La storia della scoperta della legge dell'induzione elettromagnetica. Legge dell'induzione elettromagnetica

Con l'ingegnosa scoperta di Faraday inizia un nuovo periodo nello sviluppo della scienza fisica induzione elettromagnetica. Fu in questa scoperta che si manifestò chiaramente la capacità della scienza di arricchire la tecnologia con nuove idee. Già lo stesso Faraday prevedeva, sulla base della sua scoperta, l'esistenza onde elettromagnetiche. Il 12 marzo 1832 sigillò una busta con la scritta "New Views, ora da conservare in una busta sigillata negli archivi della Royal Society". Questa busta fu aperta nel 1938. Risultò che Faraday capiva abbastanza chiaramente che le azioni di induzione si propagano con una velocità finita in modo ondulatorio. "Ritengo possibile applicare la teoria delle oscillazioni alla propagazione dell'induzione elettrica", ha scritto Faraday. Allo stesso tempo, ha sottolineato che “la propagazione di un effetto magnetico richiede tempo, cioè quando un magnete agisce su un altro magnete lontano o su un pezzo di ferro, la causa influenzante (che mi permetterò di chiamare magnetismo) si diffonde dai corpi magnetici gradualmente e richiede un certo tempo per la sua propagazione, che ovviamente risulterà molto piccolo. Credo inoltre che l'induzione elettrica si propaghi esattamente allo stesso modo. Credo che la propagazione delle forze magnetiche da un polo magnetico sia simile all'oscillazione di una superficie d'acqua agitata, o a vibrazioni sonore particelle d'aria.

Faraday capì l'importanza della sua idea e, non potendo sperimentarla sperimentalmente, decise con l'ausilio di questa busta "di assicurarsi la scoperta per sé e, quindi, di avere il diritto, in caso di conferma sperimentale, di dichiarare tale data la data della sua scoperta». Quindi, il 12 marzo 1832, l'umanità venne per la prima volta all'idea dell'esistenza onde elettromagnetiche. Da questa data inizia la storia della scoperta Radio.

Ma la scoperta di Faraday è stata importante non solo nella storia della tecnologia. Ha avuto un enorme impatto sullo sviluppo della visione scientifica del mondo. Da questa scoperta entra in gioco la fisica nuovo oggetto - campo fisico. Pertanto, la scoperta di Faraday appartiene a quelle scoperte scientifiche fondamentali che lasciano un segno evidente nell'intera storia della cultura umana.

Rilegatore figlio del fabbro londinese nacque a Londra il 22 settembre 1791. Il brillante autodidatta non ebbe nemmeno la possibilità di finire scuola elementare e ha aperto la strada alla scienza stessa. Mentre studiava legatoria, leggeva libri, soprattutto di chimica esperimenti chimici. Ascoltando le lezioni pubbliche del famoso chimico Davy, finalmente si convinse che la sua vocazione fosse la scienza, e si rivolse a lui chiedendo di essere assunto al Royal Institute. Dal 1813, quando Faraday fu ammesso all'istituto come assistente di laboratorio, e fino alla sua morte (25 agosto 1867), visse nella scienza. Già nel 1821, quando Faraday ricevette la rotazione elettromagnetica, si prefisse l'obiettivo di "trasformare il magnetismo in elettricità". Dieci anni di ricerca e duro lavoro culminarono nella scoperta, il 29 agosto 1871, dell'induzione elettromagnetica.

"Duecentotre piedi di filo di rame in un unico pezzo furono avvolti su un grande tamburo di legno; altri duecentotre piedi dello stesso filo furono isolati a spirale tra le spire del primo avvolgimento, il contatto metallico essendo rimosso per mezzo di di una corda. Una di queste spirali era collegata ad un galvanometro, e l'altra ad una batteria ben carica di cento paia di piastre da quattro pollici quadrati, con doppie piastre di rame. Quando il contatto è stato effettuato, c'era un effetto temporaneo ma molto lieve sul galvanometro, e un effetto debole simile si è verificato quando è stato aperto il contatto con la batteria. Così Faraday descrisse la sua prima esperienza di induzione di correnti. Chiamò questo tipo di induzione voltaico-elettrica. Continua descrivendo la sua principale esperienza con l'anello di ferro, il prototipo del moderno trasformatore.

"Un anello è stato saldato da una barra rotonda di ferro dolce; lo spessore del metallo era di sette ottavi di pollice e il diametro esterno dell'anello era di sei pollici. Su una parte di questo anello erano avvolte tre spirali, ciascuna contenente circa ventiquattro piedi di filo di rame, uno spessore di un ventesimo di pollice. Le bobine erano isolate dal ferro e l'una dall'altra... occupando circa nove pollici lungo la lunghezza dell'anello Potevano essere usate singolarmente e in combinazione, questo il gruppo è designato A. Sull'altra parte dell'anello era avvolto allo stesso modo circa sessanta piedi di filo di rame in due pezzi, che formavano una spirale B, avente la stessa direzione delle spirali A, ma separata da esse a ciascuna estremità per circa mezzo pollice di ferro nudo.

La spirale B era collegata con fili di rame a un galvanometro posto a una distanza di tre piedi dal ferro. Bobine separate erano collegate da un capo all'altro in modo da formare una spirale comune, le cui estremità erano collegate a una batteria di dieci paia di piastre di quattro pollici quadrati. Il galvanometro reagì immediatamente, e molto più forte di quanto osservato, come sopra descritto, usando una spirale dieci volte più potente, ma senza ferro; tuttavia, nonostante il mantenimento dei contatti, l'azione è cessata. Quando il contatto con la batteria è stato aperto, la freccia ha nuovamente deviato fortemente, ma in direzione opposta a quella indotta nel primo caso.

Faraday ha ulteriormente studiato l'influenza del ferro per esperienza diretta, introducendo un'asta di ferro all'interno di una bobina cava, in questo caso "la corrente indotta ha avuto un effetto molto forte sul galvanometro". "Un'azione simile è stata poi ottenuta con l'aiuto dell'ordinario magneti". Faraday ha chiamato questa azione induzione magnetoelettrica, supponendo che la natura dell'induzione voltaica e magnetoelettrica sia la stessa.

Tutti gli esperimenti descritti sono il contenuto della prima e della seconda sezione dell'opera classica di Faraday "Experimental Research on Electricity", iniziata il 24 novembre 1831. Nella terza sezione di questa serie "On the New Electrical State of Matter", Faraday for la prima volta cerca di descrivere le nuove proprietà dei corpi manifestate nell'induzione elettromagnetica. Chiama questa proprietà scoperta "stato elettrotonico". Questo è il primo germe dell'idea di campo, che fu poi formato da Faraday e prima formulato proprio da Maxwell. La quarta sezione della prima serie è dedicata alla spiegazione del fenomeno di Arago. Faraday classifica correttamente questo fenomeno come induzione e cerca di "ottenere una nuova fonte di elettricità" con l'aiuto di questo fenomeno. Quando il disco di rame si muoveva tra i poli del magnete, riceveva una corrente nel galvanometro tramite contatti striscianti. È stato il primo Macchina dinamo. Faraday riassume i risultati dei suoi esperimenti con le seguenti parole: "È stato così dimostrato che è possibile creare una corrente di elettricità costante con l'aiuto di un normale magnete". Dai suoi esperimenti sull'induzione in conduttori mobili, Faraday dedusse la relazione tra il polo di un magnete, il conduttore mobile, e la direzione della corrente indotta, cioè "la legge che governa la produzione di elettricità per induzione magnetoelettrica". Come risultato della sua ricerca, Faraday ha scoperto che "la capacità di indurre correnti si manifesta in un cerchio attorno alla risultante magnetica o all'asse della forza esattamente nello stesso modo in cui il magnetismo situato attorno a un cerchio sorge attorno a una corrente elettrica e viene rilevato da essa" *.

* (M. Faraday, Ricerca sperimentale sull'elettricità, vol.I, ed. AN SSSR, 1947, pagina 57.)

In altre parole, attorno al flusso magnetico variabile si forma un vortice. campo elettrico, proprio come un campo magnetico a vortice sorge attorno a una corrente elettrica. Questo fatto fondamentale è stato generalizzato da Maxwell nella forma delle sue due equazioni dell'elettro campo magnetico.

Lo studio dei fenomeni di induzione elettromagnetica, in particolare dell'azione induttiva del campo magnetico terrestre, è dedicato anche alla seconda serie di "Indagini", iniziata il 12 gennaio 1832. La terza serie, iniziata il 10 gennaio 1833, Faraday si dedica a provare l'identità di vari tipi di elettricità: elettrostatica, galvanica, animale, magnetoelettrica (cioè ottenuta per induzione elettromagnetica). Faraday è giunto alla conclusione che l'elettricità ha ricevuto diversi modi, qualitativamente uguale, la differenza di azioni è solo quantitativa. Questo è stato il colpo di grazia al concetto di vari "fluidi" di resina e vetro elettricità, galvanismo, elettricità animale. L'elettricità si è rivelata un'entità singola, ma polare.

