока в катушке?

3) Как называется единица измерения индуктивности?

А) Тесла;
Б)  вебер;
В)  генри;
Г)  фарад.

4) Значение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле:

А) F = IBsin a;
Б) F = IB e sin a;
В) F = qvBsin a;
Г) F = IВl sin a.

5) Сила тока 1А создает в контуре магнитный поток 1 Вб. Какова индуктивность контура?

А) 1 гаусс;
Б) 1 генри;
В) 1 вебер;
Г) 1 тесла.

Преподаватель собирает тесты, сдает в жюри на проверку.

Коды правильных ответов

 Бизнесмен. А где в жизни применяются электромагнитные явления? («Умники» поочередно называют применения.)

Дочь. Да, вот, пап, смотри!

Включает с помощью пульта видеомагнитофон. Начинается просмотр картины «Физическая картина мира», в процессе которого бизнесмен, останавливая пленку, задает классу вопросы: Что называется полем? Какова его природа? Какие виды полей существуют? Учащиеся отвечают с места. Поднимает руку один из «умников».

Бизнесмен. Что вы хотите сказать?

1-й умник. У нас есть интересные сообщения. Давайте прослушаем их.

• Луиджи Гальвани возглавил кафедру анатомии в Болонье в 1759 г., когда ему было всего 22 года, и долгие годы исследовал строение скелета птиц. Лишь через 12 лет он начал интересоваться электрическими явлениями и только в 1790 г., когда ему исполнилось 53 года, сделал удивительное наблюдение, благодаря которому его имя сохранилось в истории науки.
  Рассказывают, что открытие Гальвани - целая цепь случайностей: его заболевшей жене прописали целительный бульон из лягушачьих лапок, и ученый сам готовил этот бульон. Вот как описывает он свое открытие в статье «Об электрических силах при мускульных движениях», опубликованной в 1791 г.: «Когда один из моих помощников случайно чуть-чуть коснулся концом скальпеля внутреннего бедренного нерва лягушки, мышцы ее конечностей вдруг сократились, как будто от сильной судороги». Гальвани соединил скальпель с «электрической машиной»: сокращения мышц многократно увеличиваются. Впечатление такое, что лягушка ожила!
• В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Основными частями генератора являются статор и ротор. Под действием струи пара, газа или воды ротор быстро вращается, и в проводниках статора благодаря электромагнитной индукции возникает электрический ток. В электродвигателях происходит другое превращение: переменный электрический ток, протекая через проводники статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте транспортера, эскалатору метро, зубчатым или ременным передачам станка или другого механического устройства.
• Трансформаторы – электрические устройства, состоящие из сердечника и двух катушек с разным числом витков – обмоток. Если через обмотку катушки с бо1льшим числом витков пропустить переменный электрический ток, то в обмотке катушки с малым числом витков наведется ток большей силы, но напряжение на ее концах будет меньше, чем на концах первичной обмотки. Ведь в электрической сети жилой квартиры лучше иметь напряжение пониженное, безопасное для жизни... и спиралей электрических лампочек. А свет лампочки, как справедливо заметил Владимир Маяковский, для нас столь же важен, как «хороший стих и букварь».
• Прекрасно работают разнообразные электрические устройства, и нам сейчас было бы трудно представить себе жизнь без электрического тока. У физиков родилась мысль заменить ротор струей раскаленных газов, плазменной струей, состоящей из свободных электронов и ионов. Если пропустить такую струю между полюсами сильного магнита, то, по закону электромагнитной индукции, в ней обязательно возникнет электрический ток, – ведь струя-то заряжена и движется. Новый тип электрической машины получил название магнитогидродинамического генератора (МГД-генератора).
• С помощью микроскопических однородно намагниченных областей (доменов) в ферромагнитных материалах можно «запоминать» форму и характер электрических сигналов. В виде таких сигналов можно записывать голоса, музыку, пение. Всем известна магнитофонная лента, представляющая собой тонкую ферромагнитную пленку на полимерной основе. Она способна долго сохранять записанную информацию. Сейчас информацию записывают в цифровом виде, в виде набора двоичных цифр, причем запоминают не только звук, но и свет, цвет, видимое изображение.
• Магнитное поле Земли время от времени изменяет свою ориентацию, совершая и вековые колебания (длительностью 5–10 тыс. лет), и полностью переориентируясь, т.е. меняя местами магнитные полюсы (2–3 раза за миллион лет). На это указывают «вмороженное» в осадочные и вулканические породы магнитное поле отдаленных эпох. Поведение геомагнитного поля нельзя назвать хаотичным, оно подчиняется своеобразному «расписанию».
• Направление и величина геомагнитного поля задаются процессами, происходящими в ядре Земли. Характерное время переполюсовки, определяемое внутренним твердым ядром, составляет от 3 до 5 тыс. лет, а определяемое внешним жидким ядром – около 500 лет. Этими временами и может обьясняться наблюдаемая динамика геомагнитного поля. Компьютерное моделирование с учетом различных внутриземных процессов (конвекции, возникающей в результате разделения тяжелого и легкого вещества ядра в гравитационном поле, приливов, вызываемых переменным растяжением вращающейся Земли под воздействием притяжения небесных тел (Луны и Солнца), отклонения масс в жидком ядре в направлении, перпендикулярном оси вращения Земли, под действием силы Кориолиса) показало возможность переполюсовки магнитного поля примерно за 5 тыс. лет.

