Історія відкриття закону електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції

Новий період у розвитку фізичної науки починається з геніального відкриття Фарадеєм електромагнітної індукції. Саме у цьому відкритті яскраво виявилася здатність науки збагачувати техніку новими ідеями. Вже сам Фарадей передбачав на основі свого відкриття існування електромагнітних хвиль. 12 березня 1832 р. він запечатав конверт із написом "Нові погляди, які підлягають нині зберіганню в запечатаному конверті в архівах Королівського товариства". Цей конверт був розкритий 1938 р. Виявилося, що Фарадей цілком ясно уявляв, що індукційні дії поширюються з кінцевою швидкістю хвильовим способом. "Я вважаю за можливе застосувати теорію коливань до поширення електричної індукції", - писав Фарадей. При цьому він вказував, що "на розповсюдження магнітного впливу потрібен час, тобто при впливі магніту на інший віддалений магніт або шматок заліза впливаюча причина (я дозволю собі назвати магнетизмом) поширюється від магнітних тіл поступово і для свого поширення вимагає певного часу Я думаю, що розповсюдження магнітних сил від магнітного полюса схоже на коливання схвильованої водної поверхні або ж на звукові коливаннячастинок повітря.

Фарадей розумів усю важливість своєї ідеї і, не маючи можливості перевірити її експериментально, вирішив за допомогою цього конверта "закріпити відкриття за собою і, таким чином, мати право у разі експериментального підтвердження оголосити цю дату датою свого відкриття". Отже, 12 березня 1832 р. людство вперше дійшло ідеї існування електромагнітні хвилі.З цієї дати починається історія відкриття радіо.

Але відкриття Фарадея мало важливе у історії техніки. Воно справило величезний вплив і розвиток наукового світорозуміння. З цього відкриття у фізику входить новий об'єкт - фізичне поле.Таким чином, відкриття Фарадея належить до фундаментальних наукових відкриттів, які залишають помітний слід у всій історії людської культури.

Син лондонського коваля палітурник народився Лондоні 22 вересня 1791 р. Геніальний самоучка у відсутності можливості навіть закінчити початкову школуі проклав шлях у науку сам. Під час навчання палітурці він читав книги, особливо з хімії, сам проробляв хімічні досліди. Слухаючи публічні лекції знаменитого хіміка Деві, він остаточно переконався, що його покликання - наука, і звернувся щодо нього з проханням прийняти працювати у Королівський інститут. З 1813, коли Фарадей був прийнятий в інститут лаборантом, і до самої смерті (25 серпня 1867) він жив наукою. Вже 1821 р., коли Фарадей отримав електромагнітне обертання, він поставив за мету " перетворити магнетизм на електрику " . Десять років пошуків та напруженої праці увінчалися відкриттям 29 серпня 1871 електромагнітної індукції.

"Двісті три фути мідного дроту в одному шматку були намотані на великий дерев'яний барабан; інші двісті три фути такого ж дроту були ізольовані у вигляді спіралі між витками першої обмотки, причому металевий контакт був усунений за допомогою шнурка. Одна з цих спіралей була з'єднана з гальванометром, а інша - з добре зарядженою батареєю зі ста пар пластин в чотири квадратні дюйми з подвійними мідними пластинами. Так описав Фарадей свій перший досвід з індукції струмів. Він назвав цей вид індукції вольта-електричною індукцією. Далі він описує свій основний досвід із залізним кільцем - прототипом сучасного трансформаторів.

"З круглого брускового м'якого заліза було зварено кільце; товщина металу дорівнювала семи восьмим дюймам, а зовнішній діаметр кільця - шести дюймам. На одну частину цього кільця були намотані три спіралі, що містять кожна близько двадцяти чотирьох футів мідного дроту, товщиною в одну. Спиралі були ізольовані від заліза і один від одного..., займаючи приблизно дев'ять дюймів по довжині кільця Ними можна було користуватися окремо і в з'єднанні, ця група позначена літерою А. На іншу частину кільця було намотано таким же способом близько шістдесяти футів так само мідного дроту у двох шматках, що утворював спіраль В, що мала однаковий напрямок зі спіралями А, але відокремлену від них на кожному кінці протягом приблизно півдюйма голим залізом.

Спіраль В з'єднувалася мідними проводами з гальванометром, розміщеним на відстані трьох футів від заліза. Окремі спіралі з'єднувалися кінці з кінцями так, що утворювали загальну спіраль, кінці якої з'єднувалися з батареєю з десяти пар пластин чотири квадратних дюйма. Гальванометр реагував негайно, і притому значно сильніше, ніж це спостерігалося, як описано вище, при користуванні вдесятеро потужнішою спіраллю, але без заліза; однак, незважаючи на збереження контакту, дія припинялася. При розмиканні контакту з батареєю стрілка знову сильно відхилялася, але у протилежному напрямку, яке індукувалося у першому випадку".

Фарадей досліджував далі безпосереднім досвідом вплив заліза, вносячи всередину порожньої котушки залізний стрижень, у цьому випадку "індукований струм чинив на гальванометр дуже сильну дію". "Подібна дія була потім отримана за допомогою звичайних магнітівФарадей назвав цю дію магнітоелектричною індукцією,вважаючи, що природа вольта-електричної та магнітоелектричної індукції однакова.

Всі описані досліди становлять зміст першого та другого розділів класичної праці Фарадея "Експериментальні дослідження з електрики", розпочатого 24 листопада 1831 р. У третьому розділі цієї серії "Про новий електричний стан матерії" Фарадей вперше намагається описати нові властивості тіл, що виявляються в електромагнітній індукції. Він називає цю виявлену їм властивість "електротонічним станом". Це перший зародок ідеї поля, яка сформувалася пізніше у Фарадея і вперше точно сформульована Максвеллом. Четвертий розділ першої серії присвячений поясненню явища Араго. Фарадей правильно зараховує це до індукційним і намагається з допомогою цього явища " отримати нове джерело електрики " . Під час руху мідного диска між полюсами магніту він отримав струм у гальванометрі за допомогою ковзних контактів. Це була перша Динамо машина.Фарадей резюмує результати своїх дослідів такими словами: "Цим було показано таким чином, що можна створити постійний струм електрики за допомогою звичайного магніту". Зі своїх дослідів з індукції в рухомих провідниках Фарадей вивів залежність між полюсністю магніту, провідником, що рухається, і напрямом індукованого струму, тобто "закон, що управляє отриманням електрики за допомогою магнітоелектричної індукції". В результаті своїх досліджень Фарадей встановив, що "здатність індукувати струми проявляється по колу навколо магнітної рівнодіючої або силової осі точно так, як розташований по колу магнетизм виникає навколо електричного струму і виявляється" * .

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, Вид. АН СРСР, 1947, стор 57.)

Іншими словами, навколо змінного магнітного потоку виникає вихрове електричне поле, Як навколо електричного струму виникає вихрове магнітне поле. Цей фундаментальний факт був узагальнений Максвеллом у вигляді двох його рівнянь електро магнітного поля.

Вивченню явищ електромагнітної індукції, особливо індукційної дії магнітного поля Землі, присвячена також друга серія "Досліджень", розпочата 12 січня 1832 р. Третю серію, розпочату 10 січня 1833 р., Фарадей присвячує доказу тотожності. , магнітоелектричного (тобто одержуваного за допомогою електромагнітної індукції). Фарадей приходить до висновку, що електрика, що отримується у різний спосіб, якісно однаково, різниця у діях лише кількісна. Цим був завданий останній удар концепції різних "флюїдів" смоляної та скляної електрики, гальванізму, тваринної електрики. Електрика виявилася єдиною, але полярною сутністю.