Molto importante è la quinta serie delle Indagini di Faraday, iniziata il 18 giugno 1833. Qui Faraday inizia i suoi studi sull'elettrolisi, che lo portano all'istituzione delle famose leggi che portano il suo nome. Questi studi furono continuati nella settima serie, iniziata il 9 gennaio 1834. In quest'ultima serie Faraday propone una nuova terminologia: propone di chiamare i poli che forniscono corrente all'elettrolita elettrodi, chiama l'elettrodo positivo anodo, e il negativo catodo, particelle di materia depositata che vanno all'anodo che chiama anioni, e le particelle che vanno al catodo - cationi. Inoltre, possiede i termini elettrolita per sostanze degradabili, ioni e equivalenti elettrochimici. Tutti questi termini sono saldamente tenuti nella scienza. Faraday trae la conclusione corretta dalle leggi che ha scoperto che si può parlare di alcune quantità assoluta elettricità associata agli atomi della materia ordinaria. "Sebbene non sappiamo nulla di cosa sia un atomo", scrive Faraday, "immaginiamo involontariamente qualche piccola particella che appare alla nostra mente quando ci pensiamo; tuttavia, nella stessa o anche maggiore ignoranza siamo relativi all'elettricità, siamo nemmeno in grado di dire se si tratti di una materia o di materie speciali, o semplicemente del movimento della materia ordinaria, o di un altro tipo di forza o agente; tuttavia, c'è un numero enorme di fatti che ci fanno pensare che gli atomi della materia siano in qualche modo dotati o collegati di forze elettriche, e ad esse devono le loro qualità più notevoli, inclusa la loro affinità chimica l'una con l'altra.

* (M. Faraday, Ricerca sperimentale sull'elettricità, vol.I, ed. AN SSSR, 1947, pagina 335.)

Così, Faraday ha espresso chiaramente l'idea di "elettrificazione" della materia, la struttura atomica dell'elettricità e l'atomo di elettricità, o, come dice Faraday, la "quantità assoluta di elettricità", risulta essere "come determinato nella sua azione, come uno qualsiasi di quelle quantità che, restando in contatto con le particelle di materia, le informano della loro affinità chimica. La carica elettrica elementare, come mostrato ulteriori sviluppi fisica, può infatti essere determinato dalle leggi di Faraday.

La nona serie delle "Indagini" di Faraday fu di grande importanza. Questa serie, iniziata il 18 dicembre 1834, trattava i fenomeni di autoinduzione, extracorrenti di chiusura e di apertura. Faraday sottolinea nel descrivere questi fenomeni che pur avendo delle caratteristiche inerzia, tuttavia, il fenomeno dell'autoinduzione si distingue dall'inerzia meccanica per il fatto che da esse dipendono le forme conduttore. Faraday osserva che "la corrente extra è identica alla ... corrente indotta" * . Di conseguenza, Faraday ha avuto un'idea del significato molto ampio del processo di induzione. Nell'undicesima serie delle sue indagini, iniziata il 30 novembre 1837, afferma: "L'induzione gioca il ruolo più generale in tutto fenomeni elettrici, partecipando apparentemente a ciascuno di essi, e in realtà porta i tratti del primo ed essenziale inizio "**. In particolare, secondo Faraday, qualsiasi processo di addebito è un processo di induzione, pregiudizio cariche opposte: "le sostanze non possono essere caricate in modo assoluto, ma solo relativo, secondo una legge identica all'induzione. Ogni carica è supportata dall'induzione. Tutti i fenomeni voltaggio includere l'inizio delle induzioni" ***. Il significato di queste affermazioni di Faraday è che qualsiasi campo elettrico ("fenomeno di tensione" - nella terminologia di Faraday) è necessariamente accompagnato da un processo di induzione nel mezzo ("spostamento" - in Maxwell terminologia). Questo processo è determinato dalle proprietà del mezzo, la sua "induttanza", nella terminologia di Faraday, o "permettività dielettrica", nella terminologia moderna. L'esperienza di Faraday con un condensatore sferico ha determinato la permittività di un certo numero di sostanze rispetto a aria Questi esperimenti hanno rafforzato Faraday nell'idea del ruolo essenziale del mezzo nei processi elettromagnetici.

* (M. Faraday, Ricerca sperimentale sull'elettricità, vol.I, ed. AN SSSR, 1947, pagina 445.)

** (M. Faraday, Ricerca sperimentale sull'elettricità, vol.I, ed. AN SSSR, 1947, pagina 478.)

*** (M. Faraday, Ricerca sperimentale sull'elettricità, vol.I, ed. AN SSSR, 1947, pagina 487.)

La legge dell'induzione elettromagnetica è stata sviluppata in modo significativo dal fisico russo dell'Accademia di San Pietroburgo Emil Khristianovich Lenz(1804-1865). Il 29 novembre 1833 Lenz riferì all'Accademia delle scienze la sua ricerca "Sulla determinazione della direzione delle correnti galvaniche eccitate dall'induzione elettrodinamica". Lenz ha mostrato che l'induzione magnetoelettrica di Faraday è strettamente correlata alle forze elettromagnetiche di Ampère. "La proposizione per cui il fenomeno magnetoelettrico si riduce a quello elettromagnetico è la seguente: se un conduttore metallico si muove in prossimità di una corrente galvanica o di un magnete, allora in esso viene eccitata una corrente galvanica in una direzione tale che se questo conduttore fosse fermo, la corrente potrebbe farlo muovere nella direzione opposta; si presume che il conduttore a riposo possa muoversi solo nel senso del moto o in senso opposto" * .

* (E. X. Lenz, Opere selezionate, ed. AN SSSR, 1950, pp. 148-149.)

Questo principio di Lenz rivela l'energia dei processi di induzione e ha svolto un ruolo importante nel lavoro di Helmholtz per stabilire la legge di conservazione dell'energia. Lo stesso Lenz derivò dalla sua regola il noto principio in ingegneria elettrica della reversibilità delle macchine elettromagnetiche: se si ruota una bobina tra i poli di un magnete, si genera una corrente; al contrario, se gli viene inviata una corrente, ruoterà. Un motore elettrico può essere trasformato in un generatore e viceversa. Studiando l'azione delle macchine magnetoelettriche, Lenz scopre nel 1847 la reazione dell'armatura.

Nel 1842-1843. Lenz produsse un classico studio "Sulle leggi della generazione di calore per corrente galvanica" (riportato il 2 dicembre 1842, pubblicato nel 1843), che iniziò molto prima degli esperimenti simili di Joule (il messaggio di Joule apparve nell'ottobre 1841) e da lui proseguito nonostante la pubblicazione Joule, "poiché gli esperimenti di quest'ultimo possono incontrare alcune giustificate obiezioni, come è già stato mostrato dal nostro collega, l'Accademico Hess" * . Lenz misura l'intensità della corrente utilizzando una bussola tangente, un dispositivo inventato dal professore di Helsingfort Johann Nerwander (1805-1848), e nella prima parte del suo messaggio studia questo dispositivo. Nella seconda parte de "Il rilascio di calore nei fili", riportato l'11 agosto 1843, arriva alla sua famosa legge:

"
1. Il riscaldamento del filo mediante corrente galvanica è proporzionale alla resistenza del filo.
2. Il riscaldamento del filo da parte di una corrente galvanica è proporzionale al quadrato della corrente utilizzata per il riscaldamento "**.

* (E. X. Lenz, Opere selezionate, ed. AN SSSR, 1950, pagina 361.)

** (E. X. Lenz, Opere selezionate, ed. AN SSSR, 1950, pagina 441.)

La legge di Joule-Lenz ha svolto un ruolo importante nello stabilire la legge di conservazione dell'energia. L'intero sviluppo della scienza dei fenomeni elettrici e magnetici ha portato all'idea dell'unità delle forze della natura, all'idea della conservazione di queste "forze".

Quasi contemporaneamente a Faraday, un fisico americano osservò l'induzione elettromagnetica. Giuseppe Enrico(1797-1878). Henry realizzò un grande elettromagnete (1828) che, alimentato da una cella galvanica a bassa resistenza, sosteneva un carico di 2.000 libbre. Faraday cita questo elettromagnete e indica che con il suo aiuto è possibile ottenere una forte scintilla quando viene aperto.

Henry per la prima volta (1832) osservò il fenomeno dell'autoinduzione e la sua priorità è contrassegnata dal nome dell'unità di autoinduzione "henry".