Бизнесмен. Спасибо! Это интересно. А что мы называем магнитным полем? (Ответ с места.) Как изображают силовые линии? (Ответ с места.) Каковы основные свойства силовых линий? (Ответ с места.) Какая физическая величина характеризует магнитное поле? (Ответ с места.)

2-й умник. Предлагаю послушать сообщения об истории открытия электромагнитных явлений.

• Среди последователей славного болонского анатома нашелся один внимательный физик Алессандро Вольта, заметивший одну незначительную деталь опытов с «животным электричеством», на которую не обратил внимания сам Гальвани: когда к лягушке присоединяли провода из разнородных металлов, мышечные сокращения становились сильнее. Вольта решил, что два металла, разделенные телом, в котором много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка, без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают свою собственную электрическую силу. Смелое и неожиданное предположение! Решающий эксперимент Вольта провел... на самом себе. «Я накладываю на глазное яблоко конец оловянного листочка, беру в рот серебряную монету или ложку и затем привожу обе эти обкладки в соприкосновение при помощи двух металлических острий, – описывал ученый свой оригинальный физический опыт. – Это оказывается достаточным, чтобы тотчас же или каждый раз, как производится соприкосновение, получить явление света или преходящей молнии в глазу».
  20 марта 1800 г. в письме к сэру Джозефу Бэнксу, президенту Лондонского Королевского общества, Вольта подробно рассказывает об изобретенном им новом источнике электричества: «... я взял несколько дюжин круглых медных пластинок, а еще лучше серебряных, диаметром примерно в один дюйм и такое же количество оловянных или лучше цинковых пластинок. Затем из пористого материала, который может впитывать и удерживать много влаги (картон, кожа), я вырезал достаточное количество кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же порядке и что каждая пара пластинок отделялась от следующей влажным кружком из картона или кожи...» Электрохимические батареи, которые сначала назывались «вольтовыми столбами», начали свое победное шествие по земному шару. Из лабораторий ученых они проникли повсюду, в самые отдаленные уголки Земли, – ведь удобные переносные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры работают там, где нет знакомой электрической розетки, благодаря маленьким и емким электрохимическим батарейкам, а автомобили трогаются в путь, получив сильный импульс электрического тока от большой стартерной электрохимической батареи. Набрав достаточное количество монет из разных сплавов и картонных кружков, каждый школьник может составить источник тока по рецепту Вольты.
  В декабре 1801 г. Алессандро Вольта после доклада во Французской академии наук получает из рук Наполеона Большую золотую медаль, присуждаемую за выдающиеся достижения в науке. Вольте в это время 56 лет, он опровергает своей судьбой устоявшееся мнение, что открытия в физике совершаются только до 30. Наполеон всегда помнил о Вольте, питая к нему, видимо, не только глубокое уважение, но и сердечную привязанность. Когда первооткрыватель нового источника электрической энергии хотел оставить университетскую кафедру, то Наполеон сказал: «... добрый генерал должен умереть на поле чести», – и просил передать Вольте, что если чтение лекций отвлекает его от исследовательской работы, то «...если хочет, пусть читает одну лекцию в год». Вольта остался в университете.
  В 1821 г. немецким физиком Т.Зеебеком был изобретен еще один источник тока – термоэлектрический. Оказалось, что, нагревая теплом руки, пламени свечи или керосиновой лампы спай двух проволочек из разных металлов, можно получить заметное электрическое напряжение.
