Открытие электромагнитной индукции кратко. Открытие электромагнитной индукции — Гипермаркет знаний
Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока , проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года . Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы не зависит от того, что является причиной изменения потока - изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток , вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):
E = − d Φ B d t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt}} - электродвижущая сила , действующая вдоль произвольно выбранного контура, = ∬ S B → ⋅ d S → , {\displaystyle =\iint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot d{\vec {S}},} - магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца , названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца :
Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:
E = − N d Φ B d t = − d Ψ d t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}=-{{d\Psi } \over dt}} E {\displaystyle {\mathcal {E}}} - электродвижущая сила, N {\displaystyle N} - число витков, Φ B {\displaystyle \Phi _{B}} - магнитный поток через один виток, Ψ {\displaystyle \Psi } - потокосцепление катушки.Векторная форма
В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:
rot E → = − ∂ B → ∂ t {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СИ) rot E → = − 1 c ∂ B → ∂ t {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{1 \over c}{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СГС).В интегральной форме (эквивалентной):
∮ ∂ S E → ⋅ d l → = − ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}} (СИ) ∮ ∂ S E → ⋅ d l → = − 1 c ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{1 \over c}{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}} (СГС)Здесь E → {\displaystyle {\vec {E}}} - напряжённость электрического поля , B → {\displaystyle {\vec {B}}} - магнитная индукция , S {\displaystyle S\ } - произвольная поверхность, - её граница. Контур интегрирования ∂ S {\displaystyle \partial S} подразумевается фиксированным (неподвижным).
Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).
Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца , порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство E = − d Φ / d t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к ∮ E → ⋅ d l → {\displaystyle \oint {\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}} (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).
Потенциальная форма
При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:
E → = − ∂ A → ∂ t {\displaystyle {\vec {E}}=-{\partial {\vec {A}} \over \partial t}} (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:
E → = − ∇ φ − ∂ A → ∂ t {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\partial {\vec {A}} \over \partial t}}Подробнее
Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается через векторный потенциал так:
B → = r o t A → ≡ ∇ × A → , {\displaystyle {\vec {B}}=rot\ {\vec {A}}\equiv \nabla \times {\vec {A}},}то можно подставить это выражение в
r o t E → ≡ ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t , {\displaystyle rot\ {\vec {E}}\equiv \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},} ∇ × E → = − ∂ (∇ × A →) ∂ t , {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial (\nabla \times {\vec {A}})}{\partial t}},}и, поменяв местами дифференцирование по времени и пространственным координатам (ротор):
∇ × E → = − ∇ × ∂ A → ∂ t . {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-\nabla \times {\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}Отсюда, поскольку ∇ × E → {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}} полностью определяется правой частью последнего уравнения, видно, что вихревая часть электрического поля (та часть, которая имеет ротор, в отличие от безвихревого поля ∇ φ {\displaystyle \nabla \varphi } ) - полностью определяется выражением
− ∂ A → ∂ t . {\displaystyle -{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}Т.е. в случае отсутствия безвихревой части можно записать
E → = − ∂ A → ∂ t , {\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}},}а в общем случае
E → = − ∇ φ − d A → d t . {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\frac {d{\vec {A}}}{dt}}.} 1831 года наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 20 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов . При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.
М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.
Новый период в развитии физической науки начинается с гениального открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Именно в этом открытии ярко проявилась способность науки обогащать технику новыми идеями. Уже сам Фарадей предвидел на основе своего открытия существование электромагнитных волн. 12 марта 1832 г. он запечатал конверт с надписью "Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества". Этот конверт был вскрыт в 1938 г. Оказалось, что Фарадей вполне ясно представлял, что индукционные действия распространяются с конечной скоростью волновым способом. "Я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции",- писал Фарадей. При этом он указывал, что "на распространение магнитного воздействия требуется время, т. е. при воздействии магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха".
Фарадей понимал всю важность своей идеи и, не имея возможности проверить ее экспериментально, решил с помощью этого конверта "закрепить открытие за собой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой своего открытия". Итак, 12 марта 1832 г. человечество впервые пришло к идее существования электромагнитных волн. С этой даты начинается история открытия радио.