Nel 1842 fondò Henry carattere oscillatorio scarico di un vaso di Leida. Il sottile ago di vetro con cui indagò questo fenomeno venne magnetizzato con diverse polarità, mentre la direzione della scarica rimase invariata. “La scarica, qualunque sia la sua natura”, conclude Henry, “non è rappresentata (usando la teoria di Franklin. - P.K.) come un unico trasferimento di un fluido senza peso da una lastra all'altra; il fenomeno scoperto ci fa ammettere l'esistenza della scarica principale in una direzione, e poi diversi strani movimenti avanti e indietro, ciascuno più debole dell'ultimo, che continuano fino a raggiungere l'equilibrio.

I fenomeni di induzione diventano il tema principale ricerca fisica. Nel 1845 un fisico tedesco Franz Neumann(1798-1895) diede un'espressione matematica legge dell'induzione, riassumendo la ricerca di Faraday e Lenz.

La forza elettromotrice di induzione è stata espressa da Neumann come la derivata temporale di qualche funzione che induce la corrente e la configurazione reciproca delle correnti interagenti. Neumann chiamò questa funzione potenziale elettrodinamico. Ha anche trovato un'espressione per il coefficiente di induzione reciproca. Nel suo saggio "Sulla conservazione della forza" nel 1847, Helmholtz trae l'espressione di Neumann per la legge dell'induzione elettromagnetica da considerazioni sull'energia. Nello stesso saggio, Helmholtz afferma che la scarica di un condensatore "non è... un semplice movimento di elettricità in una direzione, ma... il suo flusso in una direzione o nell'altra tra due piastre sotto forma di oscillazioni che diventano sempre più piccoli e sempre meno, finché alla fine tutta la forza vivente è distrutta dalla somma delle resistenze.

Nel 1853 William Thomson(1824-1907) diede teoria matematica scarica oscillatoria del condensatore e ha stabilito la dipendenza del periodo di oscillazione dai parametri circuito oscillatorio(formula di Thomson).

Nel 1858 P. Blaserna(1836-1918) eseguì una curva sperimentale di risonanza delle oscillazioni elettriche, studiando l'azione di un circuito di induzione della scarica contenente un banco di condensatori e conduttori di chiusura ad un circuito laterale, con una lunghezza variabile del conduttore indotto. Nello stesso 1858 Guglielmo Feddersen(1832-1918) osservò la scarica di scintille di un vaso di Leida in uno specchio rotante e nel 1862 fotografò l'immagine di una scarica di scintille in uno specchio rotante. Pertanto, la natura oscillatoria della scarica è stata stabilita con completa chiarezza. Allo stesso tempo, la formula di Thomson è stata testata sperimentalmente. Così, passo dopo passo, la dottrina di fluttuazioni elettriche, costituendo la base scientifica dell'ingegneria elettrica delle correnti alternate e dell'ingegneria radiofonica.

2.7. SCOPERTA DEL FENOMENO DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Un grande contributo alla moderna ingegneria elettrica è stato dato dallo scienziato inglese Michael Faraday, i cui lavori, a loro volta, sono stati preparati da precedenti lavori sullo studio dell'elettricità e fenomeni magnetici.

C'è qualcosa di simbolico nel fatto che nell'anno della nascita di M. Faraday (1791) sia stato pubblicato un trattato di Luigi Galvani con la prima descrizione di un nuovo fenomeno fisico - la corrente elettrica, e nell'anno della sua morte (1867) un È stata inventata la "dinamo" - un generatore autoeccitato corrente continua, cioè. una fonte affidabile, economica e di facile utilizzo energia elettrica. La vita del grande scienziato e la sua attività, unica per modalità, contenuto e significato, non solo ha aperto un nuovo capitolo della fisica, ma ha anche giocato un ruolo decisivo nella nascita di nuove branche della tecnologia: l'ingegneria elettrica e radiofonica.

Per più di cento anni, molte generazioni di giovani studenti hanno appreso la storia della straordinaria vita di uno dei più famosi scienziati, membro di 68 società e accademie scientifiche, attraverso lezioni di fisica e da numerosi libri. Di solito il nome di M. Faraday è associato alla scoperta più significativa e quindi più famosa: il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, da lui fatta nel 1831. Ma un anno prima, nel 1830, M. Faraday fu eletto membro onorario per ricerca nel campo della chimica e dell'elettromagnetismo Accademia delle scienze di Pietroburgo, ma fu eletto membro della Royal Society of London (British Academy of Sciences) nel 1824. A partire dal 1816, quando il primo lavoro scientifico M. Faraday, dedito all'analisi chimica della calce toscana, e nel 1831, quando iniziò a essere pubblicato il famoso diario scientifico "Ricerche sperimentali sull'elettricità", M. Faraday pubblicò oltre 60 articoli scientifici.

Grande operosità, sete di conoscenza, intelligenza innata e osservazione hanno permesso a M. Faraday di ottenere risultati eccezionali in tutti quei settori ricerca scientifica affrontato dallo scienziato. Il riconosciuto "re degli sperimentatori" amava ripetere: "L'arte dello sperimentatore è saper porre domande alla natura e comprenderne le risposte".

Ogni studio di M. Faraday si distingueva per tale accuratezza ed era così coerente con i risultati precedenti che quasi non c'erano critiche al suo lavoro tra i suoi contemporanei.

Se escludiamo dalla considerazione gli studi chimici di M. Faraday, che costituirono anche un'epoca nel loro campo (basti ricordare gli esperimenti sui gas liquefatti, la scoperta del benzene, del butilene), allora tutti gli altri suoi lavori, a prima vista talvolta sparpagliati, come tratti sulla tela di un artista, presi insieme, formano un'immagine sorprendente di uno studio completo di due problemi: le interconversioni varie forme contenuto energetico e fisico dell'ambiente.

Riso. 2.11. Schema delle "rotazioni elettromagnetiche" (secondo il disegno di Faraday)

1, 2 - ciotole al mercurio; 3 - magnete mobile; 4 - magnete stazionario; 5, 6 - fili diretti alla batteria delle celle galvaniche; 7 - bacchetta di rame; 8 - conduttore fisso; 9 - conduttore mobile

Il lavoro di M. Faraday nel campo dell'elettricità è stato avviato dallo studio delle cosiddette rotazioni elettromagnetiche. Da una serie di esperimenti di Oersted, Arago, Ampère, Biot, Savart, effettuati nel 1820, si è saputo non solo dell'elettromagnetismo, ma anche della particolarità delle interazioni di corrente e magnete: qui, come già notato, le forze centrali non familiare alla meccanica classica agiva, e le forze sono diverse, sforzandosi di stabilire un ago magnetico perpendicolare al conduttore. M. Faraday ha posto la domanda: il magnete si sforza di un movimento continuo attorno al conduttore tramite lo scarico? L'esperienza ha confermato l'ipotesi. Nel 1821 M. Faraday descrisse un dispositivo fisico, schematicamente mostrato in fig. 2.11. Nel vaso sinistro con mercurio c'era un'asta a magnete permanente incernierata nella parte inferiore. Quando la corrente è attivata parte in alto ruota attorno a un conduttore fisso. Nel vaso di destra, l'asta magnetica era immobile e il conduttore di corrente, sospeso liberamente sulla staffa, scivolò sul mercurio, ruotando attorno al polo del magnete. Poiché in questo esperimento compare per la prima volta un dispositivo magnetoelettrico a movimento continuo, è del tutto legittimo iniziare con questo dispositivo la storia delle macchine elettriche in generale e del motore elettrico in particolare. Prestiamo attenzione anche al contatto con il mercurio, che ha poi trovato applicazione in elettromeccanica.

Fu da questo momento, a quanto pare, che M. Faraday iniziò a formarsi idee sull'"interconvertibilità delle forze" universale. Avendo ottenuto con l'aiuto dell'elettromagnetismo un continuo movimento meccanico, si pone il compito di invertire il fenomeno o, nella terminologia di M. Faraday, di trasformare il magnetismo in elettricità.