  Сам Вольта скромно именовал свое изобретение «искуственным электрическим органом» и предложил в честь Гальвани называть электрохимические батарейки «гальваническими элементами». Вольта подал своим многочисленным потомкам в науке пример, достойный подражания. И не потому ли так часто до сих пор используется термин гальванические элементы, который давно уже пишется без кавычек...
• Первый важный закон электричества был установлен французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. – задолго до изобретения гальванических элементов. Формулировкой закон Кулона удивительно напоминает закон всемирного тяготения: сила взаимодействия двух точечных неподвижных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Как же сумел Кулон открыть этот точный физический закон, практически не обладая привычным нам лабораторным оборудованием?
  Использованный прием лишний раз доказывает, что изобретательность человеческого ума не знает границ... Расстояние и силу взаимодействия между зарядами французский ученый определял с помощью тех же крутильных весов, которыми пользовался Кавендиш для исследования силы тяготения между двумя телами. А как Кулон с помощью какого прибора сумел найти величину зарядов?
  Он просто этого не делал, справедливо решив, что для его исследований не нужно знать абсолютную величину электрического заряда, достаточно иметь два одинаковых или определить, во сколько раз один заряд больше другого. Зарядив один металлический шарик трением о сухую ткань, можно поднести к нему другой, незаряженный: при соприкосновении двух шариков заряды должны разделиться поровну между ними. Если к одному из них будет поднесен шарик из того же металла, то от первоначального заряда останется только четвертая часть. Вот так, остроумно и легко, делил Кулон электрические заряды на равные части, что и позволило ему открыть закон, который подтвердили точнейшие современные измерения!
  Следует вспомнить, что все это происходило в те далекие времена, когда большинство ученых разделяли электричество на два вида: стеклянное и смоляное. Основание было очень «серьезным»: стеклянная палочка, потертая о шелк, притягивалась к янтарю, который электризовали с помощью меховой шкурки, но две заряженные стеклянные палочки отталкивались друг от друга! Значит, существуют два типа зарядов: отрицательные, «любящие» янтарную смолу, и положительные, оседающие на стекле. Опыты Кулона тоже, казалось бы, подтверждали такой вывод: шарики, заряженные разными способами, вели себя подобно стеклянным палочкам и кусочкам янтаря...
• Как показали экспериментальные исследования английских ученых, микроорганизмы, обитающие в воде плавательных бассейнов, уничтожаются гораздо интенсивнее, если перед введением в воду хлора предварительно обработать ее магнитным полем. Их опыты проводились так. Два аквариума вместимостью 25 л были наполнены водой из бассейна. Один из них служил контрольным, а в другой вода попадала, пройдя сначала через трубу с закрепленными на ней тремя постоянными магнитами. Проанализировав пробу этой воды и сравнив ее с контрольной, исследователи установили, что омагниченная вода сама по себе не оказала на микроорганизмы никакого действия. Но когда в нее добавили хлор в такой же концентрации, как в контрольном аквариуме, то кишечных палочек оказалось на треть меньше. Кроме того, уровень содержания хлора падал в обычной воде на 20% быстрее, чем в омагниченной. Сейчас ученые выясняют причину этих явлений.
• Эксперименты французских ученых показали, что импульсным магнитным полем можно стерилизовать пищевые продукты. Интенсивное магнитное поле, проникая через стеклянную, картонную и пластиковую упаковку, уничтожает микроорганизмы либо делает их неактивными. Причины такого действия пока неизвестны. Вкус и пищевая ценность продуктов при этом не страдают, а срок хранения в герметичной таре значительно увеличивается.

Бизнесмен. Как определить направления вектора магнитной индукции? (Ответ с места.)

3-й умник. Предлагаю продолжить экскурс в историю открытия.