Но открытие Фарадея имело важное значение не только в истории техники. Оно оказало огромное влияние и на развитие научного миропонимания. С этого открытия в физику входит новый объект - физическое поле. Таким образом, открытие Фарадея принадлежит к тем фундаментальным научным открытиям, которые оставляют заметный след во всей истории человеческой культуры.
Сын лондонского кузнеца переплетчик родился в Лондоне 22 сентября 1791 г. Гениальный самоучка не имел возможности даже закончить начальную школу и проложил путь в науку сам. Во время учения переплетному делу он читал книги, в особенности по химии, сам проделывал химические опыты. Слушая публичные лекции знаменитого химика Дэви, он окончательно убедился в том, что его призвание - наука, и обратился к нему с просьбой принять на работу в Королевский институт. С 1813 г., когда Фарадей был принят в институт лаборантом, и до самой смерти (25 августа 1867 г.) он жил наукой. Уже в 1821 г., когда Фарадей получил электромагнитное вращение, он поставил своей целью "превратить магнетизм в электричество". Десять лет поисков и напряженного труда увенчались открытием 29 августа 1871 г. электромагнитной индукции.
"Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были изолированы в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами. При замыкании контакта наблюдалось временное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей". Так описал Фарадей свои первый опыт по индукции токов. Он назвал этот вид индукции вольта-электрической индукцией. Далее он описывает свой основной опыт с железным кольцом - прототипом современного трансформатора.
"Из круглого брускового мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи восьмым дюйма, а наружный диаметр кольца - шести дюймам. На одну часть этого кольца были намотаны три спирали содержащие каждая около двадцати четырех футов медной проволоки, толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга..., занимая приблизительно девять дюймов по длине кольца Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А. На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, которая образовывала спираль В, имевшую одинаковое направление со спиралями А, но отделенную от них на каждом конце на протяжении приблизительно полудюйма голым железом.
Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенном на расстоянии трех футов от железа. Отдельные спирали соединялись концы с концами так, что образовывали общую спираль, концы которой соединялись с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, и притом значительно сильнее чем это наблюдалось, как описано выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью, но без железа; однако, несмотря на сохранение контакта, действие прекращалось. При размыкании контакта с батареей стрелка снова сильно отклонялась, но в направлении, противоположном тому, которое индуцировалось в первом случае".
Фарадей исследовал далее непосредственным опытом влияние железа, внося внутрь полой катушки железный стержень, в этом случае "индуцированный ток оказывал на гальванометр очень сильное действие". "Подобное действие было затем получено при помощи обыкновенных магнитов ". Фарадей назвал это действие магнитоэлектрической индукцией, полагая, что природа вольта-электрической и магнитоэлектрической индукции одинакова.
Все описанные опыты составляют содержание первого и второго разделов классического труда Фарадея "Экспериментальные исследования по электричеству", начатого 24 ноября 1831 г. В третьем разделе этой серии "О новом электрическом состоянии материи" Фарадей впервые пытается описать новые свойства тел, проявляемые в электромагнитной индукции. Он называет это обнаруженное им свойство "электротоническим состоянием". Это первый зародыш идеи поля, сформировавшейся позднее у Фарадея и впервые точно сформулированной Максвеллом. Четвертый раздел первой серии посвящен объяснению явления Араго. Фарадей правильно причисляет это явление к индукционным и пытается с помощью этого явления "получить новый источник электричества". При движении медного диска между полюсами магнита он получил ток в гальванометре при помощи скользящих контактов. Это была первая динамомашина. Фарадей резюмирует результаты своих опытов следующими словами: "Этим было показано, таким образом, что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенного магнита". Из своих опытов по индукции в движущихся проводниках Фарадей вывел зависимость между полюсностью магнита, движущимся проводником и направлением индуцированного тока, т. е. "закон, управляющий получением электричества посредством магнитоэлектрической индукции". В результате своих исследований Фарадей установил, что "способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается" * .
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 57. )
Другими словами, вокруг переменного магнитного потока возникает вихревое электрическое поле, подобно тому как вокруг электрического тока возникает вихревое магнитное поле. Этот фундаментальный факт был обобщен Максвеллом в виде его двух уравнений электромагнитного поля.