Solo l'assoluta convinzione della validità dell'ipotesi di “intercambiabilità” può spiegare la determinazione e la perseveranza, migliaia di esperimenti e 10 anni di duro lavoro spesi per risolvere il problema formulato. Nell'agosto 1831 fu fatto un esperimento decisivo e il 24 novembre, in una riunione della Royal Society, fu presentata l'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Riso. 2.12. Illustrazione dell'esperienza di Arago ("magnetismo di rotazione")

1 - disco non magnetico conduttivo; 2 - base in vetro per il fissaggio dell'asse del disco

Come esempio che caratterizza il corso di pensiero di uno scienziato e la formazione delle sue idee sul campo elettromagnetico, consideriamo lo studio di M. Faraday di un fenomeno che fu poi chiamato "magnetismo di rotazione". Molti anni prima dell'opera di M. Faraday, i navigatori notarono l'effetto inibitorio del corpo in rame della bussola sulle oscillazioni dell'ago magnetico. Nel 1824 D.F. Arago (vedi § 2.5) ha descritto il fenomeno del "magnetismo rotazionale", che né lui né altri fisici potevano spiegare in modo soddisfacente. L'essenza del fenomeno era la seguente (Fig. 2.12). Il magnete a forma di ferro di cavallo poteva ruotare attorno ad un asse verticale e sopra i suoi poli c'era un disco di alluminio o rame, che poteva anche ruotare su un asse il cui senso di rotazione coincideva con il senso di rotazione dell'asse del magnete. A riposo, non sono state osservate interazioni tra il disco e il magnete. Ma non appena il magnete ha iniziato a ruotare, il disco si è precipitato dietro di esso e viceversa. Per escludere la possibilità di trascinamento del disco da parte di correnti d'aria, il magnete e il disco sono stati separati da un vetro.

La scoperta dell'induzione elettromagnetica ha aiutato M. Faraday a spiegare il fenomeno di D.F. Arago, e già all'inizio dello studio, scrive: "Speravo di fare una nuova fonte di elettricità dall'esperienza del signor Arago".

Quasi contemporaneamente a M. Faraday, l'eccezionale fisico americano Joseph Henry (1797–1878) osservò l'induzione elettromagnetica. Non è difficile immaginare i sentimenti dello scienziato, futuro presidente dell'American National Academy of Sciences, quando stava per pubblicare le sue osservazioni e venne a conoscenza della pubblicazione di M. Faraday. Un anno dopo, D. Henry scoprì il fenomeno dell'autoinduzione e delle correnti extra e stabilì anche la dipendenza dell'induttanza del circuito dalle proprietà del materiale e dalla configurazione dei nuclei della bobina. Nel 1838 D. Henry studiò "correnti di ordine superiore", cioè correnti indotte da altre correnti indotte. Nel 1842, la continuazione di questi studi portò D. Henry alla scoperta della natura oscillatoria della scarica di un condensatore (più tardi, nel 1847, questa scoperta fu ripetuta dall'eccezionale fisico tedesco Hermann Helmholtz) (1821–1894).

Passiamo ai principali esperimenti di M. Faraday. La prima serie di esperimenti si è conclusa con un esperimento che ha dimostrato il fenomeno dell'induzione "volta-elettrica" ​​(nella terminologia di M. Faraday) (Fig. 2.13, un- G). Avendo rilevato la presenza di corrente nel circuito secondario 2 quando si chiude o si apre il primario 1 o durante il movimento reciproco dei circuiti primario e secondario (Fig. 2.13, in), M. Faraday ha avviato un esperimento per chiarire le proprietà della corrente indotta: all'interno della spirale b, compreso nel circuito secondario, è stato posizionato un ago d'acciaio 7 (Fig. 2.13, b) che è stato magnetizzato da una corrente indotta. Il risultato ha mostrato che la corrente indotta è simile alla corrente ricevuta direttamente da una batteria galvanica. 3.

Riso. 2.13. Schemi dei principali esperimenti che hanno portato alla scoperta dell'induzione elettromagnetica

Sostituzione di un tamburo di legno o cartone 4, su cui erano avvolti gli avvolgimenti primario e secondario, con un anello di acciaio (Fig. 2.13, d), M. Faraday ha scoperto una deviazione più intensa dell'ago del galvanometro 5. Questa esperienza ha indicato il ruolo essenziale del mezzo nei processi elettromagnetici. Qui M. Faraday utilizza per la prima volta un dispositivo che può essere definito un prototipo di trasformatore.

La seconda serie di esperimenti ha illustrato il fenomeno dell'induzione elettromagnetica che si manifesta in assenza di una sorgente di tensione nel circuito primario. Basandosi sul fatto che la bobina percorsa dalla corrente è identica al magnete, M. Faraday ha sostituito la sorgente di tensione con due magneti permanenti (Fig. 2.13, e) e osservato la corrente nell'avvolgimento secondario durante la chiusura e l'apertura del circuito magnetico. Chiamò questo fenomeno "induzione magnetoelettrica"; in seguito ha osservato che non esiste alcuna differenza fondamentale tra induzione "volta-elettrica" ​​e "magnetoelettrica". Successivamente, entrambi questi fenomeni sono stati combinati dal termine "induzione elettromagnetica". Negli esperimenti finali (Fig. 2.13, per esempio) la comparsa di una corrente indotta è stata dimostrata quando un magnete permanente o una bobina che trasporta corrente si muove all'interno del solenoide. Fu questo esperimento a dimostrare più chiaramente di altri la possibilità di convertire il "magnetismo in elettricità" o, più precisamente, l'energia meccanica in energia elettrica.

Sulla base di nuove idee, M. Faraday ha spiegato il lato fisico dell'esperimento con il disco di D.F. Arago. In breve, il suo ragionamento può essere riassunto come segue. Un disco di alluminio (o qualsiasi altro disco conduttivo ma non magnetico) può essere pensato come una ruota con infinito un largo numero raggi - conduttori radiali. Con il movimento relativo del magnete e del disco, questi raggi conduttori "tagliano le curve magnetiche" (termine di Faraday) e nei conduttori si verifica una corrente indotta. L'interazione della corrente con un magnete era già nota. Nell'interpretazione di M. Faraday, la terminologia e il metodo di spiegazione del fenomeno attirano l'attenzione. Per determinare la direzione della corrente indotta, introduce la regola di un coltello che taglia le linee di forza. Questa non è ancora la legge di E.H. Lenz, che si caratterizza per l'universalità delle caratteristiche del fenomeno, ma solo tenta ogni volta descrizioni dettagliate impostare se la corrente fluirà dall'impugnatura alla punta della lama o viceversa. Ma qui il quadro fondamentale è importante: M. Faraday, in contrasto con i sostenitori della teoria dell'azione a lungo raggio, riempie lo spazio in cui agiscono varie forze con l'ambiente materiale, l'etere, sviluppando la teoria eterea di L. Euler , che, a sua volta, è influenzato dalle idee di M.V. Lomonosov.

M. Faraday ha impartito la realtà fisica al magnetico, quindi nello studio dei dielettrici e delle linee di forza elettriche, gli ha dotato la proprietà dell'elasticità e ha trovato spiegazioni molto plausibili per le più diverse fenomeni elettromagnetici, usando l'idea di queste linee elastiche, simili a fili di gomma.

È passato più di un secolo e mezzo e non ne abbiamo ancora trovato di più modo visivo e schemi per spiegare i fenomeni associati all'induzione e alle azioni elettromeccaniche rispetto al famoso concetto di linee di Faraday, che ancora oggi ci sembrano materialmente percepibili.

Da D.F. Arago M. Faraday ha davvero realizzato una nuova fonte di elettricità. Dopo aver fatto ruotare un disco di alluminio o di rame tra i poli di un magnete, M. Faraday ha posizionato delle spazzole sull'asse del disco e sulla sua periferia.

Fu così progettata una macchina elettrica, che in seguito ricevette il nome di un generatore unipolare.

Analizzando le opere di M. Faraday, si manifesta chiaramente l'idea generale, che è stata sviluppata dal grande scienziato durante la sua vita creativa. Leggendo M. Faraday, è difficile liberarsi dell'impressione che abbia affrontato un solo problema delle interconversioni di varie forme di energia, e tutte le sue scoperte sono state fatte casualmente e sono servite solo a illustrare l'idea principale. Esplora diversi tipi elettrica (animale, galvanica, magnetica, termoelettrica) e, dimostrando la loro identità qualitativa, scopre la legge dell'elettrolisi. Allo stesso tempo, l'elettrolisi, come il tremore dei muscoli di una rana sezionata, inizialmente servì solo a provare che tutti i tipi di elettricità si manifestano nelle stesse azioni.

Gli studi sull'elettricità statica e sul fenomeno dell'induzione elettrostatica hanno portato M. Faraday alla formazione di idee sui dielettrici, alla rottura definitiva con la teoria dell'azione a lungo raggio, a notevoli studi sulla scarica nei gas (la scoperta dello spazio oscuro di Faraday ). Ulteriori studi sull'interazione e interconversione delle forze lo hanno portato alla scoperta della rotazione magnetica del piano di polarizzazione della luce, alla scoperta del diamagnetismo e del paramagnetismo. La convinzione nell'universalità delle trasformazioni reciproche ha portato M. Faraday anche a dedicarsi allo studio del rapporto tra magnetismo ed elettricità, da un lato, e gravità, dall'altro. È vero, gli arguti esperimenti di Faraday non hanno dato un risultato positivo, ma questo non ha scosso la sua fiducia nell'esistenza di una connessione tra questi fenomeni.