• Девятнадцатый век, видимо, в назидание двадцатому, веку узкой научной специализации, перенимает прекрасную традицию восемнадцатого и оставляет нам память об удивительно разносторонних ученых.
  Ханс Кристиан Эрстед получил золотую медаль при окончани Копенгагенского университета за литературное эссе «Границы поэзии и прозы», представив одновременно химическое исследование о свойствах щелочей. Диссертация, за которую Эрстед был удостоен звания доктора философии, посвящена медицине, свои самостоятельные исследования он начал в университете на кафедре фармацевтики, где изучали лекарства, а стал профессором по кафедре физики. Возникновение тепла при прохождении тока от гальванических элементов через тонкую платиновую проволочку не давало Эрстеду покоя. «Электричество и тепло взаимосвязаны, – думал он, – но, возможно, имеется нечто общее между другими разнородными и внешне непохожими явлениями, например между электричеством и магнетизмом?» Говорят, чтобы постоянно помнить об этой проблеме, Эрстед все время носил в кармане небольшой магнит...
  В 1813 г. Эрстед пишет в своем труде «Исследование идентичности химических и электрических сил», вышедшем из печати во Франции: «Следует испробовать, не производит ли электричество... каких-либо действий на магнит...» Проходит семь лет. Весной 1820 г. Эрстед впервые замечает, что при прохождении электрического тока лежащая рядом с проводом магнитная стрелка начинает отклоняться. После семи лет обдумываний следуют три недели лихорадочных экспериментов. Обнаруживается, что на повороты стрелки влияет ее удаленность от провода и электрическое напряжение гальванического элемента; материал провода значения не имеет. Эрстед отмечает странную вещь: сила, действующая между магнитом и электрическим током, направлена не по прямой, соединяющей их, а перпендикулярно к ней! Вскоре он разошлет ведущим ученым Европы статью на четырех страничках, называемую, по обычаю того времени, мемуаром, в которой опишет свои опыты. В мемуаре Эрстеда найдет отражение и тонкое наблюдение, что «магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение вокруг него». Будто провод окольцован магнитными силами...
  Ученый секретарь Французской академии наук Франсуа Араго знакомится с опытами Эрстеда в Женеве и 4 сентября 1820 г. делает в Париже на заседании Академии устное сообщение о них. Опыты Эрстеда поразили Араго. Ведь он сам уже много лет собирает сведения о связи атмосферных электрических явлений с поведением магнитных веществ и готовится ставить лабораторные эксперименты по проверке своих предположений. Участвуя в работе экспертной комиссии по выяснению причин кораблекрушений, Араго замечал, что у кораблей после сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные стороны, а железные предметы на борту сильно намагничивались. Вызвать это могла только молния...
  Волнение Араго передалось членам академии. Они просят Араго на заседании, намеченном на 22 сентября 1820 г., продемонстрировать им опыты Эрстеда. Внимательно слушает Араго выдающийся математик Андре Мари Ампер. У него рождается проницательная мысль: если проводник тока всегда окружен магнитными силами, то «электрический конфликт» (пользуясь выражением Эрстеда) должен возникать не только между проводом и магнитной стрелкой, но и между двумя проводами, по которым течет ток! В течение этого знаменательного заседания глубокий теоретик превращается в увлеченного экспериментатора. За семь