Изучению явлений электромагнитной индукции, в особенности индукционного действия магнитного поля Земли, посвящена также вторая серия "Исследований", начатая 12 января 1832 г. Третью серию, начатую 10 января 1833 г., Фарадей посвящает доказательству тождества различных видов электричества: электростатического, гальванического, животного, магнитоэлектрического (т. е. получаемого посредством электромагнитной индукции). Фарадей приходит к выводу, что электричество, получаемое различными способами, качественно одинаково, разница в действиях только количественная. Этим был нанесен последний удар концепции различных "флюидов" смоляного и стеклянного электричества, гальванизма, животного электричества. Электричество оказалось единой, но полярной сущностью.
Весьма важна пятая серия "Исследований" Фарадея, начатая 18 июня 1833 г. Здесь Фарадей начинает свои исследования электролиза, приведшие его к установлению знаменитых законов, носящих его имя. Исследования эти были продолжены в седьмой серии, начатой 9 января 1834 г. В этой последней серии Фарадей предлагает новую терминологию: полюса, подводящие ток в электролит, он предлагает называть электродами, положительный электрод называть анодом, а отрицательный - катодом, частицы отлагаемого вещества, идущие к аноду он называет анионами, а частицы, идущие к катоду,- катионами . Далее, ему принадлежат термины электролит для разлагаемых веществ, ионы и электрохимические эквиваленты. Все эти термины прочно удержались в науке. Фарадей делает правильный вывод из найденных им законов, что можно говорить о каком-то абсолютном количестве электричества, связанном с атомами обычной материи. "Хотя мы ничего не знаем о том, что такое атом,- пишет Фарадей,- но мы невольно представляем себе какую-то малую частичку, которая является нашему уму, когда мы о ней думаем; правда, в таком же или в еще большем неведении мы находимся относительно электричества, мы даже не в состоянии сказать, представляет ли оно собою особую материю или материи, или же просто движение обыкновенного вещества, или еще вид какой-то силы или агента; тем не менее имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, а в том числе своим химическим сродством друг к другу" * .
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 335. )
Таким образом, Фарадей отчетливо высказал идею "электрификации" материи, атомного строения электричества, причем атом электричества, или, как выражается Фарадей, "абсолютное количество электричества", оказывается "столь же определенным по своему действию, как любое из тех количеств, которые, оставаясь связанными с частицами материи, сообщают им их химическое сродство". Элементарный электрический заряд, как показало дальнейшее развитие физики, действительно может быть определен из законов Фарадея.
Весьма важное значение имела девятая серия "Исследований" Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции, об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что "экстраток тождествен с... индуцированным током" * . В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции. В одиннадцатой серии своих исследований, начатой 30 ноября 1837 г., он утверждает: "Индукция играет самую общую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по-видимому, в каждом из них, и носит в действительности черты первейшего и существенного начала" ** . В частности, по мнению Фарадея, всякий процесс зарядки есть процесс индукции, смещения противоположных зарядов: "вещества не могут быть заряжены абсолютно, а только относительно, по закону, тождественному с индукцией. Всякий заряд поддерживается индукцией. Все явления напряжения включают начало индукций" *** . Смысл этих утверждений Фарадея тот, что всякое электрическое поле ("явление напряжения" - по терминологии Фарадея) обязательно сопровождается индукционным процессом в среде ("смещением" - по позднейшей терминологии Максвелла). Этот процесс определяется свойствами среды, ее "индуктивной способностью", по терминологии Фарадея, или "диэлектрической проницаемостью", по современной терминологии. Фарадей опытом со сферическим конденсатором определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ по отношению к воздуху. Эти эксперименты укрепили Фарадея в мысли о существенной роли среды в электромагнитных процессах.
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 445. )
** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 478. )
*** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 487. )
Закон электромагнитной индукции был существенно развит русским физиком Петербургской Академии Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). 29 ноября 1833 г. Ленц доложил Академии наук свое исследование "Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией". Ленц показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами Ампера. "Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении" * .
* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 148-149. )
Этот принцип Ленца раскрывает энергетику индукционных процессов и сыграл важную роль в работах Гельмгольца по установлению закона сохранения энергии. Сам Ленц из своего правила вывел хорошо известный в электротехнике принцип обратимости электромагнитных машин: если вращать катушку между полюсами магнита, она генерирует ток; наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Электродвигатель можно обратить в генератор и наоборот. Изучая действие магнитоэлектрических машин, Ленц открывает в 1847 г. реакцию якоря.
