Як можна застосувати магнітну індукцію у побуті? Явище електромагнітної індукції струму: суть, хто відкрив

Вивчення виникнення електричного струмузавжди хвилювало вчених. Після того, як у початку XIXстоліття датський вчений Ерстед з'ясував, що навколо електричного струму виникає магнітне поле, вчені запитали себе: чи може магнітне поле породжувати електричний струм і навпаки. Першим ученим, кому це вдалося, був учений Майкл Фарадей.

Досліди Фарадея

Після численних проведених дослідів Фарадей зміг досягти деяких результатів.

1. Виникнення електричного струму

Для проведення досвіду він взяв котушку з великою кількістювитків і приєднав її до міліамперметра (приладу, що вимірює силу струму). У напрямку вгору і вниз вчений пересував магніт по котушці.

Під час проведення експерименту, в котушці дійсно з'являвся електричний струм через зміну магнітного поля навколо неї.

За спостереженнями Фарадея стрілка міліамперметра відхилялася і вказувала на те, що рух магніту породжує електричний струм. Під час зупинки магніту стрілка показувала нульову розмітку, тобто. Струм не циркулював по ланцюгу.

Рис. 1 Зміна сили струму в котушці за рахунок пересування реєстру

Дане явище, при якому струм виникає під дією змінного магнітного поля у провіднику, назвали явищем електромагнітної індукції.

2.Зміна напряму індукційного струму

У своїх подальших дослідженнях Майкл Фарадей намагався з'ясувати, що впливає на напрямок індукційного електричного струму, що виникає. Проводячи досліди, він помітив, що змінюючи числа мотків на котушці або полярність магнітів, напрямок електричного струму, що виникає в замкненій мережі, змінюється.

3.Явление електромагнітної індукції

Для проведення досвіду вчений взяв дві котушки, які розташував близько один до одного. Перша котушка, що має велику кількість витків дроту, була приєднана до джерела струму і ключа, що замикає і розмикає ланцюг. Другу таку ж котушку він приєднав до міліамперметра вже без підключення до джерела струму.

Проводячи експеримент, Фарадей зауважив, що при замиканні електричного ланцюга виникає індукований струм, що видно рухом стрілки міліамперметра. При розмиканні ланцюга міліамперметр також показував, що ланцюга є електричний струм, але показання були прямо протилежними. Коли ж ланцюг був замкнутий і рівномірно циркулював струм, струму в електричному ланцюзі за даними міліамперметра не було.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Виведення з експериментів

В результаті відкриття Фарадея була доведена наступна гіпотеза: електричний струм з'являється лише за зміни магнітного поля. Також було доведено, що зміна числа витків у котушці змінює значення сили струму (збільшення мотків збільшує силу струму). Причому індукований електричний струм може з'явитися в замкненому ланцюгу лише за наявності змінного магнітного поля.

Від чого залежить електричний індукційний струм?

Грунтуючись на всьому вищесказаному, можна відзначити, що навіть якщо є магнітне поле, це не призведе до виникнення електричного струму, якщо це поле не буде змінним.

Тож від чого залежить величина індукційного поля?

1. Число витків на котушці;
2. Швидкість зміни магнітного поля;
3. Швидкість руху магніту.

Магнітний потік є величиною, що характеризує магнітне поле. Змінюючись, магнітний потікпризводить до зміни індукованого електричного струму.

рис.2 Зміна сили струму при переміщенні а) котушки, в якому знаходиться соленоїд; б) постійного магніту, внесенням його до котушки

Закон Фарадея

Ґрунтуючись на проведених дослідах, Майкл Фарадей сформулював закон електромагнітної індукції. Закон полягає в тому, що магнітне поле при своїй зміні призводить до виникнення електричного струму, Той же вказує на наявність електрорушійної сили електромагнітної індукції (ЕРС).

Швидкість магнітного струмузмінюючись тягне у себе зміна швидкості струму та ЕРС.

Закон Фарадея: ЕРС електромагнітної індукції дорівнює чисельно та протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку, який проходить через поверхню, обмежену контуром

Індуктивність контуру. Самоіндукція.

Магнітне поле створюється у разі, коли струм протікає в замкнутому контурі. Сила струму при цьому впливає на магнітний потік та індукує ЕРС.

Самоіндукція – явище, у якому ЕРС індукції виникає за зміни сили струму в контурі.

Самоіндукція змінюється залежно від особливостей форми контуру, його розмірів та середовища, що його містить.

При збільшенні електричного струму струм самоіндукції контуру може уповільнити його. При його зменшенні струм самоіндукції, навпаки, не дає йому так швидко зменшуватися. Таким чином, контур починає мати свою електричну інертність, що уповільнює будь-яку зміну струму.

Застосування індукованого ЕРС

Явище електромагнітної індукції має застосування практично у генераторах, трансформаторах і двигунах, що працюють на електриці.