дней Ампер конструирует оригинальный электрический прибор и на следующих заседаниях академии, 11 и 18 сентября, демонстрирует присутствующим взаимодействие двух проводников с током! Если в обоих проводниках электрические токи текут параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются; эти же проводники отталкиваются, когда токи в них проходят во взаимно противоположных направлениях. Затем Ампер выведет простую формулу, которая позволит рассчитать силу взаимодействия двух проводников в том случае, когда они установлены под углом друг к другу. Формула будет названа впоследствии законом Ампера...
  Ампер продолжает свои опыты. Свернув проводники в виде двух спиралей, получивших название соленоидов, он доказывает, что соленоиды, установленные рядом, при пропускании тока ведут себя подобно двум магнитам. Ампер исследует влияние магнитного поля Земли на движение проводника, соленоида и металлической рамки с током.
  Он высказывает опережающую время мысль о том, что магнит, в свою очередь, представляет собой совокупность токов. В магните, считает Ампер, есть множество элементарных круговых токов, текущих перпендикулярно к его оси. Так и кажется, что французский ученый уже знает о непрерывном движении заряженных частиц внутри каждого вещества, об открытии электрона, о планетарном строении атома, доказанном Резерфордом через столетие. Свои сообщения на заседании академии Ампер заключил словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».
  Пройдет много лет, и открытия Ампера лягут в основу метода определения единицы электрического тока. На IX Международной конференции по мерам и весам в 1948 г. будет решено считать основной электрической единицей 1 ампер – силу тока, при которой два параллельных проводника длиной в 1 м взаимодействуют друг с другом с силой в 0,000 000 2 Н. От силы тока 1 ампер произойдет единица количества электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая получит наименование вольта, единица сопротивления, именуемая омом.
  Очевидцы рассказывали, что идеи Ампера были столь новы, что многие члены Французской академии просто не поняли их революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? – спросил на заседании один из них, обращаясь к Амперу. – Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга?» За Ампера его оппоненту мгновенно ответил Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга...»
• В Германии создан новый тип аккумулятора. В нем вместо раствора кислоты, в который погружены электроды, применена паста, электродами служат листы фольги, а корпусом – пластмассовый мешочек. Новый аккумулятор легок и настолько компактен, что может разместиться в пластиковой карте для банкомата; кроме того, ему можно придать любую форму, а по электрическим параметрам он превосходит наиболее распространенные ныне литиевые аккумуляторы. И, что тоже немаловажно, новый аккумулятор безопасен в эксплуатации как для обслуживающего персонала, так и для окружающей среды. Первый действующий образец уже изготовлен.
• Даже на стреляных гильзах и патронах сохраняются отпечатки пальцев человека, вложившего их в оружие, – они 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 пленку, и на ней становятся отчетливо видны отпечатки, которые вполне можно идентифицировать. Этот способ дает криминалистам возможность надежно установить личность преступника в достаточно сложных ситуациях, когда другие улики отсутствуют или сомнительны.