Дуже важлива п'ята серія "Досліджень" Фарадея, започаткована 18 червня 1833 р. Тут Фарадей починає свої дослідження електролізу, що привели його до встановлення знаменитих законів, що носять його ім'я. Ці дослідження були продовжені в сьомій серії, розпочатій 9 січня 1834 р. У цій останній серії Фарадей пропонує нову термінологію: полюси, що підводять струм в електроліт, він пропонує називати електродами,позитивний електрод називати анодом,а негативний - катодом,частинки відкладається речовини, що йдуть до анода він називає аніонами,а частинки, що йдуть до катода, - катіонами. Далі йому належать терміни електролітдля речовин, що розкладаються, іониі електрохімічні еквіваленти.Усі ці терміни міцно утрималися у науці. Фарадей робить правильний висновок із знайдених ним законів, що можна говорити про якесь абсолютній кількостіелектрики, що з атомами звичайної матерії. "Хоча ми нічого не знаємо про те, що таке атом, - пише Фарадей, - але ми мимоволі уявляємо собі якусь малу частинку, яка є нашому розуму, коли ми про неї думаємо; правда, в такому ж чи ще більшому невіданні ми знаходимося щодо електрики, ми навіть не в змозі сказати, чи являє собою особливу матерію чи матерії, чи просто рух звичайної речовини, чи ще вид якоїсь сили чи агента, проте є величезна кількість фактів, що змушують нас думати, що атоми матерії якимось чином обдаровані електричними силами або пов'язані з ними і вони зобов'язані своїми найбільш чудовими якостями, у тому числі своїм хімічним спорідненістю друг до друга " * .

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, Вид. АН СРСР, 1947, стор 335.)

Таким чином, Фарадей чітко висловив ідею "електрифікації" матерії, атомної будови електрики, причому атом електрики, або, як висловлюється Фарадей, "абсолютна кількість електрики", виявляється "так само визначеним за своєю дією,як будь-яке з тих кількостей,які, залишаючись пов'язаними з частинками матерії, повідомляють їх хімічна спорідненість".Елементарний електричний заряд, як показало подальший розвитокФізика дійсно може бути визначена з законів Фарадея.

Дуже важливе значення мала дев'ята серія "Досліджень" Фарадея. У цій серії, розпочатій 18 грудня 1834 р., йшлося про явища самоіндукції, про екстратоки замикання та розмикання. Фарадей вказує при описі цих явищ, що хоча їм притаманні риси інерції,однак від механічної інерції явище самоіндукції відрізняє той факт, що вони залежать від формипровідника. Фарадей зазначає, що "екстраток тотожний з... індукованим струмом" * . У результаті Фарадея склалося уявлення про дуже широке значення процесу індукції. В одинадцятій серії своїх досліджень, започаткованої 30 листопада 1837 р., він стверджує: "Індукція відіграє найзагальнішу роль у всіх електричних явищ, беручи участь, очевидно, у кожному їх, і носить насправді риси найпершого і значного початку" ** . Зокрема, на думку Фарадея, кожен процес зарядки є процес індукції, зміщенняпротилежних зарядів: "речовини не можуть бути заряджені абсолютно, а лише відносно, за законом, тотожним з індукцією. Будь-який заряд підтримується індукцією. Всі явища напругивключають початок індукцій" *** . Сенс цих тверджень Фарадея той, що будь-яке електричне поле ("явище напруги" - за термінологією Фарадея) обов'язково супроводжується індукційним процесом у середовищі ("зміщенням" - за пізнішою термінологією Максвелла). Цей процес визначається властивостями середовища Фарадея досвідом зі сферичним конденсатором визначив діелектричну проникність ряду речовин по відношенню до повітря.

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, Вид. АН СРСР, 1947, стор 445.)

** (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, Вид. АН СРСР, 1947, стор 478.)

*** (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, Вид. АН СРСР, 1947, стор 487.)

Закон електромагнітної індукції був значно розвинений російським фізиком Петербурзької Академії Емілієм Християновичем Ленцем(1804-1865). 29 листопада 1833 р. Ленц доповів Академії наук своє дослідження "Про визначення напрямку гальванічних струмів, що збуджуються електродинамічною індукцією". Ленц показав, що магнітоелектрична індукція Фарадея тісно пов'язана з електромагнітними силами Ампера. "Положення, за допомогою якого магнітоелектричне явище зводиться до електромагнітного, полягає в наступному: якщо металевий провідник рухається поблизу гальванічного струму або магніту, то в ньому порушується гальванічний струм такого напрямку, що якщо б даний провідник був нерухомим, то струм міг би зумовити його переміщення в протилежний бік; при цьому передбачається, що провідник, що покоїться, може переміщатися тільки в напрямку руху або в протилежному напрямку" * .

* (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 148-149.)

Цей принцип Ленца розкриває енергетику індукційних процесів та відіграв важливу роль у роботах Гельмгольця щодо встановлення закону збереження енергії. Сам Ленц зі свого правила вивів добре відомий в електротехніці принцип оборотності електромагнітних машин: якщо крутити котушку між полюсами магніту, вона генерує струм; навпаки, якщо в неї надіслати струм, вона буде обертатися. Електродвигун можна звернути до генератора і навпаки. Вивчаючи дію магнітоелектричних машин, Ленц відкриває у 1847 р. реакцію якоря.

У 1842-1843 роках. Ленц зробив класичне дослідження "Про закони виділення тепла гальванічним струмом" (повідомлено 2 грудня 1842 р., опубліковано в 1843 р.), розпочате ним задовго до аналогічних досвідів Джоуля (повідомлення Джоуля з'явилося в жовтні 1841 р.) і продовжене їм Джоуля, "оскільки досвіди останнього можуть зустріти деякі обґрунтовані заперечення, як це було показано нашим колегою паном акад. Гессом" * . Ленц вимірює величину струму за допомогою тангенс-бусолі - приладу, винайденого гельсингфорським професором Йоганном Нервандером (1805-1848), і в першій частині свого повідомлення досліджує цей прилад. У другій частині "Виділення тепла в дротах", доповненій 11 серпня 1843, він приходить до свого знаменитого закону:

"
1. Нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно опору дроту.
2. Нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно квадрату службовця для нагрівання струму ** .

* (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 361.)

** (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 441.)

Закон Джоуля – Ленца зіграв важливу роль у встановленні закону збереження енергії. Весь розвиток науки про електричні та магнітні явища підводило до ідеї єдності сил природи, до ідеї збереження цих "сил".

Майже одночасно з Фарадеєм електромагнітну індукцію спостерігав американський фізик Джозеф Генрі(1797-1878). Генрі виготовив великий електромагніт (1828), який, живлячись від гальванічного елемента з малим опором, підтримував вантаж у 2000 фунтів. Про це електромагніт згадує Фарадей і вказує, що з його допомогою можна при розмиканні отримати сильну іскру.

Генрі вперше (1832) спостерігав явище самоіндукції, та його пріоритет відзначений найменуванням одиниці самоіндукції "генрі".

У 1842 р. Генрі встановив коливальний характеррозряду лейденської банки. Тонка скляна голка, з допомогою якої він досліджував це, намагнічивалась з різною полярністю, тоді як напрямок розряду залишалося незмінним. "Розряд, яка б не була його природа, - робить висновок Генрі, - не представляється (користуючись теорією Франкліна. - П. К.) одиничним перенесенням повітряного флюїду з однієї обкладки на іншу; виявлене явище змушує нас допустити існування головного розряду в одному напрямку, а потім кілька дивних дій назад і вперед, кожна з яких є більш слабкою, ніж попередня, що триває доти, доки не настане рівновага».

Індукційні явища стають провідною темою фізичних дослідженнях. У 1845 р. німецький фізик Франц Нейман(1798-1895) дав математичний вираз закону індукції, узагальнивши дослідження Фарадея та Ленца.

Електрорушійна сила індукції виражалася у Неймана у вигляді похідної за часом від деякої функції, що індукує струм, та взаємної зміни взаємодіючих струмів. Цю функцію Нейман назвав електродинамічний потенціал.Він також знайшов вираз для коефіцієнта взаємної індукції. У творі " Про збереження сили " в 1847 р. Гельмгольц виводить неймановское вираз закону електромагнітної індукції з енергетичних міркувань. У цьому ж творі Гельмгольц стверджує, що розряд конденсатора є "не... простим рухом електрики в одному напрямку, але... протягом його то в один, то в інший бік між двох обкладок у вигляді коливань, які робляться все менше і менше, поки, нарешті, вся жива сила нічого очікувати знищена сумою опорів " .