В 1842-1843 гг. Ленц произвел классическое исследование "О законах выделения тепла гальваническим током" (доложено 2 декабря 1842 г., опубликовано в 1843 г.), начатое им задолго до аналогичных опытов Джоуля (сообщение Джоуля появилось в октябре 1841 г.) и продолженное им несмотря на публикацию Джоуля, "так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это было уже показано нашим коллегой г-ном акад. Гессом" * . Ленц измеряет величину тока с помощью тангенс-буссоли - прибора, изобретенного гельсингфорским профессором Иоганном Нервандером (1805-1848), и в первой части своего сообщения исследует этот прибор. Во второй части "Выделение тепла в проволоках", доложенной 11 августа 1843 г., он приходит к своему знаменитому закону:
- "
- Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.
- Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока" ** .
* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 361. )
** (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 441. )
Закон Джоуля - Ленца сыграл важную роль в установлении закона сохранения энергии. Все развитие науки об электрических и магнитных явлениях подводило к идее единства сил природы, к идее сохранения этих "сил".
Почти одновременно с Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797-1878). Генри изготовил большой электромагнит (1828), который, питаясь от гальванического элемента с малым сопротивлением, поддерживал груз в 2000 фунтов. Об этом электромагните упоминает Фарадей и указывает, что с его помощью можно при размыкании получить сильную искру.
Генри впервые (1832) наблюдал явление самоиндукции, и его приоритет отмечен наименованием единицы самоиндукции "генри".
В 1842 г. Генри установил колебательный характер разряда лейденской банки. Тонкая стеклянная игла, с помощью которой он исследовал это явление, намагничивалась с различной полярностью, тогда как направление разряда оставалось неизменным. "Разряд, какова бы ни была его природа,- заключает Генри,- не представляется (пользуясь теорией Франклина.- П. К.) единичным переносом невесомого флюида с одной обкладки на другую; обнаруженное явление заставляет нас допустить существование главного разряда в одном направлении, а затем несколько странных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающееся до тех пор, пока не наступит равновесие".
Индукционные явления становятся ведущей темой в физических исследованиях. В 1845 г. немецкий физик Франц Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона индукции, обобщив исследования Фарадея и Ленца.
Электродвижущая сила индукции выражалась у Неймана в виде производной по времени от некоторой функции, индуцирующей ток, и взаимной конфигурации взаимодействующих токов. Эту функцию Нейман назвал электродинамическим потенциалом. Он нашел также выражение для коэффициента взаимной индукции. В своем сочинении "О сохранении силы" в 1847 г. Гельмгольц выводит неймановское выражение для закона электромагнитной индукции из энергетических соображений. В этом же сочинении Гельмгольц утверждает, что разряд конденсатора представляет собой "не... простое движение электричества в одном направлении, но... течение его то в одну, то в другую сторону между двух обкладок в виде колебаний, которые делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммою сопротивлений".
В 1853 г. Уильям Томсон (1824-1907) дал математическую теорию колебательного разряда конденсатора и установил зависимость периода колебаний от параметров колебательного контура (формула Томсона).
В 1858 г. П. Блазерна (1836-1918) снял экспериментально резонансную кривую электрических колебаний, изучая действие индуцирующего разрядкой контура, содержащего батарею конденсаторов и замыкающий проводники на побочный контур, с переменной длиной индуцируемого проводника. В том же 1858 г. Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал искровой разряд лейденской банки во вращающемся зеркале, а в 1862 г. он сфотографировал изображение искрового разряда во вращающемся зеркале. Тем самым колебательный характер разряда был установлен с полной очевидностью. Вместе с тем экспериментально была проверена формула Томсона. Так шаг за шагом создавалось учение об электрических колебаниях, составляющее научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.
После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.
Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать - дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.
В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами.
Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви , великого английского физика.
Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.
Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.
Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма» . Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока.
Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики - он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.
Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.
В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции .
Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.
К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.
Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела.
На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой - с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку,
Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.
Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.
Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.
Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), - индукция, и новый вид этой энергии - индукционное электричество .
Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились.
Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?
Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.
Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая - вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи - на этот раз: уже под влиянием магнетизма.
