Scoperta del fenomeno del flusso magnetico di induzione elettromagnetica. Faraday

Argomento della lezione:

Apertura induzione elettromagnetica. flusso magnetico.

Bersaglio: introdurre gli studenti al fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Durante le lezioni

I. Momento organizzativo

II. Aggiornamento della conoscenza.

1. Indagine frontale.

Qual è l'ipotesi di Ampère?
Cos'è la permeabilità magnetica?
Quali sostanze sono chiamate para e diamagneti?
Cosa sono le ferriti?
Dove vengono utilizzate le ferriti?
Come fai a sapere che c'è un campo magnetico attorno alla Terra?
Dove sono i poli magnetici nord e sud della Terra?
Quali processi avvengono nella magnetosfera terrestre?
Qual è la ragione dell'esistenza campo magnetico alla terra?

2. Analisi degli esperimenti.

Esperimento 1

L'ago magnetico sul supporto è stato portato all'estremità inferiore e poi all'estremità superiore del treppiede. Perché la freccia si gira verso l'estremità inferiore del treppiede da entrambi i lati con il polo sud e verso l'estremità superiore, l'estremità nord?(Tutti gli oggetti di ferro si trovano nel campo magnetico terrestre. Sotto l'influenza di questo campo, sono magnetizzati e la parte inferiore dell'oggetto rileva il polo magnetico nord e la parte superiore - il sud.)

Esperimento 2

In un grande tappo di sughero, fai una piccola scanalatura per un pezzo di filo. Immergi il tappo nell'acqua e metti il filo sopra, posizionandolo lungo il parallelo. In questo caso, il filo, insieme al sughero, viene ruotato e installato lungo il meridiano. Come mai?(Il filo è stato magnetizzato ed è posizionato nel campo terrestre come un ago magnetico.)

III. Imparare nuovo materiale

Tra muoversi cariche elettriche agiscono le forze magnetiche. Le interazioni magnetiche sono descritte sulla base del concetto di un campo magnetico che esiste attorno alle cariche elettriche in movimento. I campi elettrici e magnetici sono generati dalle stesse fonti: cariche elettriche. Si può presumere che ci sia una connessione tra di loro.

Nel 1831, M. Faraday lo confermò sperimentalmente. Ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (diapositive 1.2).

Esperimento 1

Colleghiamo il galvanometro alla bobina e da esso proporremo un magnete permanente. Osserviamo la deviazione dell'ago del galvanometro, è apparsa una corrente (induzione) (diapositiva 3).

La corrente nel conduttore si verifica quando il conduttore si trova nel campo d'azione di un campo magnetico alternato (diapositiva 4-7).

Faraday ha immaginato un campo magnetico alternato come un cambiamento nel numero di linee di forza che penetrano nella superficie delimitata da un dato contorno. Questo numero dipende dall'induzione A campo magnetico, dall'area del contorno S e il suo orientamento nel campo dato.

F \u003d BS cos a - flusso magnetico.

F [Wb] Weber (diapositiva 8)

La corrente di induzione può avere direzioni diverse, che dipendono dal fatto che il flusso magnetico che penetra nel circuito diminuisce o aumenta. La regola per determinare la direzione della corrente indotta è stata formulata nel 1833. E. X. Lenz.

Esperimento 2

Facciamo scorrere un magnete permanente in un anello di alluminio leggero. L'anello ne viene respinto e, una volta esteso, viene attratto dal magnete.

Il risultato non dipende dalla polarità del magnete. La repulsione e l'attrazione sono spiegate dalla comparsa di una corrente di induzione al suo interno.

Quando il magnete viene spinto dentro, il flusso magnetico attraverso l'anello aumenta: la repulsione dell'anello allo stesso tempo mostra che la corrente di induzione in esso ha una direzione tale in cui il vettore di induzione del suo campo magnetico è opposto in direzione del vettore di induzione del campo magnetico esterno.

Regola di Lenz:

La corrente di induzione ha sempre una direzione tale che il suo campo magnetico impedisce qualsiasi variazione del flusso magnetico, provocando l'apparenza corrente di induzione(diapositiva 9).

IV. Svolgimento del lavoro di laboratorio

Lavoro di laboratorio sul tema "Verifica sperimentale della regola di Lenz"

Dispositivi e materiali:milliamperometro, bobina, magnete arcuato.

Processo lavorativo

Prepara un tavolo.

Il vettore di induzione magnetica \(~\vec B\) caratterizza il campo magnetico in ogni punto dello spazio. Introduciamo un'altra quantità che dipende dal valore del vettore di induzione magnetica non in un punto, ma in tutti i punti di una superficie scelta arbitrariamente. Questa quantità è chiamata flusso del vettore di induzione magnetica, o flusso magnetico.

Isoliamo nel campo magnetico un elemento di superficie così piccolo con area Δ S cosicché l'induzione magnetica in tutti i suoi punti può essere considerata la stessa. Sia \(~\vec n\) la normale all'elemento che forma l'angolo α con la direzione del vettore di induzione magnetica (Fig. 1).

Il flusso del vettore di induzione magnetica attraverso la superficie Δ S chiamiamo il valore uguale al prodotto del modulo del vettore di induzione magnetica \(~\vec B\) e l'area Δ S e il coseno dell'angolo α tra i vettori \(~\vec B\) e \(~\vec n\) (normale alla superficie):

\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .

Lavoro B cos α = A n è la proiezione del vettore di induzione magnetica sulla normale all'elemento. Così

\(~\Delta \Phi = B_n \cdot \Delta S\) .

Il flusso può essere positivo o negativo a seconda del valore dell'angolo α .

Se il campo magnetico è uniforme, allora il flusso attraverso una superficie piana con area Sè uguale a:

\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .

Il flusso di induzione magnetica può essere chiaramente interpretato come una quantità proporzionale al numero di linee del vettore \(~\vec B\) che penetrano in una data area della superficie.

In generale, la superficie può essere chiusa. In questo caso, il numero di linee di induzione che entrano all'interno della superficie è uguale al numero di linee che ne escono (Fig. 2). Se la superficie è chiusa, la normale esterna è considerata la normale positiva alla superficie.

Le linee di induzione magnetica sono chiuse, il che significa che il flusso di induzione magnetica attraverso una superficie chiusa è uguale a zero. (Le linee che lasciano la superficie danno un flusso positivo e le linee che entrano in uno negativo.) Questa proprietà fondamentale di un campo magnetico è dovuta all'assenza di cariche magnetiche. Se non ci fossero cariche elettriche, il flusso elettrico attraverso una superficie chiusa sarebbe zero.

Induzione elettromagnetica

Scoperta dell'induzione elettromagnetica

Nel 1821, Michael Faraday scrisse nel suo diario: "Trasforma il magnetismo in elettricità". Dopo 10 anni, questo problema è stato risolto da lui.

M. Faraday era fiducioso nella natura unificata dei fenomeni elettrici e magnetici, ma per molto tempo non è stato possibile rilevare la relazione tra questi fenomeni. 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. Qui breve descrizione prima esperienza data dallo stesso Faraday. “Un filo di rame lungo 203 piedi (un piede equivale a 304,8 mm) era avvolto su un'ampia bobina di legno e un filo della stessa lunghezza era avvolto tra le sue spire, 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 passaggio continuo di corrente attraverso una delle bobine, non è stato possibile notare alcun effetto sul galvanometro, o in generale alcun effetto induttivo sull'altra bobina, nonostante il riscaldamento dell'intera bobina collegata alla batteria, e lo splendore della scintilla che saltava tra i carboni, testimoniava della carica 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. 3).

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 l'inserimento (o l'estrazione) del magnete (Fig. 4).

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. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica.

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).

La regola di Lenz

La corrente induttiva che si è formata nel conduttore inizia immediatamente ad interagire con la corrente o il magnete che l'ha generata. Se un magnete (o una bobina con corrente) viene avvicinato a un conduttore chiuso, la corrente di induzione emergente con il suo campo magnetico respinge necessariamente il magnete (bobina). È necessario lavorare per avvicinare il magnete e la bobina. Quando il magnete viene rimosso, si verifica l'attrazione. Questa regola è rigorosamente seguita. Immagina se le cose fossero diverse: spingi il magnete verso la bobina e si precipiterebbe dentro da solo. Ciò violerebbe la legge di conservazione dell'energia. In fondo, l'energia meccanica del magnete aumenterebbe e contemporaneamente si formerebbe una corrente, che di per sé richiede il dispendio di energia, perché anche la corrente può fare lavoro. La corrente elettrica indotta nell'indotto del generatore, interagendo con il campo magnetico dello statore, rallenta la rotazione dell'indotto. Solo quindi, per ruotare l'indotto, è necessario fare un lavoro, maggiore è la forza della corrente. A causa di questo lavoro, si genera una corrente di induzione. È interessante notare che se il campo magnetico del nostro pianeta fosse molto ampio e altamente disomogeneo, allora i movimenti rapidi dei corpi conduttori sulla sua superficie e nell'atmosfera sarebbero impossibili a causa dell'intensa interazione della corrente indotta nel corpo con questo campo. I corpi si muoverebbero come in un mezzo viscoso denso e allo stesso tempo sarebbero fortemente riscaldati. Né gli aeroplani né i razzi potevano volare. Una persona non poteva muovere rapidamente né le braccia né le gambe, dal momento che corpo umano- un buon direttore d'orchestra.

Se la bobina in cui viene indotta la corrente è stazionaria rispetto alla bobina vicina con corrente alternata, come ad esempio in un trasformatore, allora in questo caso la direzione della corrente di induzione è dettata dalla legge di conservazione dell'energia. Questa corrente è sempre diretta in modo tale che il campo magnetico che crea tenda a ridurre le variazioni di corrente nel primario.

La repulsione o attrazione di un magnete da parte di una bobina dipende dalla direzione della corrente di induzione in essa contenuta. Pertanto, la legge di conservazione dell'energia permette di formulare una regola che determina la direzione della corrente di induzione. Qual è la differenza tra i due esperimenti: l'avvicinamento del magnete alla bobina e la sua rimozione? Nel primo caso, il flusso magnetico (o il numero di linee di induzione magnetica che penetrano nelle spire della bobina) aumenta (Fig. 6, a), e nel secondo caso diminuisce (Fig. 6, b). Inoltre, nel primo caso, le linee di induzione A' del campo magnetico creato dalla corrente di induzione che si è formata nella bobina, esce dall'estremità superiore della bobina, poiché la bobina respinge il magnete, e nel secondo caso, al contrario, entra in questa estremità. Queste linee di induzione magnetica nella Figura 6 sono mostrate con un tratto.

Riso. 6

Ora siamo arrivati al punto principale: con un aumento del flusso magnetico attraverso i giri della bobina, la corrente di induzione ha una direzione tale che il campo magnetico che crea impedisce la crescita del flusso magnetico attraverso i giri della bobina. Dopotutto, il vettore di induzione \ (~ \ vec B "\) di questo campo è diretto contro il vettore di induzione \ (~ \ vec B \) del campo, il cui cambiamento genera una corrente elettrica. Se il flusso magnetico attraverso la bobina si indebolisce, quindi la corrente di induzione crea un campo magnetico con induzione \(~\vec B"\) , che aumenta il flusso magnetico attraverso i giri della bobina.

Questa è l'essenza regola generale determinazione della direzione della corrente induttiva, applicabile in tutti i casi. Questa regola è stata stabilita dal fisico russo E. X. Lenz (1804-1865).