При цьому струм для цих цілей одержують такими способами:

1. Зміна струму в котушці;
2. Рух магнітного поля через постійні магніти та електромагніти;
3. Обертання витків або котушок у постійному магнітному полі.

Відкриття електромагнітної індукції Майкла Фарадея зробило великий внесок у науку і в наше буденне життя. Це відкриття послужило поштовхом для подальших відкриттів у галузі вивчення електромагнітних полів і має широке застосування сучасного життялюдей.

Після відкриттів Ерстеда і Ампера стало ясно, що електрика має магнітну силу. Тепер потрібно було підтвердити вплив магнітних явищна електричні. Це завдання блискуче вирішив Фарадей.

У 1821 році М.Фарадей зробив запис у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм на електрику». Через 10 років це завдання було ним вирішено.

Отже, Майкл Фарадей (1791-1867) – англійський фізик та хімік.

Один із засновників кількісної електрохімії. Вперше отримав (1823) у рідкому станіхлор, потім сірководень, діоксид вуглецю, аміак та діоксид азоту. Відкрив (1825) бензол, вивчив його фізичні та деякі Хімічні властивості. Ввів поняття діелектричної проникності. Ім'я Фарадея увійшло систему електричних одиниць як одиниці електричної ємності.

Багато з цих робіт могли самі - по собі обезсмертити ім'я їхнього автора. Але найважливішими з наукових працьФарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції. Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого.

Коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що за звичайних умовахдостатньо присутності наелектризованого тіла, щоб вплив його порушило електрику у будь-якому іншому тілі.

Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти. Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і рішення якого призвело його до найважливішим відкриттяму галузі індукційної електрики.

На одну й ту саму дерев'яну качалку Фарадей намотав паралельно один одному два ізольовані дроти. Кінці одного дроту він з'єднав із батареєю з десяти елементів, а кінці іншого – з чутливим гальванометром. Коли був пропущений струм через перший дріт, Фарадей звернув всю свою увагу на гальванометр, очікуючи помітити по коливання його поява струму і в другому дроті. Проте нічого такого не було: гальванометр залишався спокійним. Фарадей вирішив збільшити силу струму та ввів у ланцюг 120 гальванічних елементів. Результат вийшов той самий. Фарадей повторив цей досвід десятки разів і все з тим самим успіхом. Будь-який інший на його місці залишив би досліди, переконаний, що струм, що проходить через дріт, не впливає на сусідній дріт. Але фарадей намагався завжди витягти зі своїх дослідів і спостережень все, що вони можуть дати, і тому, не отримавши прямої дії на дріт, з'єднаний із гальванометром, почав шукати побічні явища.

електромагнітна індукція електричний струм поле

Відразу ж він помітив, що гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при самому замиканні ланцюга і при розмиканні його виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, другий дроті також збуджується струм, що має в першому випадку протилежний напрямок з першим струмом і однаковий з ним у другому випадку і триває всього одну мить Ці вторинні миттєві струми, викликані впливом первинних, названі були Фарадеєм індуктивними, і ця назва збереглася за ними досі.

Будучи миттєвими, миттєво зникаючи за своєю появою, індуктивні струми не мали б ніякого практичного значення, якби Фарадей не знайшов спосіб за допомогою дотепного пристосування (комутатора) безупинно переривати і знову проводити первинний струм, що йде від батареї по першому дроті, завдяки чому другий дроті безперервно збуджуються нові і нові індуктивні струми, що стають, таким чином, постійними. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя і хімічних процесів), - індукція, і новий видцієї енергії – індукційна електрика.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ(лат. inductio – наведення) – явище породження вихрового електричного полязмінним магнітним полем. Якщо внести в змінне магнітне поле замкнений провідник, то в ньому з'явиться електричний струм. Поява цього струму називають індукцією струму, а сам струм – індукційним.

Тема: Використання електромагнітної індукції

Цілі уроку:

Освітня:

1. Продовжити роботу над формуванням поняття про електромагнітне поле як вид матерії та докази його реального існування.
2. Удосконалювати навички вирішення якісних та розрахункових завдань.

Розвиваюча:Продовжити роботу з учнями...

1. формуванням уявлень про сучасну фізичну картині світу,
2. вмінням розкривати взаємозв'язок між вивченим матеріалом та явищами життя,
3. розширенням кругозору учнів

Виховна:Навчитися бачити прояви вивчених закономірностей у навколишньому житті

Демонстрації

1. Трансформатор
2. Фрагменти CD-диску «Фізика 7-11 класи. Бібліотека наочних посібників»

1) «Вироблення електроенергії»
2) «Запис та зчитування інформації на магнітній стрічці»

3. Презентації

1) «Електромагнітна індукція – тести» (I та II частини)
2) "Трансформатор"

Хід уроку

1. Актуалізація:

Перед тим як розглядати новий матеріал, дайте відповідь, будь ласка, на наступні питання:

2. Розв'язання задачза картками, див. презентацію (Додаток 1) (відповіді: 1 Б, 2 Б, 3 В, 4 А, 5 В) – 5 хв

3. Новий матеріал.