У 1853 р. Вільям Томсон(1824-1907) дав математичну теоріюколивального розряду конденсатора та встановив залежність періоду коливань від параметрів коливального контуру(Формула Томсона).

У 1858 р. П. Блазерна(1836-1918) зняв експериментально резонансну криву електричних коливань, вивчаючи дію індукуючого розрядкою контуру, що містить батарею конденсаторів і замикає провідники на побічний контур, зі змінною довжиною провідника, що індукується. У тому ж 1858 р. Вільгельм Феддерсен(1832-1918) спостерігав іскровий розряд лейденської банки в дзеркалі, що обертається, а в 1862 р. він сфотографував зображення іскрового розряду в обертовому дзеркалі. Тим самим було коливальний характер розряду встановлено з повною очевидністю. Водночас експериментально було перевірено формулу Томсона. Так крок за кроком створювалося вчення про електричних коливаннях,що становить науковий фундамент електротехніки змінних струмів та радіотехніки.

2.7. ВІДКРИТТЯ ЯВИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

Великий внесок у сучасну електротехніку зробив англійський вчений Майкл Фарадей, праці якого, у свою чергу, були підготовлені попередніми роботами з вивчення електричних і магнітних явищ.

Є щось символічне в тому, що в рік народження М. Фарадея (1791) був опублікований трактат Луїджі Гальвані з першим описом нового фізичного явища - електричного струму, а в рік його смерті (1867) була винайдена «динамомашина» - самозбуджується генератор постійного струму, тобто. з'явилося надійне, економічне та зручне в експлуатації джерело електричної енергії. Життя великого вченого та його неповторна за своїми методами, змістом та значенням діяльність не тільки відкрили новий розділ фізики, а й відіграли вирішальну роль у народженні нових галузей техніки: електротехніки та радіотехніки.

Ось уже понад сто років багато поколінь учнівської молоді на уроках фізики та з численних книг дізнаються про історію чудового життя одного з найзнаменитіших учених, члена 68 наукових товариств та академій. Зазвичай ім'я М. Фарадея пов'язують із найбільш значним і тому найвідомішим відкриттям - явищем електромагнітної індукції, зробленим ним у 1831 р. Але ще за рік до цього, у 1830 р. за дослідження в галузі хімії та електромагнетизму М.Фарадей був обраний почесним членом Петербурзької Академії наук, членом Лондонського Королівського товариства (Британської академії наук) він був обраний ще в 1824 р. Починаючи з 1816 р., коли побачила світ перша наукова роботаМ. Фарадея, присвячена хімічному аналізу тосканської вапна, і за 1831 р., коли став публікуватися знаменитий науковий щоденник «Експериментальні дослідження з електрики», М. Фарадеєм було опубліковано понад 60 наукових праць.

Величезна працьовитість, жадоба знань, вроджений розум і спостережливість дозволили М. Фарадею досягти визначних результатів у всіх тих областях наукових досліджень, до яких звертався вчений Визнаний "король експериментаторів" любив повторювати: "Мистецтво експериментатора полягає в тому, щоб вміти ставити природі питання і розуміти її відповіді".

Кожне дослідження М. Фарадея відрізнялося такою ґрунтовністю і настільки узгоджувалося з попередніми результатами, що серед сучасників майже не було критиків його робіт.

Якщо виключити з розгляду хімічні дослідження М. Фарадея, які у своїй області також становили епоху (досить згадати про досліди зрідження газів, про відкриття бензолу, бутилену), то всі інші його роботи, на перший погляд, іноді розрізнені, як мазки на полотні художника, узяті разом, утворюють дивовижну картину всебічного дослідження двох проблем: взаємоперетворень різних форменергії та фізичного змісту середовища.

Рис. 2.11. Схема "електромагнітних обертань" (за малюнком Фарадея)

1, 2 - чаші із ртуттю; 3 - рухомий магніт; 4 - Нерухомий магніт; 5, 6 - дроти, що йдуть до батареї гальванічних елементів; 7 – мідний стрижень; 8 - Нерухомий провідник; 9 - рухомий провідник

Роботам М. Фарадея у сфері електрики започаткувало дослідження про електромагнітних обертань. З серії дослідів Ерстеда, Араго, Ампера, Біо, Савара, проведених у 1820 р., стало відомо не тільки про електромагнетизм, а й про своєрідність взаємодій струму та магніту: тут, як уже зазначалося, діяли не звичні для класичної механіки центральні сили, а сили інші, які прагнули встановити магнітну стрілку перпендикулярно до провідника. М. Фарадей поставив собі питання: чи не прагне магніт до безперервного руху навколо провідника стоком? Досвід підтвердив гіпотезу. У 1821 М. Фарадей дав опис фізичного приладу, схематично представленого на рис. 2.11. У лівій посудині з ртуттю був стрижневий постійний магніт, закріплений шарнірно в нижній частині. При включенні його струму верхня частинаоберталася довкола нерухомого провідника. У правому посудині стрижень магніту був нерухомий, а провідник зі струмом, вільно підвішений на кронштейні, ковзав по ртуті, обертаючи навколо полюса магніту. Оскільки в цьому досвіді вперше фігурує магнітоелектричний пристрій з безперервним рухом, то цілком правомірно розпочати саме з цього пристрою історію електричних машин і електродвигуна зокрема. Звернемо також увагу на ртутний контакт, який згодом знайшов застосування в електромеханіці.

Саме з цього моменту, зважаючи на все, у М. Фарадея починають складатися уявлення про загальну «взаємоперетворюваність сил». Отримавши за допомогою електромагнетизму безперервне механічний рух, він ставить собі завдання звернути явище чи, за термінологією М. Фарадея, перетворити магнетизм на електрику.

Тільки абсолютна переконаність у справедливості гіпотези про «взаємоперетворюваність» може пояснити цілеспрямованість і наполегливість, тисячі досвідів та 10 років напруженої праці, витраченої на вирішення сформульованого завдання. Торішнього серпня 1831 р. було зроблено вирішальний досвід, а 24 листопада під час засідання у Королівському суспільстві було викладено сутність явища електромагнітної індукції.

Рис. 2.12. Ілюстрація досвіду Араго («магнетизму обертання»)

1 - Провідний немагнітний диск; 2 - скляна основа для кріплення осі диска

Як приклад, що характеризує хід думок вченого та формування його уявлень про електромагнітне поле, розглянемо дослідження М. Фарадеєм явища, що одержав тоді назву «магнетизму обертання». За багато років до робіт М. Фарадея мореплавці помічали гальмуючий вплив мідного корпусу компаса на коливання магнітної стрілки. У 1824 р. Д.Ф. Араго (див. § 2.5) описав явище «магнетизму обертання», задовільно пояснити яке він, ні інші фізики було неможливо. Сутність явища полягала у наступному (рис. 2.12). Підковоподібний магніт міг обертатися навколо вертикальної осі, а над його полюсами знаходився алюмінієвий або мідний диск, який міг обертатися на осі, напрям обертання якої збігалося з напрямком обертання осі магніту. У стані спокою жодних взаємодій між диском та магнітом не спостерігалося. Але варто було почати обертати магніт, як диск прямував за ним і навпаки. Щоб унеможливити захоплення диска потоками повітря, магніт і диск були розділені склом.

Відкриття електромагнітної індукції допомогло М. Фарадею пояснити явище Д.Ф. Араго і вже на початку дослідження записати: «Я сподівався зробити з досвіду пана Араго нове джерело електрики».

Практично одночасно з М. Фарадеєм електромагнітну індукцію спостерігав видатний американський фізик Джозеф Генрі (1797-1878). Неважко уявити переживання вченого, майбутнього президента американської Національної академії наук, коли він, збираючись опублікувати свої спостереження, дізнався про публікацію М. Фарадея. Через рік Д. Генрі відкрив явище самоіндукції та екстратоки, а також встановив залежність індуктивності ланцюга від властивостей матеріалу та конфігурації сердечників котушок. У 1838 р. Д. Генрі вивчав «струми вищого ладу», тобто. струми, індуковані іншими індукованими струмами. У 1842 р. продовження цих досліджень призвело Д. Генрі до відкриття коливального характеру розряду конденсатора (пізніше, 1847 р., це відкриття повторив видатний німецький фізик Герман Гельмгольц) (1821-1894 рр.).