Secondo La regola di Lenz

la corrente di induzione che nasce in un circuito chiuso ha una direzione tale che il flusso magnetico da essa creato attraverso la superficie delimitata dal circuito tende ad impedire la variazione del flusso che genera tale corrente.

la corrente induttiva ha una direzione tale da impedire la causa che la causa.

Nel caso dei superconduttori, la compensazione per le variazioni del flusso magnetico esterno sarà completa. Il flusso di induzione magnetica attraverso una superficie delimitata da un circuito superconduttore non cambia affatto nel tempo in nessuna condizione.

Legge dell'induzione elettromagnetica

Gli esperimenti di Faraday hanno mostrato che la forza della corrente indotta io i in un circuito conduttore è proporzionale alla velocità di variazione del numero di linee di induzione magnetica \(~\vec B\) che penetrano nella superficie delimitata da questo circuito. Più precisamente, questa affermazione può essere formulata utilizzando il concetto di flusso magnetico.

Il flusso magnetico è chiaramente interpretato come il numero di linee di induzione magnetica che penetrano in una superficie con un'area S. Pertanto, la velocità di variazione di questo numero non è altro che la velocità di variazione del flusso magnetico. Se in breve tempo Δ t il flusso magnetico cambia in Δ F, allora la velocità di variazione del flusso magnetico è \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Pertanto, un'affermazione che deriva direttamente dall'esperienza può essere formulata come segue:

l'intensità della corrente di induzione è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dal contorno:

\(~I_i \sim \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

È noto che nel circuito si genera una corrente elettrica quando le forze esterne agiscono con cariche libere. Il lavoro di queste forze quando si sposta una singola carica positiva lungo un circuito chiuso è chiamato forza elettromotrice. Di conseguenza, quando il flusso magnetico cambia attraverso la superficie delimitata dal contorno, in essa compaiono forze esterne, la cui azione è caratterizzata da un EMF, chiamato EMF di induzione. Indichiamolo con la lettera e io .

La legge dell'induzione elettromagnetica è formulata specificamente per i campi elettromagnetici e non per l'intensità della corrente. Con questa formulazione, la legge esprime l'essenza del fenomeno, che non dipende dalle proprietà dei conduttori in cui si verifica la corrente di induzione.

Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica (EMR)

La fem di induzione in un anello chiuso è uguale in valore assoluto alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dall'anello:

\(~|E_i| = |\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)|\) .

Come tenere conto della direzione della corrente di induzione (o del segno dell'EMF di induzione) nella legge dell'induzione elettromagnetica secondo la regola di Lenz?

La figura 7 mostra un circuito chiuso. Considereremo positiva la direzione di aggiramento del contorno in senso antiorario. La normale al contorno \(~\vec n\) forma una vite destra con la direzione di bypass. Il segno dell'EMF, cioè il lavoro specifico, dipende dalla direzione delle forze esterne rispetto alla direzione di bypass del circuito. Se queste direzioni coincidono, allora e i > 0 e, di conseguenza, io i > 0. Altrimenti, l'EMF e l'intensità della corrente sono negativi.

Lascia che l'induzione magnetica \(~\vec B\) del campo magnetico esterno sia diretta lungo la normale al contorno e aumenti con il tempo. Quindi F> 0 e \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) > 0. Secondo la regola di Lenz, la corrente di induzione crea un flusso magnetico F’ < 0. Линии индукции B' del campo magnetico della corrente di induzione sono mostrati in Figura 7 con un trattino. Pertanto, la corrente di induzione io i è diretto in senso orario (contro la direzione di bypass positiva) e la fem di induzione è negativa. Pertanto, nella legge dell'induzione elettromagnetica, deve esserci un segno meno:

\(~E_i = - \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

A sistema internazionale unità, la legge dell'induzione elettromagnetica viene utilizzata per stabilire l'unità di flusso magnetico. Questa unità è chiamata weber (Wb).

Dal momento che l'EMF di induzione e i è espresso in volt e il tempo è in secondi, quindi dalla legge EMP di Weber può essere determinato come segue:

il flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da un anello chiuso è pari a 1 Wb, se, con una diminuzione uniforme di questo flusso fino a zero in 1 s, si verifica nell'anello una fem di induzione pari a 1 V:

1 Wb \u003d 1 V ∙ 1 s.

Campo Vortice

Cambiando nel tempo, il campo magnetico genera un campo elettrico. J. Maxwell è stato il primo a giungere a questa conclusione.

Ora il fenomeno dell'induzione elettromagnetica ci appare sotto una nuova luce. La cosa principale in esso è il processo di generazione di un campo elettrico da un campo magnetico. In questo caso, la presenza di un circuito conduttivo, come una bobina, non cambia l'essenza della questione. Un conduttore con una fornitura di elettroni liberi (o altre particelle) aiuta solo a rilevare il campo elettrico emergente. Il campo mette in moto gli elettroni nel conduttore e quindi si rivela. L'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica in un conduttore fisso non è tanto nell'aspetto di una corrente di induzione, ma nel verificarsi campo elettrico che guida le cariche elettriche.