Таким образом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.
Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит - приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.
Сегодня мы расскажем о явлении электромагнитной индукции. Раскроем, почему этот феномен был открыт и какую пользу принес.
Шелк
Люди всегда стремились жить лучше. Кто-то может подумать, что это повод обвинить человечество в алчности. Но часто речь идет об обретении элементарного бытового удобства.
В средневековой Европе умели делать ткани шерстяные, хлопковые и льняные. А еще в то время люди страдали от избытка блох и вшей. При этом в китайской цивилизации уже научились виртуозно ткать шелк. Одежда из него не подпускала кровососов к коже человека. Лапки насекомых скользили по гладкой ткани, и вши сваливались. Поэтому европейцы захотели во что бы то ни стало одеваться в шелк. А торговцы подумали, что это еще одна возможность разбогатеть. Поэтому был проложен Великий шелковый путь.
Только так желанную ткань доставляли страждущей Европе. И настолько много людей вовлекались в процесс, что в результате возникали города, империи спорили за право взимать налоги, а некоторые отрезки пути до сих пор наиболее удобный способ добраться до нужного места.
Компас и звезда
На пути караванов с шелком вставали горы и пустыни. Бывало, что характер местности оставался прежним недели и месяцы. Степные дюны сменялись такими же холмами, один перевал следовал за другим. И людям надо было как-то ориентироваться, чтобы доставить свой ценный груз.
Первыми на выручку пришли звезды. Зная, какой сегодня день, и каких созвездий ожидать, опытный путешественник всегда мог определить, где юг, где восток, и куда идти. Но людей с достаточным объемом знаний всегда не хватало. Да и время точно отсчитывать тогда не умели. Закат солнца, восход - вот и все ориентиры. А снежная или песчаная буря, пасмурная погода исключали даже возможность видеть полярную звезду.
Потом люди (вероятно, древние китайцы, но ученые еще спорят на этот счет) поняли, что один минерал всегда определенным образом расположен по отношению к сторонам света. Это свойство использовалось, чтобы создать первый компас. До открытия явления электромагнитной индукции было далеко, но начало было положено.
От компаса к магниту
Само название «магнит» восходит к топониму. Вероятно, первые компасы делались из руды, добываемой в холмах Магнезии. Эта область располагается в Малой Азии. И выглядели магниты как черные камни.
Первые компасы были весьма примитивными. В чашу или другую емкость наливалась вода, сверху клался тонкий диск из плавучего материала. А в центр диска помещалась намагниченная стрелка. Один ее конец всегда указывал на север, другой - на юг.
Трудно даже представить себе, что караван сохранял воду для компаса, пока от жажды умирали люди. Но не потерять направление и позволить людям, животным и товару добраться до безопасного места было важнее нескольких отдельных жизней.
Компасы проделывали множество путешествий и встречались с различными феноменами природы. Неудивительно, что явление электромагнитной индукции было открыто в Европе, хотя магнитная руда первоначально добывалась в Азии. Вот таким замысловатым образом желание европейских жителей спать удобнее привело к важнейшему открытию физики.
Магнитное или электрическое?
В начале девятнадцатого века ученые поняли, как получать постоянный ток. Была создана первая примитивная батарейка. Ее хватало для того, чтобы пустить по металлическим проводникам поток электронов. Благодаря первому источнику электричества был совершен ряд открытий.
В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед выяснил: магнитная стрелка отклоняется рядом со включенным в сеть проводником. Положительный полюс компаса всегда расположен определенным образом по отношению к направлению тока. Ученый производил опыт во всех возможных геометриях: проводник был над или под стрелкой, они располагались параллельно или перпендикулярно. В результате всегда получалось одно и то же: включенный ток приводил в движение магнит. Так было предвосхищено открытие явления электромагнитной индукции.
Но мысль ученых должна подтверждаться экспериментом. Сразу после опыта Эрстеда английский физик Майкл Фарадей задался вопросом: «Магнитное и электрическое поле просто влияют друг на друга, или они связаны теснее?» Первым ученый проверил предположение, что если электрическое поле заставляет отклоняться намагниченный предмет, то магнит должен порождать ток.