Використання електромагнітної індукції

1) У минулому навчальному роціпри вивченні з інформатики теми «Носії інформації» ми говорили про диски, дискети тощо. Виявляється запис, і зчитування інформації з допомогою магнітної стрічки ґрунтується на застосуванні явища електромагнітної індукції.
Запис та відтворення інформації за допомогою магнітної стрічки (Фрагменти CD-диску «Фізика 7-11 класи. Бібліотека наочних посібників», «Запис та зчитування інформації на магнітній стрічці» – 3 хв) (Додаток 2)

2) Розглянемо пристрій та принципову дію такого приладу, як ТРАНСФОРМАТОР. (див. презентацію Додаток 3)
Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції.

ТРАНСФОРМАТОР - апарат, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги при незмінній частоті.

3) У найпростішому випадку трансформатор складається із замкнутого сталевого сердечника, на який одягнені дві котушки з дротяними обмотками. Та з обмоток, що підключається до джерела змінної напруги, називається первинною, а та, до якої приєднують «навантаження», тобто прилади, що споживають електроенергію, називається вторинною.

а) підвищуючий трансформатор

б) знижуючий трансформатор

При передачі енергії на велику відстань - використання трансформаторів, що знижують і підвищують.

4) Робота трансформатора (проведення досвіду).

Загоряння лампочки у вторинній котушці ( пояснення цього досвіду);
- принцип роботи зварювального апарату (Чому витки у вторинній котушці понижуючого трансформатора товщі?);
- принцип роботи печі ( Потужність в обох котушках однакова, а сила струму?)

5) Практичне застосуванняелектромагнітної індукції

Приклади технічного використанняелектромагнітної індукції: трансформатор, генератор електричного струму – основне джерело електрики.
Завдяки відкриттю електромагнітної індукції стало можливим вироблення дешевої електричної енергії. Основою роботи сучасних електростанцій (у тому числі атомних) є індукційний генератор.
Генератор змінного струму(фрагмент диска Фрагменти CD-диску «Фізика 7-11 класи. Бібліотека наочних посібників», «Вироблення електроенергії» - 2 хв) (Додаток 4)

Індукційний генератор складається з двох частин: рухомого ротора та нерухомого статора. Найчастіше статор є магніт (постійний або електричний), що створює вихідне магнітне поле (його називають індуктором). Ротор складається з однієї або декількох обмоток, в яких під дією магнітного поля, що змінюється, створюється індукційний струм. (Інша назва такого ротора – якір).

- виявлення металевих предметів – спеціальні детектори;
- поїзд на магнітних подушках(Див. стор 129 підручника В. А. Касьянов «Фізика - 11»)
струми Фуко (вихрові струми;)
– замкнуті індукційні струми, що виникають у масивних провідних тілах.

З'являються або внаслідок зміни магнітного поля, в якому знаходиться тіло, що проводить, або в результаті такого руху тіла, коли змінюється магнітний потік, що пронизує це тіло (або будь-яку його частину).
Як і будь-які інші струми, вихрові струми надають на провідник теплову дію: тіла, у яких виникають такі струми, нагріваються.

Приклад: пристрій електропечей для плавки металів та НВЧ – печей.

4. Висновки, оцінки.

1) Електромагнітна індукція, наведіть приклади практичного застосування електромагнітної індукції.
2) Електромагнітні хвилі – найпоширеніший вид матерії, а електромагнітна індукція – окремий випадокпрояви електромагнітних хвиль

5. Вирішення задач за картками, див.(Додаток 5) (відповіді – 1В, 2А, 3А, 4Б).

6. Будинок завдання:П.35,36 (Підручник фізики за ред. В.А.Касьянова 11 клас)

Словом «індукція» у російській мові означає процеси збудження, наведення, створення чогось. У електротехніці цей термін застосовується вже понад два століття.

Після знайомства з публікаціями 1821 року, що описують досліди датського вченого Ерстеда про відхилення магнітної стрілки біля провідника з електричним струмом, Майкл Фарадей поставив перед собою завдання: перетворити магнетизм на електрику.

Через 10 років досліджень він сформулював основний закон електромагнітної індукції, пояснивши, що всередині будь-якого замкнутого контуру наводиться електрорушійна сила. Її величина визначається швидкістю зміни магнітного потоку, що пронизує аналізований контур, але взяту зі знаком мінус.

Передача електромагнітних хвиль на відстань

Перший здогад, який осяяв мозок вченого, не увінчався практичним успіхом.

Він розташував поруч два замкнуті провідники. Біля одного встановив магнітну стрілку як індикатор струму, а в інший провід подав імпульс від потужного гальванічного джерела того часу: вольтова стовпа.