Il campo elettrico che si verifica al variare del campo magnetico ha una struttura completamente diversa da quella elettrostatica. Non è collegato direttamente con le cariche elettriche e le sue linee di tensione non possono iniziare e terminare su di esse. Generalmente non iniziano né finiscono da nessuna parte, ma sono linee chiuse, simili alle linee di induzione del campo magnetico. Questo cosiddetto campo elettrico a vortice. Potrebbe sorgere la domanda: perché, infatti, questo campo è chiamato elettrico? Dopotutto, ha un'origine diversa e una configurazione diversa rispetto al campo elettrico statico. La risposta è semplice: il campo del vortice agisce sulla carica q allo stesso modo di quello elettrostatico, e abbiamo considerato e consideriamo questa la principale proprietà del campo. La forza che agisce sulla carica è ancora \(~\vec F = q \vec E\) , dove \(~\vec E\) è l'intensità del campo del vortice. Se il flusso magnetico è creato da un campo magnetico uniforme concentrato in un tubo cilindrico lungo e stretto con un raggio r 0 (Fig. 8), è ovvio da considerazioni di simmetria che le linee di intensità del campo elettrico giacciono in piani perpendicolari alle linee \(~\vec B\) e sono cerchi. Secondo la regola di Lenz, all'aumentare dell'induzione magnetica \(~\left (\frac(\Delta B)(\Delta t) > 0 \right)\) si formano le linee di campo \(~\vec E\) una vite sinistra con la direzione dell'induzione magnetica \(~\vec B\) .

A differenza di un campo elettrico statico o stazionario, il lavoro di un campo vorticoso su un percorso chiuso non è uguale a zero. Infatti, quando una carica si muove linea chiusa intensità del campo elettrico, il lavoro su tutte le sezioni del percorso ha lo stesso segno, poiché la forza e lo spostamento coincidono nella direzione. Un campo elettrico a vortice, come un campo magnetico, non è potenziale.

Il lavoro del campo elettrico del vortice nello spostare una singola carica positiva lungo un conduttore fisso chiuso è numericamente uguale all'EMF di induzione in questo conduttore.

Quindi, un campo magnetico alternato genera un campo elettrico a vortice. Ma non pensi che una sola affermazione non sia sufficiente qui? Vorrei sapere qual è il meccanismo di questo processo. È possibile spiegare come si realizza in natura questa connessione di campi? Ed è qui che la tua naturale curiosità non può essere soddisfatta. Semplicemente non c'è nessun meccanismo qui. La legge dell'induzione elettromagnetica è una legge fondamentale della natura, il che significa che è fondamentale, primaria. Molti fenomeni possono essere spiegati con la sua azione, ma essa stessa rimane inesplicabile semplicemente perché non ci sono leggi più profonde da cui deriverebbe come conseguenza. In ogni caso, tali leggi sono attualmente sconosciute. Queste sono tutte le leggi fondamentali: la legge di gravità, la legge di Coulomb, ecc.

Naturalmente, siamo liberi di porre qualsiasi domanda davanti alla natura, ma non tutte hanno un senso. Così, ad esempio, è possibile e necessario indagare le cause di vari fenomeni, ma è inutile cercare di scoprire perché esiste la causalità. Tale è la natura delle cose, tale è il mondo in cui viviamo.

Letteratura

Zhilko V.V. Fisica: proc. indennità per la 10a classe. educazione generale scuola dal russo lang. formazione / V.V. Zhilko, AV Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2001. - 319 pag.
Myakishev, G.Ya. Fisica: elettrodinamica. 10-11 celle. : studi. per lo studio approfondito della fisica / G.Ya. Myakishev, A.3. Sinyakov, VA Slobodskov. – M.: Otarda, 2005. – 476 p.

Risposta:

Il successivo importante passo nello sviluppo dell'elettrodinamica dopo gli esperimenti di Ampère fu la scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Il fisico inglese Michael Faraday (1791 - 1867) scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Faraday, ancora un giovane scienziato, come Oersted, pensava che tutte le forze della natura fossero interconnesse e, inoltre, che fossero capaci di trasformarsi l'una nell'altra. È interessante che Faraday abbia espresso questa idea anche prima dell'istituzione della legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Faraday sapeva della scoperta di Ampere, che lui, in senso figurato, ha trasformato l'elettricità in magnetismo. Riflettendo su questa scoperta, Faraday è giunto alla conclusione che se "l'elettricità crea magnetismo", viceversa, "il magnetismo deve creare elettricità". E già nel 1823 scrisse nel suo diario: "Trasforma il magnetismo in elettricità". Per otto anni, Faraday ha lavorato per risolvere il problema. A lungo fu perseguitato dai fallimenti e, infine, nel 1831 lo risolse: scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

In primo luogo, Faraday ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica per il caso in cui le bobine sono avvolte sullo stesso tamburo. Se una corrente elettrica nasce o scompare in una bobina a causa del collegamento o della disconnessione di una batteria galvanica, in quel momento appare una corrente a breve termine nell'altra bobina. Questa corrente viene rilevata da un galvanometro collegato alla seconda bobina.

Quindi Faraday stabilì anche la presenza di una corrente di induzione nella bobina quando una bobina si avvicinava o si allontanava da essa, nella quale scorreva una corrente elettrica.

infine, il terzo caso di induzione elettromagnetica, scoperto da Faraday, era che una corrente appariva nella bobina quando un magnete veniva inserito o rimosso da essa.

La scoperta di Faraday attirò l'attenzione di molti fisici, che iniziarono anche a studiare le caratteristiche del fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Il compito successivo era stabilire la legge generale dell'induzione elettromagnetica. Era necessario scoprire come e da cosa dipende l'intensità della corrente induttiva nel conduttore o da cosa dipende il valore della forza elettromotrice di induzione nel conduttore in cui viene indotta la corrente elettrica.

Questo compito si è rivelato difficile. È stato completamente risolto da Faraday e Maxwell più tardi nell'ambito della dottrina che hanno sviluppato sul campo elettromagnetico. Ma cercarono di risolverlo anche i fisici, che aderirono alla teoria a lungo raggio comune all'epoca nella dottrina dei fenomeni elettrici e magnetici.