Звернемося до основних дослідів М. Фарадея. Перша серія дослідів закінчилася експериментом, який демонстрував явище «вольта-електричної» (за термінологією М. Фарадея) індукції (рис. 2.13, а- г). Виявивши виникнення струму у вторинному ланцюзі 2 при замиканні або розмиканні первинної 1 або при взаємному переміщенні первинного та вторинного ланцюгів (рис. 2.13, в),М. Фарадей поставив експеримент для з'ясування властивостей індукованого струму: усередину спіралі б,включеної у вторинний ланцюг, містилася сталева голка 7 (рис. 2.13, б),яка намагнічувалася індукованим струмом. Результат говорив про те, що індукований струм подібний до струму, що отримується безпосередньо від гальванічної батареї. 3.

Рис. 2.13. Схеми основних дослідів, що призвели до відкриття електромагнітної індукції

Замінивши дерев'яний чи картонний барабан 4, на який намотувалися первинна та вторинна обмотки, сталевим кільцем (рис. 2.13, г), М. Фарадей виявив більш інтенсивне відхилення стрілки гальванометра 5. Цей досвід вказував на істотну роль середовища в електромагнітних процесах. Тут М. Фарадей вперше застосовує пристрій, який можна назвати зразком трансформатора.

Друга серія дослідів ілюструвала явище електромагнітної індукції, що виникало за відсутності джерела напруги первинного ланцюга. Виходячи з того, що котушка, обтічна струмом, ідентична магніту, М. Фарадей замінив джерело напруги двома постійними магнітами (рис. 2.13, д)і спостерігав струм у вторинній обмотці при замиканні та розмиканні магнітного ланцюга. Це явище він назвав "магнітоелектричною індукцією"; Пізніше їм було зазначено, що жодної важливої ​​різниці між «вольта-електричною» та «магнітоелектричною» індукцією немає. Згодом обидва ці явища були об'єднані терміном електромагнітна індукція. У заключних експериментах (рис. 2.13, е, ж)демонструвалося поява індукованого струму під час руху постійного магніту або котушки зі струмом усередині соленоїда. Саме цей досвід наочніше за інших продемонстрував можливість перетворення «магнетизму на електрику» або, точніше висловлюючись, механічної енергії на електричну.

На основі нових уявлень М. Фарадей і пояснив фізичну сторону досвіду з диском Д.Ф. Араґо. Коротко перебіг його міркувань можна викласти в такий спосіб. Алюмінієвий (або будь-який інший провідний, але немагнітний) диск можна уявити у вигляді колеса з нескінченно. великою кількістюспиць – радіальних провідників. При відносному русі магніту та диска ці спиці-провідники «перерізають магнітні криві» (термінологія Фарадея), й у провідниках виникає індукований струм. Взаємодія струму з магнітом було вже відоме. У тлумаченні М. Фарадея привертає увагу термінологія і спосіб пояснення явища. Для визначення напрямку індуктованого струму він вводить правило ножа, що перерізає силові лінії. Це ще закон Е.Х. Ленца, для якого властива універсальність характеристики явища, а лише спроби щоразу шляхом докладних описіввстановити, чи струм протікатиме від рукоятки до кінчика леза або навпаки. Але тут важлива важлива картина: М. Фарадей на противагу прибічникам теорії далекодії, заповнює простір, у якому діють різні сили, матеріальним середовищем, ефіром, розвиваючи ефірну теорію Л. Ейлера, який, своєю чергою, під впливом ідей М.В. Ломоносова.

М. Фарадей надавав магнітним, а потім при дослідженні діелектриків та електричним силовим лініям фізичну реальність, наділяв їх властивістю пружності та знаходив дуже правдоподібні пояснення найрізноманітнішим. електромагнітним явищам, користуючись уявленням про ці пружні лінії, схожі на гумові нитки.

Минуло понад півтора сторіччя, а ми досі не знайшли більше наочного способута схеми пояснення явищ, пов'язаних з індукцією та електромеханічними діями, ніж знаменита концепція фарадіївських ліній, які й досі нам видаються матеріально відчутними.

З диску Д.Ф. Араго М. Фарадей справді зробив нове джерело електрики. Змусивши обертатися алюмінієвий чи мідний диск між полюсами магніту, М. Фарадей наклав на вісь диска та його периферію щітки.

Таким чином, була сконструйована електрична машина, що отримала пізнє найменування уніполярного генератора.

При аналізі робіт М. Фарадея виразно проявляється генеральна ідея, яка розроблялася великим ученим все його творче життя. Читаючи М. Фарадея, важко позбутися враження, що він займався лише однією проблемою взаємоперетворень різних форм енергії, проте його відкриття відбувалися між справою і служили лише цілям ілюстрації головної ідеї. Він досліджує різні видиелектрики (тварини, гальванічну, магнітну, термоелектрику) і, доводячи їх якісну тотожність, відкриває закон електролізу. При цьому електроліз, як і здригання м'язів препарованої жаби, служив спочатку лише доказом того, що всі види електрики проявляються в однакових діях.

Дослідження статичної електрики та явища електростатичної індукції привели М. Фарадея до формування уявлень про діелектриків, до остаточного розриву з теорією далекодії, до чудових досліджень розряду в газах (відкриття фарадеєва темного простору). Подальше дослідження взаємодії та взаємоперетворення сил привели його до відкриття магнітного обертання площини поляризації світла, до відкриття діамагнетизму та парамагнетизму. Переконаність у загальності взаємоперетворень змусила М. Фарадея навіть звернутися до дослідження зв'язку між магнетизмом та електрикою, з одного боку, та силою тяжіння, з іншого. Правда, дотепні досліди Фарадея не дали позитивного результату, але це не похитнуло його впевненості у зв'язку між цими явищами.

Біографи М. Фарадея люблять наголошувати на тому факті, що М. Фарадей уникав користуватися математикою, що на багатьох сотнях сторінок його «Експериментальних досліджень з електрики» немає жодної математичної формули. У зв'язку з цим доречно навести висловлювання співвітчизника М. Фарадея великого фізика Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879 рр.): «Приступивши до вивчення праці Фарадея, я встановив, що його метод розуміння явищ був також математичним, хоч і не представленим у формі звичайних математичні символи. Я також виявив, що цей метод можна висловити у звичайній математичній формі і, таким чином, порівняти з методами професійних математиків».

«Математичність» мислення Фарадея можна ілюструвати його законами електролізу або, наприклад, формулюванням закону електромагнітної індукції: кількість наведеної в рух електрики прямо пропорційна числу перетнутих силових ліній. Достатньо уявити собі останнє формулювання у вигляді математичних символів, і ми негайно отримуємо формулу, з якої дуже швидко випливає знамените d?/dt, де? - магнітне потокозчеплення.

Д.К. Максвелл, що народився в рік відкриття явища електромагнітної індукції, дуже скромно оцінював свої заслуги перед наукою, підкреслюючи, що він лише розвинув та вдягнув у математичну форму ідеї М. Фарадея. Максвелову теорію електромагнітного поля гідно оцінили вчені кінця XIXі початку XX ст., коли на ґрунті ідей Фарадея – Максвелла почала розвиватися радіотехніка.

Для характеристики прозорливості М. Фарадея, його вміння проникати в глиб найскладніших фізичних явищ важливо нагадати тут, що ще 1832 р. геніальний вчений ризикнув припустити, що електромагнітні процеси мають хвильовий характер, причому магнітні коливання та електрична індукція поширюються з кінцевою швидкістю.

Наприкінці 1938 р. в архівах Лондонського Королівського товариства було виявлено запечатаний лист М. Фарадея, датований 12 березня 1832 р. Воно пролежало безвісно більше 100 років, а в ньому були такі рядки:

«Деякі результати досліджень… привели мене до висновку, що у поширення магнітного впливу потрібен час, тобто. при вплив одного магніту на інший віддалений магніт або шматок заліза впливаюча причина (яку я дозволю собі назвати магнетизмом) поширюється від магнітних тіл поступово і для свого поширення вимагає певного часу, який, очевидно, виявиться дуже незначним.