Дослідник припускав, що при імпульсі струму в першому контурі магнітне поле, що змінюється в ньому, наведе в другому провіднику струм, який відхиляє магнітну стрілку. Але результат виявився негативним - індикатор не спрацював. Точніше, йому не вистачило чутливості.

Мозок вченого передбачав створення та передачу електромагнітних хвиль на відстань, які зараз використовуються у радіомовленні, телебаченні, бездротовому управлінні, Wi-Fi технологіях та подібних пристроях. Його просто підвела недосконала елементна база вимірювальних пристроївтого часу.

Виробництво електроенергії

Після проведення невдалого досвіду Michael Faraday змінив умови експерименту.

Для досвіду Фарадей використовував дві котушки із замкнутими контурами. У першому контурі він подавав електричний струм від джерела, а в другому спостерігав за появою ЕРС. Струм, що проходить по витках обмотки №1, створював навколо котушки магнітний потік, що пронизує обмотку №2 і утворює в ній електрорушійну силу.

Під час експерименту Фарадей:

• включав імпульс подачу напруги в ланцюг при нерухомих котушках;
• при поданому струмі вводив у нижню котушку верхню;
• закріплював стаціонарно обмотку №1 та вводив до неї обмотку №2;
• змінював швидкість переміщення котушок щодо один одного.

У всіх цих випадках він спостерігав прояв ЕРС індукції у другій котушці. І лише при проходженні постійного струмупо обмотці №1 та нерухомих котушках наведення електрорушійної сили не було.

Вчений визначив, що наведена в другій котушці ЕРС залежить від швидкості, з якою змінюється магнітний потік. Вона пропорційна його величині.

Ця ж закономірність повністю проявляється при проходженні замкнутого витка крізь Під дією ЕРС у дроті утворюється електричний струм.

Магнітний потік у цьому випадку змінюється в контурі Sк, створеному замкненим ланцюгом.

Таким способом створена Фарадеєм розробка дозволила помістити в магнітне поле струмопровідну рамку, що обертається.

Її потім зробили з великої кількостівитків, закріпили у підшипниках обертання. По кінцях обмотки вмонтували струмознімальні кільця та щітки, що ковзають по них, а через висновки на корпусі підключили навантаження. Вийшов сучасний генераторзмінного струму.

Його більше проста конструкціястворилася тоді, коли обмотку закріпили на стаціонарному корпусі, а стали обертати магнітну систему. І тут спосіб утворення струмів з допомогою ніяк не порушувався.

Принцип роботи електродвигунів

Закон електромагнітної індукції, який ґрунтував Michael Faraday, дозволив створити різні конструкції електричних двигунів. Вони мають подібний пристрій з генераторами: рухомий ротор і статор, які взаємодіють між собою за рахунок електромагнітних полів, що обертаються.

Трансформація електроенергії

Майкл Фарадей визначив виникнення наведеної електрорушійної сили та індукційного струму в розташованій обмотці при зміні магнітного поля в сусідній котушці.

Струм усередині прилеглої обмотки наводиться при комутаціях ланцюга вимикача в котушці 1 і завжди присутній під час роботи генератора на обмотку 3.

На цій властивості, що отримала назву взаємоіндукції, засновано роботу всіх сучасних трансформаторних пристроїв.

У них для покращення проходження магнітного потоку ізольовані обмотки надіті на загальний сердечник, який має мінімальний магнітний опір. Його виготовляють із спеціальних сортівсталі та формують набірними тонкими листамиу вигляді секцій певної форми, називають магнітопроводом.

Трансформатори передають за рахунок взаємоіндукції енергію змінного електромагнітного поля з однієї обмотки в іншу так, що при цьому відбувається зміна, трансформація величини напруги на вхідних та вихідних клемах.

Співвідношення кількості витків в обмотках визначає коефіцієнт трансформації, А товщина дроту, конструкція та об'єм матеріалу сердечника - величину пропускної потужності, робочий струм.

Робота індуктивностей

Прояв електромагнітної індукції спостерігається в котушці під час зміни в ній величини струму, що протікає. Цей процес отримав назву самоіндукції.

При включенні вимикача на схемі індукційний струм видозмінює характер прямолінійного наростання робочого струму в ланцюгу, як і під час відключення.

Коли ж до провідника, змотанного в котушку, прикладається не постійна, а змінна напруга, через неї протікає зменшене індуктивним опором значення струму. Енергія самоіндукції зрушує по фазі струм щодо прикладеної напруги.

Це використовується в дроселях, які призначені для зменшення великих струмів, що виникають за певних умов роботи обладнання. Такі пристрої, зокрема, використовуються.

Конструктивна особливістьмагнитопровода у дроселя - розріз пластин, який створюється додаткового підвищення магнітного опору магнітному потоку з допомогою утворення повітряного зазору.