Бизнесмен. Выходит, электрические и магнитные явления тесно связаны между собой? А что произойдет, если проводник с током поместить в магнитное поле? (Ответ с места о действии силы Ампера и о правиле левой руки.)

4-й умник (поднимает руку). Можно мне рассказать о ряде исторических фактов, а также о последних достижениях, связанных с электромагнитными явлениями?

• Гэмфри Дэви стал профессором в 23 года. За свою долгую жизнь в науке он успел сделать очень много: открыл несколько новых химических элементов, сумел с помощью электрического тока выделить из расплава солей их составные части, в том числе очень чистые металлы, изобрел шахтерскую взрывобезопасную лампу, обнаружил обезболивающие свойства закиси азота и предложил применять ее во время хирургических операций, доказал, как полезно заменять воду в гальванических элементах кислотой, – это в несколько раз увеличивает силу электрического тока, получаемого от гальванического элемента, изобретеннного Алессандро Вольтой. Дэви заслужил много научных и общественных наград, был избран президентом Лондонского Королевского общества.
  Но на вопрос о самом большом открытии в жизни он ответил: «Самым великим моим открытием было открытие Фарадея». И он, несомненно, прав.
  Один из историков науки справедливо писал: «... работу других ученых – Кулона, Гальвани, Эрстеда, Араго, Ампера – представляли собой отдельные “пики”, тогда как Фарадей воздвиг “горную цепь” из взаимосвязанных работ». Фарадей сумел значительно опередить свое время не только сутью сделанных им открытий, но и цельным подходом к научному творчеству. Он считал, что необходимо искать общность разных процессов в природе, изучать «точки соприкосновения» областей знания, ибо на стыке наук можно обнаружить совершенно новые закономерности исследуемого явления.
  На стыке физики и химии сделаны работы Фарадея по изучению влияния электрического тока на осаждение и разложение веществ и были установлены два основополагающих закона электролиза. Изучая сходство и различие оптических и электрических явлений, Фарадей показал, что электрический ток может усиливать и ослаблять свет. И конечно, главное – Фарадей доказал окончательно, что электричество и магнетизм неразрывно связаны.
  Одиннадцать лет после открытий Эрстеда и Ампера размышлял Фарадей над этой проблемой. Электричество явно обладает магнитной силой, и теперь осталось подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Физическая природа их так близка! 29 августа 1831 г., как зафиксировано в лабораторном журнале Фарадея, был выполнен исторический эксперимент. На большую деревянную катушку ученый навил две электрические спирали, изолированные друг от друга хлопчатобумажной нитью. По одной из спиралей пропускался ток, который Фарадей резко включал и выключал, а другая была соединена с гальванометром – прибором, отмечавшим появление тока во второй спирали. «При замыкании цепи, – записал Фарадей в журнале, – удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить... действия на гальванометр...»
  Спирали из проводников, как доказал Ампер, подобны по своим свойствам магнитам, и Фарадей продолжал свои опыты, заменив одну из спиралей на магнит. Сильные всплески тока возникали, когда Фарадей двигал магнит в катушке со спиралью или, наоборот, перемещал катушку относительно магнита. Фарадей заметил основные особенности явления: ток возникает только при движении катушки и магнита относительно друг друга; направление тока, возникающего в момент, когда магнит входит в катушку, изменяется на противоположное при выходе магнита из катушки.
  Обнаруженное Фарадеем явление получило название электромагнитной индукции. Его недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX в., ведь работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире основана на явлении электромагнитной индукции.
  Фарадей глубоко верил в единство электрических и магнитных явлений. Первым из ученых он предложил понятия об электрическом и магнитном полях, окружающих магниты и проводники с током. Эти поля переносят в пространство, как считал Фарадей, электромагнитные сигналы. Эта мысль оказалась настолько важной для всего последующего развития физики, что Альберт Эйнштейн назвал человека, которого она впервые посетила, «избранником».
  Несколько десятилетий спустя Джеймс Кларк Максвелл разовьет идею Фарадея, облечет ее в ясную и точную математическую форму, и электромагнитное поле займет положенное ему по праву важнейшее место во всех разделах физики.
• В тех регионах России, где бывают сильные морозы, зимой возникает проблема слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн, ибо их вязкость при низкой температуре слишком мала. Для того чтобы извлечь из цистерны прилипшую к ее стенкам массу, приходится пользоваться паром. Но это дорого: для разогрева одного железнодорожного резервуара сжигается до 15 т топлива. Ученые дальневосточных институтов разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, позволяющую значительно сократить энергозатраты. С небольшими изменениями эта технология эффективна для извлечения замерзших нефтепродуктов из резервуаров океанских танкеров. Для аварийных ситуаций, когда замерзают ситемы отопления и водоснабжения, разработан ручной электроиндукционный инструмент, обеспечивающий быстрый разогрев трубопроводов и высокую безопасность работ. Технология защищена патентом РФ.
• Там, где происходит торговля с лотков, в палатках, возникает необходимость в подключении осветительных, нагревательных или охладительных электроприборов. И вот от ближайших домов к лоткам и киоскам тянутся провода, нарушая опрятный вид улиц и мешая продавцам, покупателям, прохожим. Чтобы избежать этого, французская фирма «Стев Инженери» предложила прокладывать под площадкой, предназначенной для торговли, электрокабель, к которому через определенные промежутки подключены индукционные катушки, представляющие собой первичные обмотки трансформаторов. Торговец ставит на асфальт над такой катушкой небольшую портативную колонку с катушкой, служащей вторичной обмоткой, и через розетку получает обычное сетевое напряжение. Такая распределительная система позволяет получать «через асфальт» электрический ток мощностью до 4 кВт.

Бизнесмен. А какие явления сопровождают протекание электрического тока?

5-й умник просит слова для сообщения о действии электромагнитных полей на человека и об их применении.