Ai biografi di M. Faraday piace sottolineare il fatto che M. Faraday ha evitato di usare la matematica, che non c'è una sola formula matematica in molte centinaia di pagine della sua "Ricerca sperimentale sull'elettricità". A questo proposito è opportuno citare l'affermazione del connazionale di M. Faraday, il grande fisico James Clark Maxwell (1831–1879): simboli matematici. Ho anche scoperto che questo metodo può essere espresso nella solita forma matematica e quindi confrontato con i metodi dei matematici professionisti.

La "matematica" del pensiero di Faraday può essere illustrata dalle sue leggi dell'elettrolisi o, ad esempio, dalla formulazione della legge dell'induzione elettromagnetica: la quantità di elettricità messa in moto è direttamente proporzionale al numero di linee di forza. Basta immaginare l'ultima formulazione sotto forma di simboli matematici, e otteniamo subito una formula da cui segue molto rapidamente il famoso d?/dt, dove? - collegamento del flusso magnetico.

DK Maxwell, che è nato nell'anno della scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, ha valutato molto modestamente i suoi meriti alla scienza, sottolineando che ha sviluppato e vestito solo in forma matematica le idee di M. Faraday. La teoria di Maxwell del campo elettromagnetico è stata apprezzata dagli scienziati fine XIX e l'inizio del 20 ° secolo, quando l'ingegneria radiofonica iniziò a svilupparsi sulla base delle idee di Faraday - Maxwell.

Per caratterizzare la lungimiranza di M. Faraday, la sua capacità di addentrarsi nelle profondità dei fenomeni fisici più complessi, è importante qui ricordare che già nel 1832 il geniale scienziato si azzardò a suggerire che i processi elettromagnetici sono di natura ondulatoria e magnetica le oscillazioni e l'induzione elettrica si propagano a velocità finita.

Alla fine del 1938 fu trovata negli archivi della Royal Society di Londra una lettera sigillata di M. Faraday, datata 12 marzo 1832. Rimase nell'oscurità per più di 100 anni e conteneva le seguenti righe:

“Alcuni risultati di una ricerca... mi hanno portato alla conclusione che ci vuole tempo per la propagazione dell'effetto magnetico, ad es. quando un magnete agisce su un altro magnete o pezzo di ferro lontano, la causa influente (che mi permetterò di chiamare magnetismo) si diffonde gradualmente dai corpi magnetici e richiede un certo tempo per la sua propagazione, che, ovviamente, risulterà molto insignificante.

Credo anche che l'induzione elettrica si propaghi esattamente allo stesso modo. Credo che la propagazione delle forze magnetiche dal polo magnetico sia simile alle vibrazioni di una superficie d'acqua agitata, o alle vibrazioni sonore delle particelle d'aria, ad es. Intendo applicare la teoria delle vibrazioni ai fenomeni magnetici, come si fa al suono, ed è la spiegazione più probabile dei fenomeni luminosi.

Per analogia, ritengo possibile applicare la teoria delle oscillazioni alla propagazione dell'induzione elettrica. Voglio testare sperimentalmente queste opinioni, ma poiché il mio tempo è impegnato nell'adempimento di doveri ufficiali, il che potrebbe causare un'estensione degli esperimenti ... voglio, trasferendo questa lettera per custodia alla Royal Society, per garantire la scoperta per me entro una certa data…”.

Poiché queste idee di M. Faraday sono rimaste sconosciute, non c'è motivo di rifiutare il suo grande connazionale D.K. Maxwell nella scoperta di queste stesse idee, alle quali diede una rigida forma fisica e matematica e un significato fondamentale.

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3.5. SCOPERTA DI UN CAMPO MAGNETICO ROTANTE E REALIZZAZIONE DI MOTORI ELETTRICI ASINCRONI

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CAPITOLO 5 La scoperta dell'elettromagnetismo e la creazione di varie macchine elettriche che segnarono l'inizio dell'elettrificazione La scoperta dell'effetto del "conflitto elettrico" sull'ago magnetico latino piccolo opuscolo

Induzione elettromagnetica- il fenomeno del verificarsi di una corrente elettrica in un circuito chiuso con una variazione del flusso magnetico che lo attraversa. L'induzione elettromagnetica fu scoperta da Michael Faraday il 29 agosto 1831. Ha scoperto che la forza elettromotrice (EMF) che si verifica in un circuito conduttore chiuso è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo circuito. L'entità della forza elettromotrice non dipende da ciò che provoca il cambiamento nel flusso: un cambiamento nel campo magnetico stesso o il movimento di un circuito (o parte di esso) in un campo magnetico. La corrente elettrica causata da questo EMF è chiamata corrente di induzione.

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  Secondo la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica (in SI):

  E = - d Φ B d t (\ displaystyle (\ mathcal (E)) = - ((d \ Phi _ (B)) \ su dt))- forza elettromotrice che agisce lungo un contorno scelto arbitrariamente, = ∬ S B → ⋅ d S → , (\ displaystyle =\ iint \ limiti _ (S) (\ vec (B)) \ cdot d (\ vec (S)))- flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo contorno.

  Il segno meno nella formula riflette La regola di Lenz, dal nome del fisico russo E. Kh. Lenz:

  La corrente di induzione che si verifica in un circuito conduttore chiuso ha una direzione tale che il campo magnetico che crea contrasta la variazione del flusso magnetico che ha causato questa corrente.

  Per una bobina in un campo magnetico alternato, la legge di Faraday può essere scritta come segue:

  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)})- forza elettromotiva, N (\ displaystyle N)- numero di giri, Φ B (\ displaystyle \ Phi _ (B))- flusso magnetico attraverso un giro, Ψ (\ displaystyle \ psi )- Collegamento del flusso della bobina.

  forma vettoriale

  In forma differenziale, la legge di Faraday può essere scritta come segue:

  rot E → = - ∂ B → ∂ t (\ displaystyle \ operatorname (rot) \, (\ vec (E)) =-(\ parziale (\ vec (B)) \ over \ parziale t))(nel sistema SI) rot E → = - 1 c ∂ B → ∂ t (\displaystyle \operatorname (rot) \,(\vec (E))=-(1 \over c)(\partial (\vec (B)) \over \ parziale t))(nel sistema GHS).

  In forma integrale (equivalente):

  ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = - ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → (\ displaystyle \ oint _(\ parziale S) (\ vec (E)) \ cdot (\ vec (dl)) =-( \parziale \over \parziale t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(SI) ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = - 1 c ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → (\ displaystyle \ oint _ (\ parziale S) (\ vec (E)) \ cdot (\ vec (dl)) = -(1 \over c)(\partial \over \partial t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(GHS)

  Qui E → (\ displaystyle (\ vec (E)))- intensità campo elettrico , B → (\ displaystyle (\ vec (B)))- induzione magnetica, S (\ displaystyle S \ )- una superficie arbitraria, - il suo confine. Contorno di integrazione ∂ S (\ displaystyle \ parziale S) si presume fisso (immobile).

  Va notato che la legge di Faraday in questa forma, ovviamente, descrive solo quella parte dell'EMF che si verifica quando il flusso magnetico attraverso il circuito cambia a causa della variazione del campo stesso nel tempo senza modificare (spostare) i confini del circuito (vedi sotto per tener conto di quest'ultimo).

  Se, ad esempio, il campo magnetico è costante e il flusso magnetico cambia a causa del movimento dei confini del contorno (ad esempio, con un aumento della sua area), l'EMF emergente è generato da forze che trattengono le cariche sul circuito (nel conduttore) e la forza di Lorentz generata dall'azione diretta del campo magnetico su cariche in movimento (con contorno). Allo stesso tempo, l'uguaglianza E = - d Φ / d t (\ displaystyle (\ mathcal (E)) = - ((d \ Phi )/dt)) continua ad essere osservato, ma l'EMF sul lato sinistro non è più ridotto a ∮ ⁡ E → ⋅ d l → (\ displaystyle \ oint (\ vec (E)) \ cdot (\ vec (dl)))(che in questo particolare esempio è generalmente uguale a zero). Nel caso generale (quando il campo magnetico cambia nel tempo e il circuito si muove o cambia forma), vale anche l'ultima formula, ma l'EMF sul lato sinistro in questo caso è la somma di entrambi i termini sopra menzionati (cioè, è generato in parte dal campo elettrico del vortice, e in parte dalla forza di Lorentz e dalla forza di reazione del conduttore in movimento).