Дроселі з розрізним і регульованим положенням магнітопроводу використовуються в багатьох радіотехнічних і електричних пристроях. Досить часто їх можна зустріти у конструкціях зварювальних трансформаторів. Ними зменшують величину електричної дуги, що пропускається через електрод, до оптимального значення.

Індукційні печі

Явище електромагнітної індукції проявляється у проводах і обмотках, а й усередині будь-яких масивних металевих предметів. Наведені в них струми прийнято називати вихровими. При роботі трансформаторів та дроселів вони викликають нагрівання магнітопроводу та всієї конструкції.

Для запобігання цьому явищу сердечники виготовляють із тонких металевих листіві ізолюють між собою шаром лаку, що перешкоджає проходженню наведених струмів.

В обігрівальних конструкціях вихрові струми не обмежують, а створюють для їх проходження найбільше сприятливі умови. широко застосовуються в промисловому виробництвістворення високих температур.

Електротехнічні вимірювальні пристрої

У енергетиці продовжує працювати великий клас індукційних приладів. Електричні лічильники з алюмінієвим диском, що обертається, аналогічні конструкції реле потужності, заспокійливі системи стрілочних вимірювальних приладівфункціонують з урахуванням принципу електромагнітної індукції.

Газові магнітні генератори

Якщо замість замкнутої рамки в полі магніту переміщувати струмопровідний газ, рідину або плазму, то заряди електрики під дією магнітних силових ліній відхилятимуться в строго певних напрямках, формуючи електричний струм. Його магнітне поле на змонтованих електродних контактних пластинах наводить електрорушійну силу. Під її дією у підключеному ланцюзі до МГД-генератору створюється електричний струм.

Так закон електромагнітної індукції проявляється у МГД-генераторах.

Тут немає таких складних частин, що обертаються, як ротор. Це спрощує конструкцію, дозволяє значно підвищувати температуру. робочого середовища, а, заразом і ефективність вироблення електроенергії. МГД-генератори працюють як резервні або аварійні джерела, здатні виробляти значні потоки електроенергії в малі проміжки часу.

Таким чином, закон електромагнітної індукції, обґрунтований Майклом Фарадеєм, свого часу продовжує залишатися актуальним у наші дні.

Реферат

з дисципліни «Фізика»

Тема: "Відкриття явища електромагнітної індукції"

Виконав:

Студент гурту 13103/1

Санкт-Петербург

2. Досліди Фарадея. 3

3. Практичне застосування явища електромагнітної індукції. 9

4. Список використаної литературы.. 12

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

У 1820 р. Ганс Христиан Ерстед показав, що електричний струм, що протікає по ланцюгу, викликає відхилення магнітної стрілки. Якщо електричний струм породжує магнетизм, з магнетизмом має бути пов'язана поява електричного струму. Ця думка захопила англійського вченого М. Фарадея. «Перетворити магнетизм на електрику», - записав він у 1822 р. у своєму щоденнику.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей (1791-1867) народився в Лондоні, в одній із найбідніших його частин. Його батько був ковалем, а мати – дочкою землероба-орендаря. Коли Фарадей досяг шкільного віку, його віддали до початкової школи. Курс, пройдений Фарадеєм тут, був дуже вузький і обмежувався лише навчанням читання, письма та початків рахунку.

За кілька кроків від будинку, в якому жила сім'я Фарадеїв, знаходилася книгарня, що була разом з тим і палітурним закладом. Сюди й потрапив Фарадей, закінчивши курс початкової школиколи виникло питання про вибір професії для нього. Майклу в цей час минуло лише 13 років. Вже в юнацькому віці, коли Фарадей щойно починав свою самоосвіту, він прагнув спиратися лише на факти і перевіряти повідомлення інших власними дослідами.

Ці прагнення домінували в ньому все життя як основні його риси наукової діяльностіФізичні та хімічні дослідиФарадей став робити ще хлопчиком при першому ж знайомстві з фізикою та хімією. Якось Майкл відвідав одну з лекцій Гемфрі Деві, великого англійського фізика. Фарадей зробив докладний запис лекції, переплів її та відіслав Деві. Той був настільки вражений, що запропонував Фарадею працювати з ним як секретар. Незабаром Деві вирушив у подорож Європою і взяв із собою Фарадея. За два роки вони завітали до найбільших європейських університетів.

Повернувшись до Лондона у 1815 році, Фарадей почав працювати асистентом в одній із лабораторій Королівського інституту в Лондоні. На той час це була одна з найкращих фізичних лабораторій світу. З 1816 по 1818 Фарадей надрукував ряд дрібних нотаток і невеликих мемуарів з хімії. До 1818 належить перша робота Фарадея з фізики.

Спираючись на досліди своїх попередників та скомбінувавши кілька власних дослідів, до вересня 1821 року Майкл надрукував «Історію успіхів електромагнетизму». Вже в цей час він становив цілком правильне поняття про сутність явища відхилення магнітної стрілки під дією струму.