Qualcosa che questi scienziati sono riusciti a fare. Allo stesso tempo, furono aiutati dalla regola scoperta dall'accademico di San Pietroburgo Emil Khristianovich Lenz (1804 - 1865) per trovare la direzione della corrente di induzione in diverse occasioni induzione elettromagnetica. Lenz lo formulò così: “Se un conduttore metallico si avvicina ad una corrente galvanica o ad un magnete, allora una corrente galvanica viene eccitata in esso in una direzione tale che se questo conduttore fosse fermo, allora la corrente potrebbe farlo muovere nella direzione opposta direzione; si presume che il conduttore a riposo possa muoversi solo nel senso del moto o in senso opposto.

Questa regola è molto conveniente per determinare la direzione della corrente induttiva. Lo usiamo anche adesso, solo che ora è formulato un po' diversamente, con l'interramento del concetto di induzione elettromagnetica, che Lenz non usava.

Ma storicamente, il significato principale della regola di Lenz era che suggerì l'idea di come avvicinarsi alla ricerca della legge dell'induzione elettromagnetica. Il fatto è che nella regola dell'atomo si stabilisce una connessione tra l'induzione elettromagnetica e il fenomeno dell'interazione delle correnti. La questione dell'interazione delle correnti era già stata risolta da Ampère. Pertanto, l'instaurazione di questa connessione ha inizialmente permesso di determinare l'espressione della forza elettromotrice di induzione in un conduttore per una serie di casi speciali.

A vista generale la legge dell'induzione elettromagnetica, come abbiamo detto a riguardo, è stata stabilita da Faraday e Maxwell.

Induzione elettromagnetica - il fenomeno dell'occorrenza 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 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 (EMF) 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.

Autoinduzione: il verificarsi di un EMF di induzione in un circuito conduttore chiuso quando la corrente che scorre attraverso il circuito cambia.

Quando la corrente nel circuito cambia, anche il flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo circuito cambia proporzionalmente. Un cambiamento in questo flusso magnetico, dovuto alla legge dell'induzione elettromagnetica, porta all'eccitazione di un EMF induttivo in questo circuito.

Questo fenomeno è chiamato autoinduzione. (Il concetto è legato al concetto di mutua induzione, essendo, per così dire, il suo caso speciale).

Direzione Autoinduzione EMF risulta sempre essere tale che quando la corrente nel circuito aumenta, l'EMF di autoinduzione impedisce questo aumento (diretto contro corrente), e quando la corrente diminuisce, diminuisce (codiretto con la corrente). Con questa proprietà, l'EMF di autoinduzione è simile alla forza di inerzia.

La creazione del primo relè fu preceduta dall'invenzione nel 1824 da parte dell'inglese Sturgeon di un elettromagnete, un dispositivo che converte la corrente elettrica in ingresso di una bobina di filo avvolto su un nucleo di ferro in un campo magnetico generato all'interno e all'esterno di questo nucleo. Il campo magnetico è stato fissato (rilevato) dal suo effetto su un materiale ferromagnetico situato vicino al nucleo. Questo materiale è stato attratto dal nucleo dell'elettromagnete.

Successivamente, l'effetto di convertire l'energia di una corrente elettrica in energia meccanica di un movimento significativo di un materiale ferromagnetico esterno (armatura) ha costituito la base di vari dispositivi elettromeccanici di telecomunicazione (telegrafia e telefonia), ingegneria elettrica e industria dell'energia elettrica. Uno dei primi dispositivi di questo tipo fu un relè elettromagnetico, inventato dall'americano J. Henry nel 1831.

FARADEO. SCOPERTA DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Ossessionato dalle idee sull'inseparabile connessione e interazione delle forze della natura, Faraday ha cercato di dimostrare che proprio come Ampère può creare magneti con l'elettricità, così è possibile creare elettricità con l'aiuto dei magneti.

La sua logica era semplice: il lavoro meccanico si trasforma facilmente in calore; Al contrario, il calore può essere convertito in lavoro meccanico(diciamo dentro motore a vapore). In generale, tra le forze della natura, si verifica più spesso la seguente relazione: se A partorisce B, allora B partorisce A.

Se per mezzo dell'elettricità Ampère ha ottenuto magneti, allora, a quanto pare, è possibile "ottenere elettricità dal magnetismo ordinario". Arago e Ampère si sono dati lo stesso compito a Parigi, Colladon a Ginevra.

Faraday fa molti esperimenti, tiene appunti pedanti. Dedica un paragrafo a ogni piccolo studio nelle sue note di laboratorio (pubblicate integralmente a Londra nel 1931 con il titolo "Il diario di Faraday"). Almeno il fatto che l'ultimo paragrafo del Diario sia contrassegnato dal numero 16041 parla dell'efficienza di Faraday.

Oltre a una convinzione intuitiva nella connessione universale dei fenomeni, nulla, infatti, lo ha sostenuto nella sua ricerca di "elettricità dal magnetismo". Inoltre, come la sua insegnante Devi, faceva più affidamento sui suoi esperimenti che sulle costruzioni mentali. Davy gli ha insegnato:

Un buon esperimento vale più della premura di un genio come Newton.

Tuttavia, era Faraday che era destinato a grandi scoperte. Grande realista, strappò spontaneamente le catene dell'empirismo, un tempo impostogli dalla Devi, e in quei momenti gli apparve una grande intuizione: acquisì la capacità di generalizzazioni più profonde.

Il primo barlume di fortuna apparve solo il 29 agosto 1831. Quel giorno, Faraday stava testando un semplice dispositivo in laboratorio: un anello di ferro di circa sei pollici di diametro, avvolto attorno a due pezzi di filo isolato. Quando Faraday collegò una batteria ai terminali di un avvolgimento, il suo assistente, il sergente di artiglieria Andersen, vide l'ago di un galvanometro collegato all'altro avvolgimento.