Я вважаю також, що електрична індукція поширюється так само. Я вважаю, що поширення магнітних сил від магнітного полюса схоже на коливання схвильованої водної поверхні або звукові коливання частинок повітря, тобто. я маю намір прикласти теорію коливань до магнітних явищ, як це зроблено стосовно звуку, і є найімовірнішим поясненням світлових явищ.

За аналогією я вважаю за можливе застосувати теорію коливань до поширення електричної індукції. Ці погляди хочу перевірити експериментально, але оскільки мій час зайнято виконанням службових обов'язків, що може викликати продовження дослідів … я хочу, передаючи цей лист для зберігання Королівському суспільству, закріпити відкриття у себе певною датою…» .

Оскільки ці ідеї М. Фарадея залишалися невідомими, немає підстав відмовляти великому його співвітчизнику Д.К. Максвелла у відкритті цих ідей, яким він надав строгу фізико-математичну форму і фундаментальне значення.

З книги Дивовижна механіка автора Гулія Нурбей Володимирович

Відкриття древнього гончаря Одне з величних міст Межиріччя – стародавній Ур. Він величезний і багатоликий. Це майже ціла держава. Сади, палаци, майстерні, складні гідротехнічні споруди, культові будівлі. У невеликій гончарній майстерні, на вигляд

З книги Правила влаштування електроустановок у питаннях та відповідях [Посібник для вивчення та підготовки до перевірки знань] автора Красник Валентин Вікторович

Забезпечення електромагнітної сумісності пристроїв зв'язку та телемеханіки Питання. Як виконуються пристрої зв'язку та телемеханіки? Відповідь. Виконуються перешкодно захищеними зі ступенем, достатнім для забезпечення їх надійної роботи як у нормальних, так і аварійних.

З книги Секретні автомобілі Радянської Армії автора Кочнєв Євген Дмитрович

Сімейство «Відкриття» (КрАЗ-6315/6316) (1982 – 1991 рр.) У лютому 1976 року вийшла секретна Постанова Радміну та ЦК КПРС про розробку на основних радянських автозаводах сімейств принципово нових важких армійських вантажівок та автопоїздів, виконаних за

З книги Шелест гранати автора Прищепенко Олександр Борисович

5.19. За що полюбляють постійні магніти. Саморобний приладдля виміру індукції поля. Інший прилад, що позбавляє мук з розрахунком обмотки Величезною перевагою магнітів було те, що постійне в часі поле не потребувало синхронізації з вибуховими процесами і

З книги Нові джерела енергії автора Олександр Володимирович Фролов

Глава 17 Капілярні явища Окремий клас пристроїв перетворення теплової енергії середовища утворюють численні капілярні машини, які виконують роботу без витрат палива. Подібних проектів в історії техніки відомо безліч. Складність у тому, що ті ж

З книги Метал Століття автора Миколаїв Григорій Ілліч

Глава 1. ВІДКРИТТЯ ЕЛЕМЕНТА ХОБІ священика Сім металів давнини, і навіть сірка і вуглець - і всі елементи, із якими людство познайомилося багато тисячоліття свого існування до XIII століття нашої ери. Вісім століть тому розпочався період алхімії. Він

З книги Історія електротехніки автора Колектив авторів

1.3. ВІДКРИТТЯ НОВИХ ВЛАСТИВ ЕЛЕКТРИКИ Одним з перших, хто, познайомившись з книгою В. Гільберта, вирішив отримати сильніші прояви електричних сил, був відомий винахідник повітряного насоса та досвіду з півкулями магдебурзький бургомістр Отто фон Геріці

З книги Історія видатних відкриттівта винаходів (електротехніка, електроенергетика, радіоелектроніка) автора Шнейберг Ян Абрамович

2.4. ВІДКРИТТЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГИ І ЇЇ ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ Найбільший інтерес із усіх робіт В.В. Петрова представляє відкриття їм 1802 р. явища електричної дуги між двома вугільними електродами, з'єднаними з полюсами створеного ним джерела високого

З книги автора

2.6. ВІДКРИТТЯ ЯВИ ТЕРМОЕЛЕКТРИКИ ТА ВСТАНОВЛЕННЯ ЗАКОНІВ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЛАНЦЮГУ Подальше вивчення явищ електрики та магнетизму призвело до відкриття нових фактів .У 1821 р. професор Берлінського університету Томас І8

З книги автора

3.5. ВІДКРИТТЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ І СТВОРЕННЯ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ, Що обертає Початок сучасного етапу в розвитку електротехніки відноситься до 90-х років XIX століття, коли вирішення комплексної енергетичної проблеми викликало до життя електропередачу і

З книги автора

Розділ 5 Відкриття електромагнетизму та створення різноманітних електричних машин, що ознаменували початок електрифікації Відкриття дії «електричного конфлікту» на магнітну стрілку У червні 1820 р. у Копенгагені було видано латинською мовоюневелика брошура

Електромагнітна індукція- Явлення виникнення електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що проходить через нього. Електромагнітна індукція була відкрита Майклом-Фарадеєм 29 серпня 1831 року. Він виявив, що електрорушійна сила (ЕРС), що виникає в замкнутому провідному контурі, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену цим контуром. Величина електрорушійної сили залежить від того, що причиною зміни потоку - зміна самого магнітного поля чи рух контуру (чи його частини) в магнітному полі. Електричний струм, викликаний цією ЕРС, називається індукційним струмом.

Енциклопедичний YouTube

• 1 / 5

  Відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея (в СІ):

  E = − d Φ B d t (\displaystyle (\mathcal (E))=-((d\Phi _(B)) \over dt))- електрорушійна сила, що діє вздовж довільно обраного контуру, = ∬ S B → ⋅ d S → , (\displaystyle =\iint \limits _(S)(\vec (B))\cdot d(\vec (S)),)- магнітний поток через поверхню, обмежену цим контуром.

  Знак «мінус» у формулі відображає правило Ленца, назване так під назвою російського фізика Еге. Х. Ленца :

  Індукційний струм, що виникає в замкнутому провідному контурі, має такий напрямок, що створюване ним магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку, яким був викликаний даний струм.

  Для котушки, що перебуває в змінному магнітному полі, закон Фарадея можна записати так:

  E = − N d Φ B dt = − d Ψ dt (\displaystyle (\mathcal (E))=-N((d\Phi _(B)) \over dt)=-((d\Psi ) \over dt)) E (\displaystyle (\mathcal (E)))- електрорушійна сила, N (\displaystyle N)- Число витків, Φ B (\displaystyle \Phi _(B))- магнітний потік через один виток, Ψ (\displaystyle \Psi )- Потокосчеплення котушки.

  Векторна форма

  У диференціальній формі закон Фарадея можна записати у такому вигляді:

  rot E → = − ∂ B → ∂ t (\displaystyle \operatorname (rot) \,(\vec (E))=-(\partial (\vec (B)) \over \partial t))(У системі СІ) rot E → = − 1 c ∂ B → ∂ t (\displaystyle \operatorname (rot) \,(\vec (E))=-(1 \over c)(\partial (\vec (B)) \over \ partial t))(У системі СГС).

  В інтегральній формі (еквівалентній):

  ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ dl → = − ∂ ∂ t ∫ SB → ⋅ ds → (\displaystyle \oint _(\partial S)(\vec (E))\cdot (\vec (dl))=-( \partial \over \partial t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(СІ) ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ dl → = − 1 c ∂ t ∫ SB → ⋅ ds → (\displaystyle \oint _(\partial S)(\vec (E))\cdot (\vec (dl))= -(1 \over c)(\partial \over \partial t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(СГС)

  Тут E → (\displaystyle (\vec (E)))- напруженість електричного поля , B → (\displaystyle (\vec (B)))- магнітна, індукція, S (\displaystyle S\)- довільна поверхня, - її межа. Контур інтегрування ∂ S (\displaystyle \partial S)мається на увазі фіксованим (нерухомим).

  Слід зазначити, що закон Фарадея в такій формі, очевидно, визначає лише ту частину ЕРС, що виникає при зміні магнітного потоку через контур рахунок зміни з часом самого поля без зміни (руху) меж контуру (про врахування останнього див. нижче).