Досягши цього успіху, Фарадей цілих десять років залишає заняття у сфері електрики, присвятивши себе дослідженню низки предметів іншого роду. У 1823 року Фарадеєм було зроблено одне з найважливіших відкриттів у сфері фізики - він уперше домігся зрідження газу, разом із тим встановив простий, але дійсний метод обігу газів у рідину. У 1824 році Фарадей зробив кілька відкриттів у галузі фізики. Серед іншого, він встановив той факт, що світло впливає на колір скла, змінюючи його. В наступному роціФарадей знову звертається від фізики до хімії, і результатом його робіт у цій галузі є відкриття бензину та сірчано-нафталінової кислоти.

У 1831 році Фарадей опублікував трактат «Про особливий оптичний обман», що послужив основою прекрасного і цікавого оптичного снаряда, що називається «хромотропом». Того ж року вийшов ще один трактат вченого «Про вібруючі платівки». Багато з цих робіт могли самі собою обезсмертити ім'я їх автора. Але найважливішими з наукових праць Фарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції.

Досліди Фарадея

Одержимий ідеями про нерозривний зв'язок та взаємодію сил природи, Фарадей намагався довести, що так само, як за допомогою електрики Ампер міг створювати магніти, так само і за допомогою магнітів можна створювати електрику.

Логіка його була простою: механічна робота легко переходить у тепло; навпаки, тепло можна перетворити на механічну роботу(Скажімо, в паровій машині). Взагалі, серед сил природи найчастіше трапляється таке співвідношення: якщо А народжує Б, то Б народжує А.

Якщо за допомогою електрики Ампер отримував магніти, то, мабуть, можна «отримати електрику зі звичайного магнетизму». Таке ж завдання поставили перед собою Араго та Ампер у Парижі, Колладон – у Женеві.

Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого. На той час, коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що за звичайних умов достатньо присутності наелектризованого тіла, щоб його вплив порушило електрику у будь-якому іншому тілі. Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти.

Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і вирішення якого призвело його до найважливіших відкриттів у галузі індукційної електрики. Фарадей ставить безліч дослідів, веде педантичні записи. Кожному невеликому дослідженню він присвячує параграф у лабораторних записах (видані в Лондоні повністю в 1931 під назвою «Щоденник Фарадея»). Про працездатність Фарадея говорить хоча б той факт, що останній параграф «Щоденника» позначений номером 16041. Блискуча майстерність Фарадея-експериментатора, одержимість, чітка філософська позиція не могли бути винагороджені, але очікувати результату довелося довгих одинадцять років.

Крім інтуїтивної впевненості у загальному зв'язку явищ, його, власне, у пошуках «електрики з магнетизму» ніщо не підтримувало. До того ж, він, як його вчитель Деві, більше покладався на свої досліди, ніж на уявні побудови. Деві вчив його:

– Хороший експеримент має більше цінності, аніж глибокодумність такого генія, як Ньютон.

Проте саме Фарадею судилися великі відкриття. Великий реаліст, він стихійно рвав шляхи емпірики, колись нав'язані йому Деві, і в ці хвилини його осіняло велике прозріння - він набував здатності до глибоких узагальнень.

Перший проблиск удачі виник лише 29 серпня 1831 року. Цього дня Фарадей випробовував у лабораторії нескладний пристрій: залізне кільце діаметром близько шести дюймів, обмотане двома шматками ізольованого дроту. Коли Фарадей підключив до затискачів однієї обмотки батарею, його помічник, артилерійський сержант Андерсен, побачив, як сіпнулася стрілка гальванометра, приєднаного до іншої обмотки.

Смикнулася і заспокоїлася, хоча постійний струм продовжував текти по першій обмотці. Фарадей ретельно переглянув усі деталі цієї простої установки – все було гаразд.

Але стрілка гальванометра вперто стояла на нулі. З досади Фарадей вирішив вимкнути струм, і тут сталося диво – під час розмикання ланцюга стрілка гальванометра знову хитнулась і знову застигла на нулі!

Гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при самому замиканні ланцюга та при розмиканні його. Виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, у другому дроті також порушується струм, що має в першому випадку протилежний напрямок з першим струмом і однаковий з ним у другому випадку і триває лише одну мить.

Ось тут і відкрилися Фарадею у всій ясності великі ідеї Ампера – зв'язок між електричним струмом та магнетизмом. Адже перша обмотка, в яку він подавав струм, одразу ставала магнітом. Якщо розглядати її як магніт, то експеримент 29 серпня показав, що магнетизм начебто народжує електрику. Тільки дві речі залишалися в цьому випадку дивними: чому сплеск електрики при включенні електромагніту став швидко сходити нанівець? Більше того, чому сплеск з'являється при вимкненні магніту?