Contorto e calmo però DC ha continuato a scorrere attraverso il primo avvolgimento. Faraday ha esaminato attentamente tutti i dettagli di questa semplice installazione: tutto era in ordine.

Ma l'ago del galvanometro era ostinatamente fermo a zero. Infastidito, Faraday ha deciso di spegnere la corrente, e poi è successo un miracolo: durante l'apertura del circuito, l'ago del galvanometro ha oscillato ancora e ancora si è bloccato a zero!

Faraday era perplesso: primo, perché l'ago si comporta in modo così strano? In secondo luogo, le esplosioni che ha notato sono legate al fenomeno che stava cercando?

Fu allora che le grandi idee di Ampère, la connessione tra corrente elettrica e magnetismo, furono rivelate in tutta chiarezza a Faraday. Dopotutto, il primo avvolgimento in cui ha applicato la corrente è diventato immediatamente un magnete. Se lo consideriamo come un magnete, l'esperimento del 29 agosto ha mostrato che il magnetismo sembrava dare origine all'elettricità. Solo due cose sono rimaste strane in questo caso: perché l'ondata di elettricità quando l'elettromagnete è stato acceso è svanita rapidamente? E inoltre, perché il picco compare quando il magnete è spento?

Il giorno successivo, 30 agosto, - nuova serie esperimenti. L'effetto è chiaramente espresso, ma comunque del tutto incomprensibile.

Faraday sente che l'apertura è da qualche parte nelle vicinanze.

“Ora sono di nuovo impegnato nell'elettromagnetismo e penso di aver attaccato una cosa di successo, ma non posso ancora confermarlo. Potrebbe benissimo essere che, dopo tutte le mie fatiche, alla fine tirerò fuori le alghe invece del pesce.

La mattina successiva, il 24 settembre, Faraday si era preparato molto vari dispositivi, in cui gli elementi principali non erano più avvolgimenti con corrente elettrica, ma magneti permanenti. E c'era anche un effetto! La freccia deviò e si precipitò immediatamente al suo posto. Questo leggero movimento si verificava durante le manipolazioni più inaspettate con il magnete, a volte, sembrava, per caso.

Il prossimo esperimento è il 1 ottobre. Faraday decide di tornare all'inizio - a due avvolgimenti: uno con corrente, l'altro collegato a un galvanometro. La differenza con il primo esperimento è l'assenza di un anello d'acciaio: il nucleo. Lo splash è quasi impercettibile. Il risultato è banale. È chiaro che un magnete senza nucleo è molto più debole di un magnete con nucleo. Pertanto, l'effetto è meno pronunciato.

Faraday è deluso. Per due settimane non si avvicina agli strumenti, pensando alle ragioni del fallimento.

Faraday sa in anticipo come sarà. L'esperienza funziona brillantemente.

"Ho preso una barra magnetica cilindrica (3/4" di diametro e 8 1/4" di lunghezza) e ne ho inserito un'estremità in una spirale di filo di rame(220 piedi di lunghezza) collegato a un galvanometro. Quindi, con un rapido movimento, ho spinto il magnete per l'intera lunghezza della spirale e l'ago del galvanometro ha subito uno shock. Poi ho tirato fuori altrettanto rapidamente il magnete dalla spirale e l'ago ha oscillato di nuovo, ma nella direzione opposta. Queste oscillazioni dell'ago si ripetevano ogni volta che il magnete veniva spinto dentro o fuori".

Il segreto è nel movimento del magnete! L'impulso dell'elettricità non è determinato dalla posizione del magnete, ma dal movimento!

Ciò significa che "un'onda elettrica sorge solo quando il magnete si muove e non a causa delle proprietà insite in essa a riposo".

Questa idea è straordinariamente fruttuosa. Se il movimento di un magnete rispetto a un conduttore crea elettricità, allora, a quanto pare, anche il movimento di un conduttore rispetto a un magnete deve generare elettricità! Inoltre, questa "onda elettrica" non scomparirà finché continua il movimento reciproco del conduttore e del magnete. Ciò significa che è possibile realizzare un generatore di corrente elettrica che funzioni per un tempo arbitrariamente lungo, purché il movimento reciproco del filo e del magnete continui!

Il 28 ottobre Faraday ha installato un disco di rame rotante tra i poli di un magnete a ferro di cavallo, dal quale, con l'ausilio di contatti striscianti (uno sull'asse, l'altro sulla periferia del disco), è stato possibile rimuovere tensione elettrica. È stato il primo generatore elettrico creato da mani umane.

Dopo l '"epopea elettromagnetica" Faraday fu costretto a interrompere il suo lavoro scientifico per diversi anni - il suo sistema nervoso era così esausto ...

Esperimenti simili a quelli di Faraday, come già accennato, furono condotti in Francia e Svizzera. Colladon, professore all'Accademia di Ginevra, era uno sperimentatore sofisticato (egli, ad esempio, produceva sul lago di Ginevra misurazioni accurate velocità del suono in acqua). Forse, temendo lo scuotimento degli strumenti, anche lui, come Faraday, ha rimosso il galvanometro il più lontano possibile dal resto dell'installazione. Molti hanno affermato che Colladon osservava gli stessi fugaci movimenti della freccia di Faraday, ma, aspettandosi un effetto più stabile e duraturo, non attribuiva la dovuta importanza a questi scoppi "casuali" ...

In effetti, l'opinione della maggior parte degli scienziati di quel tempo era che l'effetto inverso della "creazione di elettricità dal magnetismo" dovrebbe, apparentemente, avere lo stesso carattere stazionario dell'effetto "diretto" - "formazione del magnetismo" dovuto alla corrente elettrica. L'inaspettata "transienza" di questo effetto ha sconcertato molti, incluso Colladon, e questi molti hanno pagato per il loro pregiudizio.