  Forma potenziale

  Quando si esprime il campo magnetico in termini di potenziale vettore, la legge di Faraday assume la forma:

  E → = - ∂ UN → ∂ t (\ displaystyle (\ vec (E)) =-(\ parziale (\ vec (LA)) \ su \ parziale t))(in assenza di un campo irrotazionale, cioè quando il campo elettrico è generato completamente solo da una variazione dell'induzione magnetica, cioè elettromagnetica).

  Nel caso generale, tenendo conto del campo irrotazionale (ad esempio elettrostatico), abbiamo:

  E → = - ∇ φ - ∂ UN → ∂ t (\ displaystyle (\ vec (E)) = - \ nabla \ varphi -(\ parziale (\ vec (A)) \ su \ parziale t))

  Di più

  Poiché il vettore di induzione magnetica, per definizione, è espresso in termini di potenziale vettore come segue:

  B → = r o t UN → ≡ ∇ × A → , (\ displaystyle (\ vec (B)) = marciume \ (\ vec (A)) \ equiv \ nabla \ times (\ vec (A)),)

  quindi puoi sostituire questa espressione in

  r o t E → ≡ ∇ × E → = - ∂ B → ∂ t , (\ displaystyle rot \ (\ vec (E)) \ equiv \ nabla \ times (\ vec (E)) =-(\ frac (\ parziale ( \vec (B)))(\parziale t)),) ∇ × E → = - ∂ (∇ × UN →) ∂ t , (\ displaystyle \ nabla \ times (\ vec (E)) =-(\ frac (\ parziale (\ nabla \ times (\ vec (A)) ))(\parziale t)),)

  e, scambiando la differenziazione in coordinate temporali e spaziali (rotore):

  ∇ × E → = − ∇ × ∂ UN → ∂ t . (\ displaystyle \ nabla \ times (\ vec (E)) =-\ nabla \ times (\ frac (\ parziale (\ vec (A))) (\ parziale t)).)

  Quindi, perché ∇ × E → (\ displaystyle \ nabla \ times (\ vec (E)))è completamente determinato dal lato destro dell'ultima equazione, è chiaro che la parte vorticosa del campo elettrico (la parte che ha un rotore, in contrasto con il campo irrotazionale ∇ φ (\ displaystyle \ nabla \ varphi )) è completamente determinato dall'espressione

  − ∂ UN → ∂ t . (\ displaystyle -(\ frac (\ parziale (\ vec (A))) (\ parziale t)).)

  Quelli. in assenza di una parte priva di vortici, possiamo scrivere

  E → = - ∂ UN → ∂ t , (\ displaystyle (\ vec (E)) =-(\ frac (\ parziale (\ vec (A))) (\ parziale t)})

  ma in generale

  E → = − ∇ φ − d UN → d t . (\ displaystyle (\ vec (E)) = - \ nabla \ varphi -(\ frac (d (\ vec (A))) (dt)).) Il 1831 trionfa: scopre il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La configurazione su cui Faraday fece la sua scoperta era che Faraday realizzava un anello di ferro dolce largo circa 2 cm e largo 20 cm e avvolgeva molti giri di filo di rame attorno a ciascuna metà dell'anello. Il circuito di un avvolgimento era chiuso da un filo, nelle sue spire c'era un ago magnetico, rimosso in modo che l'effetto del magnetismo creato nell'anello non influisse. Una corrente è stata fatta passare attraverso il secondo avvolgimento da una batteria di celle galvaniche. Quando la corrente è stata attivata, l'ago magnetico ha fatto diverse oscillazioni e si è calmato; quando la corrente veniva interrotta, l'ago oscillava di nuovo. Si è scoperto che la freccia deviava in una direzione quando la corrente veniva attivata e nell'altra quando la corrente veniva interrotta. M. Faraday ha scoperto che è possibile "trasformare il magnetismo in elettricità" con l'aiuto di un normale magnete.

  Allo stesso tempo, anche il fisico americano Joseph Henry condusse con successo esperimenti sull'induzione di correnti, ma mentre stava per pubblicare i risultati dei suoi esperimenti, apparve sulla stampa il messaggio di M. Faraday sulla sua scoperta dell'induzione elettromagnetica.

  M. Faraday ha cercato di utilizzare il fenomeno da lui scoperto per ottenere una nuova fonte di elettricità.

  
  Nel 1821, Michael Faraday scrisse nel suo diario: "Trasforma il magnetismo in elettricità". Dopo 10 anni, questo problema è stato risolto da lui.
  La scoperta di Faraday
  Non è un caso che il primo e più importante passo nella scoperta di nuove proprietà delle interazioni elettromagnetiche sia stato compiuto dal fondatore delle idee sul campo elettromagnetico - Faraday. Faraday era fiducioso nella natura unificata dei fenomeni elettrici e magnetici. Poco dopo la scoperta di Oersted, scrisse: “... sembra molto insolito che, da un lato, qualsiasi corrente elettrica sia accompagnata da un'azione magnetica di intensità appropriata, diretta ad angolo retto rispetto alla corrente, e che allo stesso tempo in buoni conduttori di elettricità posti nella sfera di questa azione, non è stata indotta alcuna corrente, non si è verificata alcuna azione apprezzabile, equivalente in forza a tale corrente. Il duro lavoro per dieci anni e la fiducia nel successo hanno portato Faraday alla scoperta, che in seguito ha costituito la base per la progettazione dei generatori di tutte le centrali elettriche del mondo, convertendo l'energia meccanica in energia elettrica. (Fonti che operano su altri principi: celle galvaniche, batterie, termocellule e fotocellule - forniscono una frazione insignificante dell'energia elettrica generata.)
  Per molto tempo non è stato possibile rilevare la relazione tra fenomeni elettrici e magnetici. Era difficile pensare al punto principale: solo un campo magnetico variabile nel tempo può eccitare una corrente elettrica in una bobina fissa, oppure la bobina stessa deve muoversi in un campo magnetico.
  La scoperta dell'induzione elettromagnetica, come Faraday chiamò questo fenomeno, fu fatta il 29 agosto 1831. Raro caso in cui la data di una nuova notevole scoperta è nota con tanta precisione Ecco una breve descrizione della prima esperienza data dallo stesso Faraday.
  “Un filo di rame lungo 203 piedi era avvolto su un'ampia bobina di legno, e tra le spire era avvolto un filo della stessa lunghezza, ma isolato dal primo filo di cotone. Una di queste spirali era collegata a un galvanometro e l'altra a una potente batteria, composta da 100 paia di piastre ... Quando il circuito era chiuso, era possibile notare un effetto improvviso, ma estremamente debole sul galvanometro, e lo stesso si è notato quando la corrente si è interrotta. Con il continuo passaggio di corrente attraverso una delle spirali, non è stato possibile notare né l'effetto sul galvanometro, né in generale alcun effetto induttivo sull'altra spirale, nonostante ciò. 5.1
  sostenendo che il riscaldamento dell'intera bobina collegata alla batteria e la luminosità della scintilla che saltava tra i carboni testimoniavano la potenza della batteria.
  Quindi, inizialmente, l'induzione è stata scoperta in conduttori che erano immobili l'uno rispetto all'altro durante la chiusura e l'apertura del circuito. Quindi, comprendendo chiaramente che l'avvicinamento o la rimozione dei conduttori con la corrente dovrebbe portare allo stesso risultato della chiusura e dell'apertura del circuito, Faraday ha dimostrato attraverso esperimenti che la corrente si forma quando le bobine si muovono l'una rispetto all'altra (Fig. 5.1). Familiare con le opere di Ampère, Faraday capì che un magnete è un insieme di piccole correnti che circolano nelle molecole. Il 17 ottobre, come registrato nel suo diario di laboratorio, è stata rilevata una corrente di induzione nella bobina durante la spinta (o l'estrazione) del magnete (Fig. 5.2). Nel giro di un mese Faraday scoprì sperimentalmente tutte le caratteristiche essenziali del fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Non restava che dare alla legge una forma quantitativa rigorosa e rivelare pienamente la natura fisica del fenomeno.
  Lo stesso Faraday ha già colto la cosa comune che determina la comparsa di una corrente di induzione in esperimenti che hanno un aspetto diverso all'esterno.
  In un circuito conduttore chiuso, si forma una corrente quando cambia il numero di linee di induzione magnetica che penetrano nella superficie delimitata da questo circuito. E più velocemente cambia il numero di linee di induzione magnetica, maggiore è la corrente risultante. In questo caso, il motivo della variazione del numero di linee di induzione magnetica è completamente indifferente. Questo può essere un cambiamento nel numero di linee di induzione magnetica che penetrano in un conduttore fisso a causa di una variazione della forza di corrente in una bobina adiacente e una variazione nel numero di linee a causa del movimento del circuito in un campo magnetico disomogeneo , la cui densità di linee varia nello spazio (Fig. 5.3).
  Faraday non solo scoprì il fenomeno, ma fu anche il primo a costruire un modello imperfetto ma imperfetto di un generatore di corrente elettrica che converte l'energia meccanica di rotazione in corrente. Era un enorme disco di rame che ruotava tra i poli. forte magnete(Fig. 5.4). Attaccando l'asse e il bordo del disco al galvanometro, Faraday scoprì una deviazione
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  S La corrente era però debole, ma il principio ritrovato in seguito permetteva di costruire potenti generatori. Senza di loro, l'elettricità sarebbe ancora un lusso che poche persone possono permettersi.
  In un circuito chiuso conduttivo, si genera una corrente elettrica se il circuito si trova in un campo magnetico alternato o si muove in un campo costante nel tempo in modo che il numero di linee di induzione magnetica che penetrano nel circuito cambi. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica.