Наступного дня, 30 серпня, – Нова серіяекспериментів. Ефект ясно виражений, проте абсолютно незрозумілий.

Фарадей відчуває, що відкриття десь поряд.

«Я тепер знову займаюся електромагнетизмом і думаю, що напав на вдалу річ, але ще не можу стверджувати це. Дуже можливо, що після всіх моїх праць я врешті-решт витягну водорості замість риби».

Наступного ранку, 24 вересня, Фарадей підготував багато різних пристроїв, У яких основними елементами були не обмотки з електричним струмом, а постійні магніти. І ефект також існував! Стрілка відхилялася і одразу ж прямувала на місце. Цей легкий рух відбувався при найнесподіваніших маніпуляціях з магнітом, іноді, здавалося, випадково.

Наступний експеримент – 1 жовтня. Фарадей вирішує повернутися до самого початку – до двох обмоток: однієї зі струмом, іншої – приєднаної до гальванометра. Відмінність з першим експериментом – відсутність сталевого кільця – сердечника. Сплеск майже непомітний. Результат тривіальний. Зрозуміло, що магніт без сердечника набагато слабший за магніт з сердечником. Тому і ефект виражений слабкіше.

Фарадей розчарований. Два тижні він не підходить до приладів, розмірковуючи про причини невдачі.

«Я взяв циліндричний магнітний брусок (3/4 дюйма в діаметрі та 8 1/4 дюйма довжиною) і ввів один його кінець усередину спіралі з мідного дроту(220 футів завдовжки), поєднаної з гальванометром. Потім я швидким рухом вштовхнув магніт усередину спіралі на всю його довжину, і стрілка гальванометра зазнала поштовху. Потім я так само швидко витяг магніт зі спіралі, і стрілка знову хитнулася, але в протилежний бік. Ці хитання стрілки повторювалися щоразу, як магніт вштовхувався чи виштовхувався».

Секрет – у русі магніту! Імпульс електрики визначається не становищем магніту, а рухом!

Це означає, що «електрична хвиля виникає лише за руху магніту, а чи не з властивостей, властивих йому спокою».

Рис. 2. Досвід Фарадея з котушкою

Ця ідея надзвичайно плідна. Якщо рух магніту щодо провідника створює електрику, то, мабуть, і рух провідника щодо магніту має народжувати електрику! Причому ця «електрична хвиля» не зникне доти, доки триватиме взаємне переміщення провідника та магніту. Значить, є можливість створити генератор електричного струму, що діє скільки завгодно довго, аби продовжувався взаємний рух дроту та магніту!

28 жовтня Фарадей встановив між полюсами підковоподібного магніту мідний диск, що обертається, з якого за допомогою ковзних контактів (один на осі, інший – на периферії диска) можна було знімати електричну напругу. То справді був перший електричний генератор, створений руками людини. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя та хімічних процесів), - індукція, і новий вид цієї енергії - індукційна електрика.

Досліди, аналогічні фарадіївським, як уже говорилося, проводилися у Франції та Швейцарії. Професор Женевської академії Колладон був досвідченим експериментатором (він, наприклад, зробив на Женевському озері точні виміришвидкості звуку у воді). Можливо, побоюючись струсу приладів, він, як і Фарадей, по можливості видалив гальванометр від решти установки. Багато хто стверджував, що Колладон спостерігав ті ж швидкоплинні рухи стрілки, що й Фарадей, але, чекаючи стабільнішого, тривалішого ефекту, не надав цим «випадковим» сплескам належного значення.

Справді, думка більшості вчених того часу зводилося до того, що зворотний ефект «створення електрики з магнетизму» повинен, мабуть, мати такий самий стаціонарний характер, як і «прямий» ефект – «освіта магнетизму» за рахунок електричного струму. Несподівана «швидкість» цього ефекту спантеличила багатьох, у тому числі Колладона, і ці багато хто поплатився за свою упередженість.

Продовжуючи свої досліди, Фарадей відкрив далі, що досить простого наближення дроту, закрученого в замкнуту криву, до іншої, по якій йде гальванічний струм, щоб у нейтральному дроті збудити індуктивний струм напрямку, зворотного гальванічного струму, що видаляє нейтрального дроту. струм вже однакового напрямку з гальванічним, що йде по нерухомому дроту, і що ці індуктивні струми збуджуються тільки під час наближення і видалення дроту до провідника гальванічного струму, а без цього руху струми не збуджуються, як би близько один до одного дроту не знаходилися. .

Таким чином, було відкрито нове явище, аналогічне до вищеописаного явища індукції при замиканні та припиненні гальванічного струму. Ці відкриття викликали, у свою чергу, нові. Якщо можна викликати індуктивний струм замиканням та припиненням гальванічного струму, то чи не вийде той самий результат від намагнічування та розмагнічування заліза?