Anche Faraday all'inizio fu imbarazzato dalla caducità dell'effetto, ma si fidava più dei fatti che delle teorie, e alla fine arrivò alla legge dell'induzione elettromagnetica. Questa legge sembrò allora ai fisici viziata, brutta, strana, priva di logica interna.

Perché la corrente viene eccitata solo durante il movimento del magnete o la variazione di corrente nell'avvolgimento?

Nessuno l'ha capito. Anche lo stesso Faraday. Diciassette anni dopo, il ventiseienne chirurgo dell'esercito della guarnigione provinciale di Potsdam, Hermann Helmholtz, lo capì. Nel classico articolo "Sulla conservazione della forza", egli, formulando la sua legge di conservazione dell'energia, dimostrò per la prima volta che l'induzione elettromagnetica deve esistere in questa forma "brutta".

Anche l'amico più anziano di Maxwell, William Thomson, è arrivato a questo in modo indipendente. Ha anche ottenuto l'induzione elettromagnetica di Faraday dalla legge di Ampère, tenendo conto della legge di conservazione dell'energia.

Così l'induzione elettromagnetica "fuggente" acquisì i diritti di cittadinanza e fu riconosciuta dai fisici.

Ma non si adattava ai concetti e alle analogie dell'articolo di Maxwell "On Faraday linee di forza". E questo era un grave difetto dell'articolo. In pratica, il suo significato si è ridotto ad illustrare il fatto che le teorie delle interazioni a corto e lungo raggio rappresentano descrizioni matematiche diverse degli stessi dati sperimentali, che le linee di forza di Faraday non contraddicono il buon senso. Ed è tutto. Tutto, anche se era già molto.

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Dopo le scoperte Oersted e Ampere divenne chiaro che l'elettricità ha una forza magnetica. Ora era necessario confermare l'influenza dei fenomeni magnetici su quelli elettrici. Questo problema è stato brillantemente risolto da Faraday.

Michael Faraday (1791-1867) nacque a Londra, una delle zone più povere di essa. Suo padre era un fabbro e sua madre era la figlia di un fittavolo. Quando Faraday raggiunse l'età scolare, fu mandato alle elementari. Il corso seguito da Faraday qui era molto ristretto e limitato solo all'insegnamento della lettura, della scrittura e dell'inizio del conteggio.

A pochi passi dalla casa dove abitava la famiglia Faraday c'era una libreria, che era anche legatoria. È qui che è arrivato Faraday, dopo aver completato il corso scuola elementare quando è sorta la domanda sulla scelta di una professione per lui. Michael a quel tempo aveva solo 13 anni. Già in gioventù, quando Faraday aveva appena iniziato la sua autoeducazione, si sforzava di fare affidamento esclusivamente sui fatti e di verificare i resoconti degli altri con le proprie esperienze.

Queste aspirazioni lo dominarono per tutta la vita come caratteristiche principali della sua attività scientifica. esperimenti chimici Faraday iniziò a farlo da ragazzo alla prima conoscenza di fisica e chimica. Una volta che Michael ha frequentato una delle lezioni Humphrey Davy, il grande fisico inglese.

Faraday ha preso nota dettagliata della conferenza, l'ha rilegata e l'ha inviata a Davy. Fu così colpito che offrì a Faraday di lavorare con lui come segretario. Presto Davy partì per un viaggio in Europa e portò con sé Faraday. Per due anni hanno visitato le più grandi università europee.

Ritornato a Londra nel 1815, Faraday iniziò a lavorare come assistente in uno dei laboratori della Royal Institution di Londra. A quel tempo era uno dei migliori laboratori di fisica del mondo.Dal 1816 al 1818 Faraday pubblicò una serie di piccoli appunti e piccole memorie di chimica. Il primo lavoro di Faraday sulla fisica risale al 1818.

Basato sulle esperienze dei loro predecessori e combinando diversi proprie esperienze, nel settembre 1821 Michael aveva digitato "La storia di successo dell'elettromagnetismo". Già a quel tempo, ha inventato un concetto completamente corretto dell'essenza del fenomeno della deflessione di un ago magnetico sotto l'azione di una corrente.

Raggiunto questo successo, Faraday lasciò per dieci anni gli studi nel campo dell'elettricità, dedicandosi allo studio di una serie di materie di diverso genere. Nel 1823 Faraday fece una delle scoperte più importanti nel campo della fisica: per primo realizzò la liquefazione di un gas e allo stesso tempo stabilì un metodo semplice ma valido per convertire i gas in un liquido. Nel 1824 Faraday fece diverse scoperte nel campo della fisica.

Tra l'altro stabilì il fatto che la luce incide sul colore del vetro, modificandolo. A l'anno prossimo Faraday torna di nuovo dalla fisica alla chimica e il risultato del suo lavoro in quest'area è la scoperta della benzina e dell'acido naftalenico solforico.

Nel 1831, Faraday pubblicò un trattato Su un tipo speciale di illusione ottica, che servì come base per un bellissimo e curioso proiettile ottico chiamato "cromotropo". Nello stesso anno fu pubblicato un altro trattato dello scienziato "Sui piatti vibranti". Molte di queste opere potrebbero da sole immortalare il nome del loro autore. Ma il più importante di opere scientifiche Faraday sono le sue ricerche nel campo di e elettromagnetismo e induzione elettrica.

A rigor di termini, l'importante branca della fisica, che tratta i fenomeni dell'elettromagnetismo e dell'elettricità induttiva, e che attualmente è di così grande importanza per la tecnologia, è stata creata da Faraday dal nulla.

Quando Faraday si dedicò finalmente alla ricerca nel campo dell'elettricità, fu stabilito che con condizioni ordinarie la presenza di un corpo elettrificato è sufficiente perché la sua influenza eccita l'elettricità in ogni altro corpo. Allo stesso tempo, si sapeva che il filo attraverso il quale passa la corrente e che è anche un corpo elettrificato non ha alcun effetto su altri fili posti nelle vicinanze.