  Il libro di testo di fisica per il grado IX offre una breve escursione nella storia della scoperta della legge in questione. La revisione dovrebbe essere integrata. Stiamo parlando di una legge fondamentale della natura, e devi rivelarne tutti gli aspetti nel processo di divenire. La storia del processo di ricerca della legge di Faraday è particolarmente istruttiva e non c'è bisogno di perdere tempo qui.
  Michael Faraday nacque nel 1791 nelle vicinanze di Londra nella famiglia di un fabbro. Suo padre non aveva i mezzi per pagarsi gli studi e all'età di 13 anni Faraday fu costretto a iniziare a studiare legatoria. Fortunatamente, è stato apprendista presso un proprietario di una libreria. Un ragazzo curioso che legge avidamente e letteratura non facile. Era attratto dagli articoli su Scienze naturali nell'Encyclopædia Britannica, studiò i Discorsi di Marte sulla chimica. Nel 1811 Faraday iniziò a frequentare lezioni pubbliche di fisica tenute dal noto educatore londinese Tatum.
  La svolta nella vita di Faraday fu il 1812. Un cliente del proprietario della libreria, membro del Royal Institute, Dance raccomandò al giovane di ascoltare le lezioni del famoso chimico Gamfrn Davy. Seguì Faraday buon Consiglio; ascoltava avidamente e prendeva appunti attenti. Su consiglio della stessa Dance, ha elaborato gli appunti e li ha inviati a Davy, aggiungendo una richiesta per un'opportunità per un lavoro di ricerca. Nel 1813, Faraday ricevette un lavoro come assistente di laboratorio nel laboratorio chimico del Royal Institute, guidato da Davy.
  All'inizio, Faraday è un chimico. Prende rapidamente la strada della creatività indipendente e l'orgoglio di Devi spesso deve risentire del successo dello studente. Nel 1820 Faraday venne a conoscenza della scoperta di Oersted e da allora i suoi pensieri hanno assorbito elettricità e magnetismo. Inizia la sua famosa ricerca sperimentale, che ha portato alla trasformazione del pensiero fisico. Nel 1823 Faraday fu eletto membro della Royal Society of London, e poi nominato direttore dei laboratori fisici e chimici del Royal Institute. Le più grandi scoperte sono state fatte all'interno delle mura di questi laboratori. La vita di Faraday, esteriormente monotona, colpisce nella sua tensione creativa. Lo dimostra l'opera in tre volumi "Experimental Research on Electricity", che riflette passo dopo passo il percorso creativo di un genio.
  Nel 1820 Faraday pose un problema fondamentalmente nuovo: "trasformare il magnetismo in elettricità". Questo è stato poco dopo l'apertura. azione magnetica correnti. Nell'esperimento di Oersted, una corrente elettrica agisce su un magnete. Poiché, secondo Faraday, tutte le forze della natura sono interconvertibili, è possibile, al contrario, eccitare una corrente elettrica mediante forza magnetica.
  Faraday liquefa i gas, effettua analisi chimiche fini, scopre nuove proprietà chimiche delle sostanze. Ma la sua mente è incessantemente occupata dal problema posto. Nel 1822 descrive un tentativo di rilevare uno "stato" dovuto al flusso di corrente: "polarizzare un raggio di luce di una lampada per riflessione e cercare di scoprire se l'acqua situata tra i poli di una batteria volt in un recipiente di vetro avere un effetto depolarizzante..." Faraday sperava così di ottenere alcune informazioni sulle proprietà della corrente. Ma l'esperienza non ha dato nulla. Poi arriva il 1825. Faraday pubblica l'articolo "Corrente elettromagnetica (sotto l'influenza di un magnete)", in cui esprime il seguente pensiero. Se la corrente agisce sul magnete, allora deve sperimentare una reazione. "Per vari motivi", scrive Faraday, "si presumeva che l'avvicinarsi del polo di un forte magnete avrebbe ridotto la corrente elettrica". E descrive un'esperienza che realizza questa idea.
  Un diario datato 28 novembre 1825 descrive un'esperienza simile. La batteria di celle galvaniche era collegata da un filo. Parallelo a questo filo ce n'era un altro (i fili erano separati da un doppio strato di carta), le cui estremità erano collegate a un galvanometro. Faraday sembrava ragionare così. Se la corrente è il movimento di un fluido elettrico e questo movimento agisce su un magnete permanente - un insieme di correnti (secondo l'ipotesi di Ampère), allora il fluido in movimento in un conduttore dovrebbe far muovere quello immobile nell'altro e il galvanometro dovrebbe riparare la corrente. Le "varie considerazioni" di cui scriveva Faraday presentando il primo esperimento si riducevano alla stessa cosa, solo che lì ci si aspettava la reazione di un fluido elettrico che si muove in un conduttore dalle correnti molecolari di un magnete permanente. Ma gli esperimenti hanno dato esito negativo.
  La soluzione arrivò nel 1831, quando Faraday suggerì che l'induzione dovesse avvenire con un processo non stazionario. Questa è stata l'idea chiave che ha portato alla scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica.
  È possibile che un messaggio ricevuto dall'America lo abbia costretto a rivolgersi all'idea di cambiare la corrente. La notizia venne dal fisico americano Joseph Henry (1797 - 1878).
  Nella sua giovinezza, Henry non ha mostrato né abilità eccezionali né interesse per la scienza. È cresciuto in povertà, era un bracciante, un attore. Proprio come Faraday, educa se stesso. Ha iniziato a studiare all'età di 16 anni presso l'Accademia di Albany. In sette mesi acquisì così tante conoscenze che trovò lavoro come insegnante in una scuola rurale. Henry ha poi lavorato per il professore di chimica Beck come assistente di lezione. Ha combinato il lavoro con gli studi presso l'Accademia. Dopo aver completato il corso, Henry fu nominato ingegnere e ispettore del Canale Erie. Pochi mesi dopo, lasciò questa posizione redditizia, accettando un invito al posto di professore di matematica e fisica ad Albany. In questo momento, l'inventore inglese William Sturgeon (1783 - 1850) riferì della sua invenzione di un magnete a ferro di cavallo in grado di sollevare un corpo d'acciaio che pesava fino a quattro chilogrammi.
  Henry si interessò all'elettromagnetismo. Ha subito trovato un modo per aumentare la portanza a una tonnellata. Ciò è stato ottenuto con una nuova tecnica in quel momento: invece di isolare il corpo del magnete, il filo è stato isolato. È stato scoperto un modo per creare avvolgimenti multistrato. Già nel 1831, Henry mostrò la possibilità di costruire un motore elettrico, inventò un relè elettromagnetico e con il suo aiuto dimostrò la trasmissione di segnali elettrici a distanza, anticipando l'invenzione di Morse (il telegrafo di Morse apparve nel 1837).
  Come Faraday, Henry si è dato il compito di ottenere una corrente elettrica usando un magnete. Ma questa era l'affermazione del problema dell'inventore. E la ricerca è stata guidata dalla nuda intuizione. La scoperta è avvenuta pochi anni prima degli esperimenti di Faraday. L'impostazione dell'esperimento chiave di Henry è mostrata nella Figura 9. Qui tutto è uguale a come è stato mostrato finora. Solo noi preferiamo un accumulatore più conveniente a una cella galvanica e invece dei bilanci di torsione utilizziamo un galvanometro.
  Ma Henry non parlò a nessuno di questa esperienza. «Avrei dovuto stamparlo prima», disse contrito ai suoi amici, «ma avevo così poco tempo! Volevo portare i risultati in una specie di sistema”.(sottolinea il mio.- A. D.). E la mancanza di un'istruzione regolare e anche di più - lo spirito utilitaristico-inventivo della scienza americana ha giocato un brutto ruolo. Henry, ovviamente, non capiva e non sentiva la profondità e l'importanza della nuova scoperta. Altrimenti, ovviamente, ne informerebbe il mondo scientifico il fatto più grande. Mantenendo il silenzio sugli esperimenti di induzione, Henry ha immediatamente inviato un messaggio quando è riuscito a sollevare un'intera tonnellata con un elettromagnete.