  Якщо ж, скажімо, магнітне поле постійно, а магнітний потік змінюється внаслідок руху кордонів контуру (наприклад, при збільшенні його площі), то ЕРС породжується силами, що утримують заряди на контурі (у провіднику) і силою Лоренця, що породжується прямою дією магнітного поля на заряди, що рухаються (з контуром). При цьому рівність E = − d Φ / d t (\displaystyle (\mathcal (E))=-((d\Phi )/dt))продовжує дотримуватися, але ЕРС у лівій частині тепер не зводиться до ∮ ⁡ E → ⋅ d l → (\displaystyle \oint (\vec (E))\cdot (\vec (dl)))(яке у цьому приватному прикладі взагалі дорівнює нулю). У загальному випадку (коли і магнітне поле змінюється з часом, і контур рухається або змінює форму) остання формула правильна так само, але ЕРС у лівій частині в такому разі є сума обох доданків, згаданих вище (тобто породжується частково вихровим електричним полем, а частково силою Лоренца і силою реакції провідника, що рухається).

  Потенційна форма

  При вираженні магнітного поля через векторний потенціал закон Фарадея набуває вигляду:

  E → = − ∂ A → ∂ t (\displaystyle (\vec (E))=-(\partial (\vec (A)) \over \partial t))(у разі відсутності безвихрового поля, тобто тоді, коли електричне поле породжується повністю зміною магнітного, тобто електромагнітної індукцією).

  У загальному випадку, при врахуванні та безвихрового (наприклад, електростатичного) поля маємо:

  E → = − ∇ φ − ∂ A → ∂ t (\displaystyle (\vec (E))=-\nabla \varphi -(\partial (\vec (A)) \over \partial t))

  Детальніше

  Оскільки вектор магнітної індукції за визначенням виражається через векторний потенціал так:

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

  то можна підставити цей вираз у

  rot E → ≡ ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t , (\displaystyle rot\ (\vec (E))\equiv \nabla \times (\vec (E))=-(\frac (\partial ( \vec (B)))(\partial t)),) ∇ × E → = − ∂ (∇ × A →) ∂ t , (\displaystyle \nabla \times (\vec (E))=-(\frac (\partial (\nabla \times (\vec (A))) ))(\partial t)),)

  і, помінявши місцями диференціювання за часом та просторовими координатами (ротор):

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

  Звідси, оскільки ∇ × E → (\displaystyle \nabla \times (\vec (E)))повністю визначається правою частиною останнього рівняння, видно, що вихрова частина електричного поля (та частина, яка має ротор, на відміну безвихрового поля ∇ φ (\displaystyle \nabla \varphi)) - повністю визначається виразом

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

  Тобто. у разі відсутності безвихрової частини можна записати

  E → = − ∂ A → ∂ t , (\displaystyle (\vec (E))=-(\frac (\partial (\vec (A)))(\partial t)),)

  а в загальному випадку

  E → = − ∇ φ − d A → d t. (\displaystyle (\vec (E))=-\nabla \varphi -(\frac (d(\vec (A)))(dt)).) 1831 року настав тріумф: він відкрив явище електромагнітної індукції. Установка, на якій Фарадей зробив своє відкриття, полягала в тому, що Фарадей виготовив кільце з м'якого заліза приблизно 2 см завширшки та 20 см діаметром та намотав багато витків мідного дроту на кожній половині кільця. Ланцюг однієї обмотки замикав дріт, в її витках знаходилася магнітна стрілка, віддалена настільки, щоб не давалася взнаки дія магнетизму, створеного в кільці. Через другу обмотку пропускався струм від батареї гальванічних елементів. При включенні струму магнітна стрілка робила кілька коливань та заспокоювалася; коли струм переривали, стрілка знову вагалася. З'ясувалося, що стрілка відхилялася в один бік при включенні струму та в інший, коли струм переривався. М. Фарадей встановив, що "перетворювати магнетизм на електрику" можна і за допомогою звичайного магніту.

  В цей же час американський фізик Джозеф Генрі також успішно проводив досліди з індукції струмів, але поки він збирався опублікувати результати своїх дослідів, у пресі з'явилося повідомлення М. Фарадея про відкриття ним електромагнітної індукції.

  М. Фарадей прагнув використати відкрите їм явище, щоб отримати нове джерело електрики.

  
  У 1821 р. Майкл Фарадей записав у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм на електрику». Через 10 років це завдання було ним вирішено.
  Відкриття Фарадея
  Невипадково перший і найважливіший крок у відкритті нових властивостей електромагнітних взаємодій було зроблено основоположником поглядів на електромагнітному полі - Фарадеєм. Фарадей був у єдиній природі електричних і магнітних явищ. Незабаром після відкриття Ерстеда він писав: «...представляється дуже незвичайним, щоб, з одного боку, всякий електричний струм супроводжувався магнітною дією відповідної інтенсивності, спрямованою під прямим кутом до струму, і щоб у той же час у хороших провідниках електрики, поміщених у сферу цієї дії, зовсім не індукував струм, не виникало будь-яке відчутне дію, еквівалентне за силою такого струму». Наполеглива праця протягом десяти років і віра в успіх привели Фарадея до відкриття, яке згодом лягло в основу устрою генераторів усіх електростанцій світу, що перетворюють механічну енергію на енергію електричного струму. (Джерела, що працюють на інших принципах: гальванічні елементи, акумулятори, термо- і фотоелементи - дають нікчемну частку електричної енергії, що виробляється.)
  Довгий час взаємозв'язок електричних та магнітних явищ виявити не вдавалося. Важко було додуматися до головного: магнітне поле, що тільки міняється в часі, може порушити електричний струм у нерухомій котушці або сама котушка повинна рухатися в магнітному полі.
  Відкриття електромагнітної індукції, як назвав Фарадей це явище, було зроблено 29 серпня" 1831 р. Рідкісний випадок, коли настільки точно відома дата нового чудового відкриття. Ось короткий опис першого досвіду, дане самим Фарадеєм.
  «На широку дерев'яну котушку був намотаний мідний дріт завдовжки 203 фути, і між витками його намотаний дріт такої ж довжини, але ізольований від першої бавовняної ниткою. Одна з цих спіралей була з'єднана з гальванометром, а інша - з сильною батареєю, що складається з 100 пар пластин... При замиканні ланцюга вдалося помітити раптову, але надзвичайно слабку дію на гальванометр, і те саме помічалося при припиненні струму. При безперервному ж проходженні струму через одну зі спіралей не вдавалося відзначити ні дії на гальванометр, ні взагалі будь-якої індукційної дії на іншу спіраль, несмо- Рис. 5.1
  тря на те, що нагрівання всієї спіралі, з'єднаної з батареєю, і яскравість іскри, що проскакує між вугіллям, свідчили про потужність батареї».
  Отже, спочатку була відкрита індукція у нерухомих один щодо одного провідниках при замиканні та розмиканні ланцюга. Потім, ясно розуміючи, що зближення або видалення провідників зі струмом має призводити до того ж результату, що і замикання та розмикання ланцюга, Фарадей за допомогою дослідів довів, що струм виникає при переміщенні котушок щодо один одного (рис. 5.1). Знайомий з працями Ампера, Фарадей розумів, що магніт - це сукупність дрібних струмів, що циркулюють у молекулах. 17 жовтня, як зареєстровано у його лабораторному журналі, було виявлено індукційний струм у котушці під час всування (або висування) магніту (рис. 5.2). Протягом одного місяця Фарадей досвідченим шляхом відкрив усі суттєві особливості явища електромагнітної індукції. Залишалося тільки надати закону сувору кількісну форму і повністю розкрити фізичну природу явища.
  Вже сам Фарадей уловив те спільне, від чого залежить поява індукційного струму в дослідах, які виглядають по-різному.
  У замкненому проводить контурі виникає струм при зміні числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром. І що швидше змінюється число ліній магнітної індукції, то більше вписується струм. При цьому причина зміни числа ліній магнітної індукції є абсолютно байдужою. Це може бути і зміна числа ліній магнітної індукції, що пронизують нерухомий провідник внаслідок зміни сили струму в сусідній котушці, і зміна числа ліній внаслідок руху контуру в неоднорідному магнітному полі, густота ліній якого змінюється у просторі (рис. 5.3).
  Фарадей як відкрив явище, а й першим сконструював недосконалу поки що модель генератора електричного струму, перетворюючого механічну енергію обертання струм. Це був масивний мідний диск, що обертався між полюсами. сильного магніту(Рис. 5.4). Приєднавши вісь і край диска до гальванометра, Фарадей виявив відхилення.
  В
  \

  \
  \
  \
  \
  \
  \
  \L

  S ня стрілки. Струм був, щоправда, слабкий, але знайдений принцип дозволив згодом побудувати потужні генератори. Без них електрика і досі була б мало кому доступною розкішшю.
  У замкнутому контурі, що проводить, виникає електричний струм, якщо контур знаходиться в змінному магнітному полі або рухається в постійному в часі полі так, що число ліній магнітної індукції, що пронизують контур, змінюється. Це називається електромагнітної індукцією.