Схема опыта проста. Сейчас ее может повторить любой школьник. Тонкая металлическая проволока была свернута в форме пружины. Ее концы подключались к прибору, регистрирующему ток. Когда рядом с катушкой двигался магнит - стрелка устройства показывала напряжение электрического поля. Таким образом был выведен закон электромагнитной индукции Фарадея.
Продолжение опытов
Но это еще не все, что сделал ученый. Раз магнитное и электрическое поле связаны тесно, требовалось выяснить, насколько.
Для этого Фарадей к одной обмотке подвел ток и вдвинул ее внутрь другой такой же обмотки радиусом больше первой. И снова было индуцировано электричество. Таким образом, ученый доказал: движущийся заряд порождает и электрическое, и магнитное поля одновременно.
Стоит подчеркнуть, что речь идет о движении магнита или магнитного поля внутри замкнутого контура пружины. То есть поток должен все время меняться. Если этого не происходит, ток не генерируется.
Формула
Закон Фарадея для электромагнитной индукции выражается формулой
Расшифруем символы.
ε обозначает ЭДС или электродвижущую силу. Эта величина скалярная (то есть не векторная), и она показывает работу, которую прикладывают некие силы или законы природы, чтобы создать ток. Надо отметить, что работу должны совершать непременно неэлектрические явления.
Φ - это магнитный поток сквозь замкнутый контур. Данная величина является произведением двух других: модуля вектора магнитной индукции В и площади замкнутого контура. Если магнитное поле действует на контур не строго перпендикулярно, то к произведению добавляется косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности.
Последствия открытия
За этим законом последовали другие. Последующие ученые устанавливали зависимости напряженности электрического тока от мощности, сопротивления от материала проводника. Изучались новые свойства, создавались невероятные сплавы. Наконец, человечество расшифровало структуру атома, вникло в тайну рождения и смерти звезд, вскрыло геном живых существ.
И все эти свершения требовали огромного количества ресурсов, а, прежде всего, электричества. Любое производство или большое научное исследование проводились там, где были доступны три составляющие: квалифицированные кадры, непосредственно материал, с которым надо работать и дешевая электроэнергия.
А это было возможно там, где силы природы могли придавать большой момент вращения ротору: реки с большим перепадом высот, долины с сильными ветрами, разломы с избытком геомагнитной энергии.
Интересно, что современный способ получать электричество не отличается принципиально от опытов Фарадея. Магнитный ротор очень быстро вращается внутри большой катушки проволоки. Магнитное поле в обмотке все время меняется и генерируется электрический ток.
Конечно, подобраны и наилучший материал для магнита и проводников, и технология всего процесса совсем другая. Но суть в одном: используется принцип, открытый на простейшей системе.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майлом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превратить магнетизм в электричество. Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.
Открытие электромагнитной индукции
Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Наверное, должна существовать возможность с помощью магнита получить электрический ток.
Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных относительно друг друга проводниках. При возникновении в одной из них тока в другой катушке тоже индуцировался ток. Причем в дальнейшем он пропадал, и появлялся снова лишь при выключении питания одной катушки.
Через некоторое время Фарадей на опытах доказал, что при перемещении катушки без тока в цепи относительно другой, на концы которой подается напряжение, в первой катушке тоже будет возникать электрический ток.
Следующим опытом было введение в катушку магнита, и при этом тоже в ней появлялся ток. Данные опыты показаны на следующих рисунках.
Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.
Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.
Формулировка закона
Подведем краткий итог. Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения тока в замкнутом контуре, при изменении магнитного поля в котором находится этот контур.
Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая бы характеризовала магнитное поле – поток вектора магнитной индукции.
Магнитный поток
Вектор магнитной индукции обозначается буквой B. Он будет характеризовать магнитное поле в любой точке пространства. Теперь рассмотрим замкнутый контур, ограничивающий поверхность площадью S. Поместим его в однородное магнитное поле.
Между вектором нормали к поверхности и вектором магнитной индукции будет некоторый угол а. Магнитный поток Ф через поверхность площадью S называется физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру.
Ф = B*S*cos(a).
Произведение B*cos(a) является проекцией вектора В на нормаль n. Поэтому форму для магнитного потока можно переписать следующим образом:
Единицей измерения магнитного потока является вебер. Обозначается 1 Вб. Магнитный поток в 1Вб создается магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадь 1 м^2, которая расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции.