  Questo è il messaggio ricevuto da Faraday. Forse è servito come l'ultimo anello della catena di inferenze che ha portato all'idea chiave. Nell'esperimento del 1825, due fili furono separati con la carta. Avrebbe dovuto esserci un'induzione, ma non è stata rilevata a causa della debolezza dell'effetto. Henry ha mostrato che in un elettromagnete l'effetto è notevolmente migliorato dall'uso di un avvolgimento multistrato. Pertanto, l'induzione deve aumentare se l'azione induttiva viene trasmessa su una grande lunghezza. In effetti, un magnete è un insieme di correnti. L'eccitazione della magnetizzazione in un'asta d'acciaio quando una corrente viene fatta passare attraverso l'avvolgimento è l'induzione della corrente da parte della corrente. Aumenta se il percorso della corrente attraverso l'avvolgimento si allunga.
  Tale è la possibile catena delle conclusioni logiche di Faraday. Qui Descrizione completa prima esperienza di successo: “Duecentotre piedi di filo di rame in un unico pezzo sono stati avvolti su un grande tamburo di legno; altri duecentotre piedi dello stesso filo furono posti a spirale tra le spire del primo avvolgimento, il contatto metallico dappertutto essendo tolto per mezzo di una corda. Una di queste bobine era collegata a un galvanometro e l'altra a una batteria ben carica di cento paia di piastre quadrate da quattro pollici con doppie piastre di rame. Quando il contatto è stato chiuso, si è verificata un'azione improvvisa ma molto debole sul galvanometro e un'azione debole simile si è verificata quando è stato aperto il contatto con la batteria.
  Questa è stata la prima esperienza che ha dato risultato positivo dopo dieci anni di ricerche. Faraday stabilisce che durante la chiusura e l'apertura si creano correnti di induzione di direzioni opposte. Quindi procede allo studio dell'effetto del ferro sull'induzione.
  “Un anello è stato saldato da una barra tonda, ferro dolce; lo spessore del metallo era di sette o otto pollici e il diametro esterno dell'anello era di sei pollici. Su una parte di questo anello erano avvolte tre spire, ciascuna contenente circa ventiquattro piedi di filo di rame spesso un ventesimo di pollice. Le spirali erano isolate dal ferro e l'una dall'altra e sovrapposte l'una all'altra ... Potevano essere usate separatamente e in combinazione; questo gruppo è etichettato MA(Fig. 10). Dall'altra parte dell'anello, circa sessanta piedi dello stesso filo di rame erano avvolti nello stesso modo, in due pezzi, formando una spirale. A, che aveva la stessa direzione delle spirali MA, ma era separato da loro a ciascuna estremità per circa mezzo pollice da ferro nudo.
  Spirale A collegato da fili di rame ad un galvanometro posto a una distanza di tre piedi dall'anello. Spirali separate MA collegati da un capo all'altro in modo da formare una spirale comune, le cui estremità erano collegate a una batteria di dieci paia di piastre di quattro pollici quadrati. Il galvanometro ha reagito immediatamente, e molto più forte di quanto osservato sopra, usando una spirale dieci volte più potente senza ferro.
  Infine, Faraday fa un esperimento con il quale viene ancora solitamente avviata la presentazione della questione dell'induzione elettromagnetica. Questa era una ripetizione esatta dell'esperienza di Henry illustrata nella Figura 9.
  Il problema posto da Faraday nel 1820 è stato risolto: il magnetismo è stato convertito in elettricità.
  In primo luogo, Faraday distingue l'induzione di corrente dalla corrente (la chiama "induzione volta-elettrica" ​​e la corrente da un magnete ("induzione magneto-elettrica"). Ma poi mostra che tutti i casi sono soggetti a uno schema generale.
  La legge dell'induzione elettromagnetica copriva un altro gruppo di fenomeni, che in seguito ricevette il nome di fenomeni di autoinduzione. Faraday ha chiamato il nuovo fenomeno come segue: "L'effetto induttivo di una corrente elettrica su se stessa".
  Questa domanda sorse in connessione con il seguente fatto riferito a Faraday nel 1834 da Jenkin. Questo fatto era il seguente. Due piastre di una batteria galvanica sono collegate da un filo corto. Allo stesso tempo, lo sperimentatore non può ottenere una scossa elettrica da questo filo con alcun trucco. Ma se prendiamo l'avvolgimento di un elettromagnete invece di un filo, ogni volta che il circuito viene aperto, si avverte uno shock. Faraday ha scritto: “Allo stesso tempo, si osserva qualcos'altro, un fenomeno noto agli scienziati da molto tempo, ovvero: una brillante scintilla elettrica salta nel punto di separazione" (corsivo mio - V.D.).
  Faraday iniziò ad esaminare questi fatti e presto scoprì una serie di nuovi aspetti del fenomeno. Gli ci volle un po' di tempo per stabilire "l'identità dei fenomeni con i fenomeni dell'induzione". Nel 1834 Faraday avviò esperimenti ancora in corso di dimostrazione sia nell'istruzione secondaria che superiore per spiegare il fenomeno dell'autoinduzione.
  Indipendentemente, esperimenti simili sono stati condotti da J. Henry, tuttavia, come gli esperimenti sull'induzione, non sono stati pubblicati in modo tempestivo. Il motivo è lo stesso: Henry non ha trovato un concetto fisico che comprenda fenomeni di varie forme.
  Per Faraday, l'autoinduzione era un fatto che illuminava l'ulteriore percorso di ricerca. Riassumendo le osservazioni, giunge a conclusioni di grande importanza fondamentale. "Non c'è dubbio che la corrente in una parte del filo possa agire per induzione su altre parti dello stesso filo vicine... Questo è ciò che dà l'impressione che la corrente agisca su se stessa."
  Non conoscendo la natura della corrente, Faraday indica comunque con precisione l'essenza della questione: "Quando la corrente agisce per induzione insieme ad essa, una sostanza conduttiva situata insieme ad essa, allora probabilmente agisce sull'elettricità presente in questa sostanza conduttiva - non importa se quest'ultimo è in stato di corrente o è immobile; nel primo caso rafforza o indebolisce la corrente, a seconda della sua direzione, nel secondo crea corrente.
  L'espressione matematica della legge dell'induzione elettromagnetica fu data nel 1873 da Maxwell nel suo Trattato sull'elettricità e il magnetismo. Solo in seguito divenne la base di calcoli quantitativi. Quindi la legge dell'induzione elettromagnetica dovrebbe essere chiamata legge di Faraday-Maxwell.
  Osservazioni metodiche. È noto che l'eccitazione di una corrente induttiva in un conduttore che si muove in un campo magnetico costante e in un conduttore stazionario, che si trova in un campo magnetico alternato, obbedisce alla stessa legge. Per Faraday e Maxwell, questo era ovvio, poiché immaginavano le linee di induzione magnetica come vere e proprie formazioni nell'etere. Quando la corrente viene attivata e disattivata, o la forza della corrente cambia attorno ai conduttori che compongono il circuito, le linee di induzione magnetica si muovono. Allo stesso tempo, attraversano il circuito stesso, provocando il fenomeno dell'autoinduzione. Se c'è un conduttore vicino al circuito con una corrente variabile, le linee di induzione magnetica, attraversandolo, eccitano l'EMF di induzione elettromagnetica.
  La materializzazione delle linee di forza del campo elettrico e delle linee di induzione magnetica sono diventate proprietà della storia. Tuttavia, sarebbe un errore dare alle linee di forza solo un carattere formale. La fisica moderna ritiene che la linea di forza del campo elettrico e la linea di induzione magnetica siano il luogo dei punti in cui il campo dato ha uno stato diverso dallo stato in altri punti. Questo stato è determinato dai valori dei vettori e a questi punti. Quando il campo cambia, i vettori e cambia, di conseguenza cambia la configurazione delle linee di forza. Lo stato del campo può muoversi nello spazio alla velocità della luce. Se il conduttore si trova in un campo il cui stato cambia, nel conduttore viene eccitato un EMF.

  Il caso in cui il campo è costante e il conduttore si muove in questo campo non è descritto dalla teoria di Maxwell. Einstein se ne accorse per la prima volta. Il suo lavoro fondamentale "On the Electrodynamics of Moving Bodies" inizia proprio con una discussione sull'insufficienza della teoria di Maxwell a questo punto. Il fenomeno dell'eccitazione EMF in un conduttore che si muove in un campo magnetico costante può essere incluso nel quadro della teoria del campo elettromagnetico se integrato con il principio di relatività e il principio di costanza della velocità della luce.

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