  У підручнику фізики для IX класу дано короткий екскурс в історію відкриття закону, що розглядається. Огляд доцільно доповнити. Йдеться фундаментальний закон природи, і треба розкрити його сторони у процесі становлення. Розповідь про процес пошуків закону Фарадеєм особливо повчальний, і тут не потрібно шкодувати часу.
  Майкл Фарадей народився в 1791 р. на околицях Лондона в сім'ї коваля. Батько не мав коштів для плати за навчання, і Фарадей у ​​13 років був змушений розпочати вивчення палітурної справи. На щастя, він потрапив у учні до власника книгарні. Допитливий хлопчик жадібно читав, причому нелегку літературу. Його залучали статті з природничим наукаму Британській енциклопедії, він студіював «Бесіди про хімію» Марса. У 1811 р. Фарадей почав відвідувати загальнодоступні лекції з фізики відомого лондонського педагога Тетума.
  Поворотним у житті Фарадея був 1812 р. Клієнт власника книгарні, член Королівського інституту Денс рекомендував юнакові прослухати лекції знаменитого хіміка Гемфрн Деві. Фарадей пішов доброї поради; він жадібно слухав і ретельно конспектував. За порадою того ж Денса він обробив записи і надіслав їх Деві, приєднавши прохання про надання можливості дослідницької роботи. У 1813 р. Фарадей отримав місце лаборанта у хімічній лабораторії Королівського інституту, якою керував Деві.
  Спочатку Фарадей – хімік. Він швидко стає на шлях самостійної творчості, і самолюбству Деві доводиться часто страждати від успіхів учня. У 1820 р. Фарадей дізнається про відкриття Ерстеда, і з цього часу його думки поглинають електрику та магнетизм. Він розпочинає свої знамениті експериментальні дослідження, що призвели до перетворення фізичного мислення. У 1823 р. Фарадей був обраний членом Лондонського Королівського товариства, а потім призначений директором фізичної та хімічної лабораторій Королівського інституту. У стінах цих лабораторій було здійснено найбільші відкриття. Життя Фарадея, зовні монотонне, вражаюче за творчою напругою. Про нього свідчить тритомна: праця «Експериментальні дослідження з електрики», в якій відображено крок за кроком творчий шлях генія.
  У 1820 р. Фарадей ставить нову проблему: «перетворити магнетизм на електрику». Це було незабаром після відкриття магнітної діїструмів. У досвіді Ерстеда електричний струм діє на магніт. Оскільки, згідно з Фарадею, всі сили природи взаємоперетворені, можна, навпаки, магнітною силою порушити електричний струм.
  Фарадей зріджує гази, виробляє тонкі хімічні аналізи, відкриває нові хімічні властивості речовин. Але думка його невідступно зайнята поставленою проблемою. У 1822 р. він описує спробу виявити «стан», зумовлений течією струму: «поляризувати промінь світла від лампи шляхом відображення і спробувати виявити, чи не вплине деполяризуюча дія вода, розташована між полюсами, вольтової батареї у скляній посудині...» Фарадей сподівався таким чином отримати будь-яку інформацію про властивості струму. Але досвід нічого не дав. Далі йде 1825 рік. Фарадей публікує статтю «Електромагнітний струм (під впливом магніту)», де висловлює таку думку. Якщо струм діє на магніт, він повинен відчувати, протидія. «З різних міркувань, - пише Фарадей,- було зроблено припущення, що наближення полюса сильного магніту буде зменшувати електричний струм». І він описує досвід, який реалізує цю ідею.
  У щоденнику від 28 листопада 1825 р. описаний аналогічний досвід. Батарея електричних елементів з'єднувалася проводом. Паралельно цьому дроту розташовувався інший (проводи поділялися подвійним шаром паперу), кінці якого приєднувалися до гальванометру. Фарадей міркував, мабуть, так. Якщо струм є рух електричної рідини і цей рух діє на постійний магніт - сукупність струмів (з гіпотези Ампера), то рідина, що рухається, в одному провіднику повинна змусити рухатися нерухому - в іншому, і гальванометр повинен зафіксувати струм. «Різні міркування», про які писав Фарадей при викладі першого досвіду, зводилися до того ж, тільки там очікувалася реакція електричного флюїду, що рухається в провіднику, з боку молекулярних струмів постійного магніту. Але досліди дали негативний результат.
  Рішення прийшло в 1831, коли Фарадей припустив, що індукція повинна виникнути при і нестаціонарному процесі. То була ключова думка, що призвела до відкриття явища електромагнітної індукції.
  Можливо, що ідеї зміни струму змусило звернутися повідомлення, отримане з Америки. Звістка надійшла від американського фізика Джозефа Генрі (1797 - 1878).
  У молоді роки Генрі не виявляв ні виняткових здібностей, ні інтересу до науки. Виріс він у злиднях, був наймитом на фермі, актором. Так само, як і Фарадей, він займайся самоосвітою. Вчитися почав із 16 років в академії міста Олбані. За сім місяців він засвоїв стільки знань, що отримав місце вчителя у сільській школі. Потім Генрі працював у професора хімії Бека як лекційний асистент. Роботу він поєднував із навчанням в академії. Після закінчення курсу Генрі був призначений інженером та інспектором на каналі Ері. Через кілька місяців він залишив цю вигідну посаду, прийнявши запрошення на посаду професора математики та фізики в Олбані. У цей час англійський винахідник Вільям Стерджен (1783 - 1850) повідомив про свій винахід підковоподібного магніту, здатного підняти сталеві тіло вагою до чотирьох кілограмів.
  Генрі захопився електромагнетизмом. Він одразу знайшов спосіб збільшити підйомну силу до тонни. Досягти цього вдалося новим тоді прийомом: замість ізоляції тіла магніту ізолювався провід. Відкрився спосіб створення багатошарових обмоток. Ще в 1831 р. Генрі показав можливість побудови електродвигуна, винайшов електромагнітне реле, і з його допомогою демонстрував передачу електричних сигналів на відстань, передбачивши винахід Морзе (телеграф Морзе з'явився в 1837).
  Подібно до Фарадею Генрі поставив перед собою завдання отримати електричний струм за допомогою магніту. Але це була постановка завдання винахідника. І пошуки прямували голою інтуїцією. Відкриття відбулося кілька років до досвіду Фарадея. Постановка ключового досвіду Генрі зображено малюнку 9. Тут так само, як і досі. Тільки гальванічному елементу ми віддаємо перевагу більш зручному акумулятору, а замість крутильних ваг користуємося гальванометром.
  Але Генрі не повідомив про цей досвід нікому. «Мені слід було надрукувати це раніше, - казав він скрушно своїм друзям, - Але в мене було так мало часу! Хотілося звести отримані результати до якоїсь системи»(курсив мій.- Ст.Д.). І відсутність регулярної освіти і ще більше – утилітарно-винахідницький дух американської науки зіграли погану роль. Генрі, звичайно, не зрозумів і не відчув глибини та важливості нового відкриття. Інакше він, звичайно, повідомив би вчений світ про найбільшому факті. Умовчавши про індукційні досліди, Генрі одразу ж надіслав повідомлення, коли йому вдалося підняти електромагнітом цілу тонну.
  Саме це повідомлення і одержав Фарадей. Можливо, воно послужило останньою ланкою в ланцюгу висновків, що призвели до ключової ідеї. У досвіді 1825 р. два дроти відокремлювалися папером. Індукція мала бути, але не виявлялася внаслідок слабкості ефекту. Генрі показав, що у електромагніті ефект різко посилюється при застосуванні багатошарової обмотки. Отже, індукція має зрости, якщо індуктивна дія передаватиметься великою довжиною. Справді, магніт – збори струмів. Порушення намагнічування в сталевому стрижні при пропусканні струму за обмоткою є індукція струму струмом. Вона посилюється, якщо шлях струму по обмотці стає довшим.