• Наука накапливает все больше данных о влиянии переменных магнитных полей на человека и животных. Установлено, например, что к действию этих полей чувствителен эпифиз – расположенная в мозге железа, вырабатывающая мелатонин – вещество, регулирующее, в частности, обмен веществ и адаптацию организма к неблагоприятным условиям. Исследования показали, что после воздействия переменных магнитных полей, как естественного (магнитные бури), так и искусственного происхождения, уровень мелатонина в крови снижается. У некоторых особо чувствительных людей такой эффект наступает даже после длительного лежания под электроодеялом. Между тем уменьшение мелатонина нарушает его нормальную функцию в организме и увеличивает риск появления некоторых недугов. Переменные магнитные поля естественного и искусственного происхождения могут нарушать и биоритмы организма (они в какой-то мере контролируются эпифизом). Ученые предполагают, что в организме человека и животных эпифиз – не единственный орган, подверженный влиянию магнитных полей, но пока о магниточувствительности этого и других органов известно очень мало.
• Состояние биосферы во многих регионах таково, что грядущая экологическая планетарная катастрофа кажется неизбежной. «И Весна... и Весна встретит новый рассвет, не заметив, что нас уже нет», – эти знаменитые строки Р.Брэдбери настраивают на серьезный лад, побуждая разобраться в окружающей действительности. Развитие мобильных средств радиотелефонной и космической связи, сети персональных компьютеров приводит к тому, что все большее число людей подвергается воздействию электромагнитных излучений. Ученые предупреждают об электромагнитной опасности для человека, предполагая, что техногенные электромагнитные излучения могут оказывать неблагоприятное воздействие на организм. Электромагнитное излучение – физический фактор загрязнения окружающей среды. Пока данных мало, проблема требует изучения. Особое внимание следует уделить влиянию электромагнитных полей и излучений, создаваемых дисплеем компьютера и сотовыми телефонами, т.к. эти источники широко распространены.
• Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами наделен и космический вакуум. Привычное для нас представление о вакууме как о совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой, что вакуум при определенных условиях может рождать на свет элементарные частицы.
• Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь не похожими на холодное царство неподвижно застывших геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводимых примесей, температуры, давления, электрического и магнитного полей в столь «невозмутимых» внешне кристаллах могут происходить удивительные превращения: например, в одних при увеличении температуры исчезают металлические свойства, в других наблюдается обратная картина – изолятор становится металлом. Советский физик Э.Л.Нагаев теоретически предсказал, что при определенных условиях только отдельные области кристаллов будут изменять свои свойства. Некоторые полупроводники становятся при этом похожими на... пудинги с изюмом: изюминки – проводящие шарики – разделены диэлектрическими прослойками, и в целом такой кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное поле могут заставить шарики соединяться друг с другом, изюминки будто растворяются в пудинге – кристалл превращается в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных переходов...
• Не все удается предсказать и рассчитать заранее. Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные результаты экспериментов или странные явления, которые внимательному наблюдателю удается подметить в природе.
• Очень важное свойство роднит физику с философией, из которой она вышла, – физика может убедительно, с помощью цифр и фактов, ответить на вопрос любознательного человека: велик или мал мир, в котором мы живем? Философия отвечает на вопрос-близнец: велик или мал человек? Блез Паскаль называл человека «мыслящим тростником», подчеркивая, что человек хрупок, слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой природы; единственное оружие и защита человека – его мысль. Вся история физики убеждает, что обладание этим неосязаемым и невидимым оружием дает возможность проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей необъятной Вселенной. Физика показывает, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать человеку свое величие, необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете.

«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал земель... – писал Паскаль, – а вот с помощью мысли я охватываю Вселенную».

Учащийся. А у меня стихи о грозе Ф.И.Тютчева, но более жизнерадостные, ведь не всегда в грозу бывает страшно.

Люблю грозу в начале мая,
Когда весенний, первый гром,
Как бы резвяся и играя,
Грохочет в небе голубом.

Бизнесмен. А вот вам загадка: «Гаркнул гусь на всю Русь». Что это? (Ответ с места. Гром.)

Учащиеся (загадывают загадки):

• Нашумела, нагремела, все промыла и ушла. И сады, и огороды всей округи полила. (Ответ. Гроза.)
• Два брата родных: одного всяк видит, да не слышит; другого все слышат да не видят. (Ответ. Гром и молния.)
• Летит огненная стрела, никто ее не поймает: ни царь, ни царица, ни красная девица. (Ответ. Молния.)

Бизнесмен. Спасибо. Молодцы!

Дочь. Папа, теперь я поняла, как делается обобщение по электромагнитным явлениям и как решить задачу.

• Как вынуть стальной шарик из бутылки, не опрокидывая бутылки? (Ответ. Магнитом.)

Пап, теперь я не получу двойку!

Бизнесмен. Я рад за тебя. Видишь, мы с ребятами смогли тебе помочь. Всем спасибо.

Учитель. Мы помогли господину Трепину и его дочери, а заодно сдали зачет по электромагнитным явлениям. Подведем итоги урока.

Литература

Детская энциклопедия. Т. 3. – М.: Детская литература, 1966.
М.Колтун. Мир физики. – М.: Детская литература, 1987.
Я.Перельман. Занимательная физика.
Т. 1, 2. – Домодедово, 1994.
Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Детская литература, 1984.