Cosa ha causato questa eccezione? Questa è la domanda che interessava Faraday e la cui soluzione lo ha portato scoperte importanti nel campo dell'energia elettrica ad induzione. Come al solito, Faraday iniziò una serie di esperimenti che avrebbero dovuto chiarire l'essenza della questione.

Faraday ha avvolto due fili isolati paralleli tra loro sullo stesso mattarello di legno. Collegava le estremità di un filo a una batteria di dieci elementi e le estremità dell'altro a un sensibile galvanometro. Quando la corrente è passata attraverso il primo filo,

Faraday rivolse tutta la sua attenzione al galvanometro, aspettandosi di notare dalle sue oscillazioni la comparsa di una corrente anche nel secondo filo. Tuttavia, non c'era niente del genere: il galvanometro rimase calmo. Faraday decise di aumentare la corrente e introdusse nel circuito 120 celle galvaniche. Il risultato è lo stesso. Faraday ha ripetuto questo esperimento decine di volte, tutte con lo stesso successo.

Chiunque altro al suo posto avrebbe abbandonato l'esperimento, convinto che la corrente che passa attraverso il filo non abbia alcun effetto sul filo adiacente. Ma Faraday cercò sempre di estrarre dai suoi esperimenti e dalle sue osservazioni tutto ciò che potevano dare, e quindi, non avendo ricevuto un effetto diretto sul filo collegato al galvanometro, iniziò a cercare effetti collaterali.

Si accorse subito che il galvanometro, rimanendo completamente calmo durante tutto il passaggio della corrente, cominciava ad oscillare proprio alla chiusura del circuito e alla sua apertura, anche il secondo filo è eccitato da una corrente, che nel primo caso è opposta alla prima corrente e lo stesso con essa nel secondo caso e dura un solo istante.

Queste correnti istantanee secondarie, causate dall'influenza di quelle primarie, furono chiamate induttive da Faraday, e questo nome è stato loro conservato fino ad oggi. Essendo istantanee, scomparendo istantaneamente dopo la loro comparsa, le correnti induttive non avrebbero alcun significato pratico se Faraday non avesse trovato il modo, con l'ausilio di un ingegnoso dispositivo (commutatore), di interrompere e ricondurre costantemente la corrente primaria proveniente dalla batteria attraverso il primo filo, per cui nel secondo filo è continuamente eccitato da correnti sempre più induttive, diventando così costante. Quindi è stata trovata una nuova fonte energia elettrica, oltre a quelli precedentemente noti (attrito e processi chimici), - induzione, e il nuovo tipo questa energia - elettricità ad induzione.

Continuando i suoi esperimenti, Faraday scoprì inoltre che una semplice approssimazione di un filo attorcigliato in una curva chiusa ad un altro, lungo il quale scorre una corrente galvanica, è sufficiente per eccitare una corrente induttiva in direzione opposta alla corrente galvanica in un filo neutro, che la rimozione di un filo neutro eccita nuovamente in esso una corrente induttiva, la corrente è già nella stessa direzione della corrente galvanica che scorre lungo un filo fisso, e che, infine, queste correnti induttive vengono eccitate solo durante l'avvicinamento e l'allontanamento del filo filo al conduttore della corrente galvanica, e senza questo movimento le correnti non vengono eccitate, non importa quanto siano vicini tra loro i fili.

Si è così scoperto un nuovo fenomeno, simile al sopra descritto fenomeno dell'induzione durante la chiusura e la cessazione della corrente galvanica. Queste scoperte a loro volta hanno dato vita a nuove. Se fosse possibile produrre una corrente induttiva chiudendo e fermando la corrente galvanica, non si otterrebbe lo stesso risultato dalla magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro?

Il lavoro di Oersted e Ampère aveva già stabilito il rapporto tra magnetismo ed elettricità. Si sapeva che il ferro diventa un magnete quando un filo isolato viene avvolto attorno ad esso e una corrente galvanica passa attraverso quest'ultimo, e che proprietà magnetiche di questo ferro cessare non appena cessa la corrente.

Sulla base di ciò, Faraday ha escogitato questo tipo di esperimento: due fili isolati sono stati avvolti attorno a un anello di ferro; inoltre, un filo era avvolto attorno a una metà dell'anello e l'altro attorno all'altro. Una corrente proveniente da una batteria galvanica veniva fatta passare attraverso un filo e le estremità dell'altro erano collegate a un galvanometro. E così, quando la corrente si chiudeva o si fermava, e quando, di conseguenza, l'anello di ferro veniva magnetizzato o smagnetizzato, l'ago del galvanometro oscillava rapidamente e poi si fermava rapidamente, cioè tutte le stesse correnti induttive istantanee venivano eccitate nel filo neutro - questo tempo: già sotto l'influenza del magnetismo.

Così, qui per la prima volta il magnetismo è stato convertito in elettricità. Dopo aver ricevuto questi risultati, Faraday ha deciso di diversificare i suoi esperimenti. Invece di un anello di ferro, iniziò a usare una fascia di ferro. Invece di eccitare il magnetismo nel ferro con una corrente galvanica, magnetizzò il ferro toccandolo con un magnete permanente in acciaio. Il risultato è stato lo stesso: nel filo avvolto intorno al ferro, sempre! la corrente era eccitata al momento della magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro.

Quindi Faraday ha introdotto un magnete d'acciaio nella spirale del filo - l'avvicinamento e la rimozione di quest'ultimo causato nel filo correnti di induzione. In una parola, il magnetismo, nel senso di eccitazione di correnti induttive, agiva esattamente allo stesso modo della corrente galvanica.