  Такий можливий ланцюг логічних висновків Фарадея. Ось повний описпершого успішного досвіду: «Двісті три фути мідного дроту в одному шматку були намотані на великий дерев'яний барабан; інші двісті три фути такого ж дроту були прокладені у вигляді спіралі між витками першої обмотки, причому металевий контакт скрізь усунений за допомогою шнурка. Одна з цих спіралей була з'єднана з гальванометром, а інша - з добре зарядженою батареєю зі ста пар пластин у чотири квадратні дюйми з подвійними мідними пластинками. При замиканні контакту спостерігалася раптова, але дуже слабка дія на гальванометр, і подібна слабка дія мала місце при розмиканні контакту з батареєю».
  Такий був перший досвід, що дав позитивний результатпісля десятирічних пошуків. Фарадей встановлює, що з замиканні і розмиканні виникають індукційні струми протилежних напрямів. Далі він переходить до вивчення впливу заліза на індукцію.
  «З круглого брускового, м'якого заліза було зварено кільце; товщина металу дорівнювала семи-восьми дюймам, а зовнішній діаметр кільця - шести дюймам. На одну частину цього кільця було намотано три спіралі, кожна з яких містила близько двадцяти чотирьох футів мідного дроту завтовшки одну двадцяту дюйма. Спіралі були ізольовані від заліза і один від одного і накладені одна на одну... Ними можна було скористатися окремо та в поєднанні; ця група позначена літерою А(Рис. 10). На іншу частину кільця було намотано таким же способом близько шістдесяти футів такого ж мідного дроту у двох шматках, що утворили спіраль. В,яка мала однаковий напрямок зі спіралями А,але була відділена від них кожному кінці протягом приблизно півдюйма голим залізом.
  Спіраль Вз'єднувалася мідними проводами з гальванометром, розміщеним на відстані трьох футів від кільця. Окремі спіралі Аз'єднувалися кінець з кінцем так, що утворили загальну спіраль, кінці якої були з'єднані з батареєю з десяти пар пластин чотири квадратних дюйма. Гальванометр реагував негайно, причому значно сильніше, ніж це спостерігалося вище, при користуванні вдесятеро потужнішою спіраллю без заліза».
  Нарешті, Фарадей здійснює досвід, з якого досі зазвичай починають виклад питання про електромагнітну індукцію. Це було точне повторення досвіду Генрі, зображеного малюнку 9.
  Завдання, поставлене Фарадеєм в 1820 р., було вирішено: магнетизм було перетворено на електрику.
  Спочатку Фарадей розрізняє індукцію струму від струму (її він називає «вольта-електрична індукція» та струму від магніту («магніто-електрична індукція»). Але потім він показує, що всі випадки підпорядковуються одній загальній закономірності.
  Закон електромагнітної індукції охопив і іншу групу явищ, яка згодом отримала назву явищ самоіндукції. Фарадей назвав нове явище так: «Індуктивний вплив електричного струму на себе».
  Питання це виникло у зв'язку з наступним фактом, повідомленим Фарадею 1834 р. Дженкіним. Факт цей полягав у наступному. Дві пластини гальванічної батареї з'єднуються дротом невеликої довжини. При цьому жодними хитрощами експериментатору не вдається отримати від цього дроту електричного удару. Але якщо взяти замість дроту обмотку електромагніту, то щоразу при розмиканні ланцюга відчувається удар. Фарадей писав: Одночасно спостерігається інше, давно відоме вченим явище,а саме: у місці роз'єднання проскакує яскрава електрична іскра» (курсив мій - В. Д.).
  Фарадей почав обстеження цих фактів і незабаром відкрив низку нових сторін явища. Йому знадобилося трохи часу, щоб встановити «тотожність явищ із явищами індукції». Досліди, які досі демонструються і в середній, і у вищій школі при поясненні явища самоіндукції, були поставлені Фарадеєм в 1834 році.
  Незалежно аналогічні досліди було поставлено Дж. Генрі, проте, як і досліди з індукції, вони своєчасно були опубліковані. Причина та сама: Генрі не знайшов фізичної концепції, що охоплює різноманітні за формою явища.
  Для Фарадея самоіндукція була фактом, який висвітлив подальший шлях пошуків. Узагальнюючи спостереження, він дійшов висновків великого важливого значення. «Не підлягає сумніву, що струм в одній частині проводу може діяти шляхом індукції на інші частини того самого проводу, що знаходяться поруч... Саме це і створює враження, що струм діє на самого себе».
  Не знаючи природи струму, Фарадей тим не менш точно вказує на суть справи: «Коли струм діє шляхом індукції поряд з ним розташована провідна речовина, то, ймовірно, він діє на електрику, що є в цій провідній речовині,- все одно, чи знаходиться останнє в стан струму або воно нерухоме; у першому випадку він посилює чи послаблює струм, дивлячись у його напрямі у другому - створює струм».
  Математичний вираз закону електромагнітної індукцій дав у 1873 р. Максвелл у «Трактаті з електрики та магнетизму». Лише після цього він став основою кількісних розрахунків. Отже, закон електромагнітної індукції слід називати законом Фарадея-Максвелла.
  Методичні зауваження. Відомо, що порушення індукційного струму в провіднику, що рухається в постійному магнітному полі, і в нерухомому провіднику, що знаходиться в змінному магнітному полі, підпорядковується тому самому закону. Для Фарадея і Максвелла це було очевидно, оскільки вони уявляли лінії магнітної індукції як реальні освіти в ефірі. При включенні та виключенні струму або змінах сили струму навколо провідників, що становлять ланцюг, лінії магнітної індукції переміщуються. У цьому вони перетинають саму ланцюг, зумовлюючи явище самоіндукції. Якщо біля ланцюга з струмом, що змінюється, знаходиться який-небудь провідник, то лінії магнітної індукції, перетинаючи його, збуджують ЕРС електромагнітної індукції.
  Матеріалізація силових ліній електричного поля та ліній магнітної індукції стали надбанням історії. Однак було б помилково надавати силовим лініям лише формального характеру. Сучасна фізика вважає, що силова лінія електричного поля та лінія магнітної індукції-це геометричне місце точок, в яких дане поле має стан, відмінний від стану в інших точках. Цей стан визначається значеннями векторів та у цих точках. При змінах поля вектори та змінюються відповідно змінюється, конфігурація силових ліній. Стан поля може переміщатися у просторі зі швидкістю світла. Якщо провідник перебуває у полі, стан якого змінюється, у провіднику порушується ЕРС.

  Випадок, коли поле постійно, а провідник переміщається у цьому полі, не описується теорією Максвелла. Вперше на це звернув увагу Ейнштейн. Його основна робота «До електродинаміки рухомих тіл» якраз і починається з обговорення недостатності теорії Максвелла в цьому пункті. Явище збудження ЕРС у провіднику, що рухається на постійному магнітному полі, може бути включено в рамки теорії електромагнітного поля, якщо її доповнити принципом відносності та принципом сталості швидкості світла.

  Рекомендуємо також

  • Імпульсний блок живлення: ремонт та доробка
  • Дистанційне керування світлом
  • Навчання плавання дітей дошкільного віку
  • Нотатки для майстра - домашні побутові сигналізатори
  • Годинник пропелер на Atmega8
  • Пристрій та приклади застосування реле, як вибрати та правильно підключити реле Мікроконтролер та реле найпростіші схеми включення