Роботи Ерстеда та Ампера встановили вже спорідненість магнетизму та електрики. Було відомо, що залізо робиться магнітом, коли навколо нього обмотаний ізольований дріт і останньою проходить гальванічний струм, і що магнітні властивостіцього заліза припиняються, як тільки припиняється струм.

Виходячи з цього, Фарадей вигадав такого роду досвід: навколо залізного кільця було обмотано два ізольовані дроти; причому один дріт був обмотаний навколо однієї половини кільця, а інша - навколо іншої. Через один дріт пропускався струм від гальванічної батареї, а кінці другої були з'єднані з гальванометром. І ось, коли струм замикався або припинявся і коли, отже, залізне кільце намагнічувалося або розмагнічувалося, стрілка гальванометра швидко коливалася і потім швидко зупинялася, тобто в нейтральному дроті порушувалися ті самі миттєві індуктивні струми - цього разу: вже під вплив.

Рис. 3. Досвід Фарадея із залізним кільцем

Таким чином, тут вперше магнетизм був перетворений на електрику. Отримавши ці результати, Фарадей вирішив урізноманітнити свої досліди. Замість залізного кільця він почав використовувати залізну смугу. Замість збудження в залозі магнетизму гальванічним струмом він намагнічував залізо дотиком до постійного сталевого магніту. Результат виходив той самий: у дроті, що обмотує залізо, завжди порушувався струм у момент намагнічування та розмагнічування заліза. Потім Фарадей вносив у дротяну спіраль сталевий магніт – наближення та видалення останнього викликало у дроті індукційні струми. Словом, магнетизм, у сенсі порушення індукційних струмів, діяв так само, як і гальванічний струм.

У той час фізиків посилено займало одне загадкове явище, відкрите в 1824 Араго і не знаходило пояснення, незважаючи на те, що цього пояснення посилено шукали такі видатні вчені того часу, як сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабед і Гершель. Справа полягала в наступному. Магнітна стрілка, що вільно висить, швидко приходить у стан спокою, якщо під неї підвести коло з немагнітного металу; якщо потім коло привести до обертального руху, магнітна стрілка починає рухатися за ним.

У спокійному стані не можна було відкрити ні найменшого тяжіння чи відштовхування між колом і стрілкою, тим часом як той самий коло, що був у русі, тягнув у себе як легку стрілку, а й важкий магніт. Це справді чудове явище здавалося вченим того часу таємничою загадкою, що чимось виходить за межі природного. Фарадей, виходячи зі своїх вищевикладених даних, зробив припущення, що гурток немагнітного металу, під впливом магніту, під час обертання оббігається індуктивними струмами, які впливають на магнітну стрілку і тягнуть її за магнітом. І справді, ввівши край гуртка між полюсами великого підковоподібного магніту і з'єднавши дротом центр і край гуртка з гальванометром, Фарадей отримав при обертанні гуртка постійний електричний струм.

Після цього Фарадей зупинився на іншому явище, що тоді викликало загальну цікавість. Як відомо, якщо посипати на магніт залізної тирси, вони групуються за певними лініями, званими магнітними кривими. Фарадей, звернувши увагу на це явище, дав основи в 1831 магнітним кривим назву «ліній магнітної сили», що увійшло потім у загальне вживання. Вивчення цих «ліній» призвело Фарадея до нового відкриття, виявилося, що збудження індуктивних струмів наближення і видалення джерела від магнітного полюса необов'язкові. Для збудження струмів достатньо перетнути відомим чином лінії магнітної сили.

Рис. 4. «Лінії магнітної сили»

Подальші роботиФарадея у згаданому напрямі набували, з сучасної йому точки зору, характеру чогось зовсім чудового. На початку 1832 він демонстрував прилад, в якому збуджувалися індуктивні струми без допомоги магніту або гальванічного струму. Прилад складався із залізної смуги, поміщеної у дротяній котушці. Прилад цей за звичайних умов не давав жодної ознаки появи в ньому струмів; але тільки йому давалося напрям, відповідне напрямку магнітної стрілки, у дроті порушувався струм.

Потім Фарадей давав положення магнітної стрілки одній котушці і потім вводив до неї залізну смугу: струм знову збуджувався. Причиною, що викликала в цих випадках струм, був земний магнетизм, що викликав індуктивні струми подібно до звичайного магніту або гальванічного струму. Щоб наочніше показати і довести це, Фарадей зробив ще один досвід, який цілком підтвердив його міркування.

Він міркував, що якщо коло з немагнітного металу, наприклад, з міді, обертаючись у положенні, при якому він перетинає лінії магнітної сили сусіднього магніту, дає індуктивний струм, то те ж коло, обертаючись за відсутності магніту, але в положенні, при якому коло перетинатиме лінії земного магнетизму, теж повинен дати індуктивний струм. І справді, мідне коло, що обертається в горизонтальній площині, дав індуктивний струм, який робив помітне відхилення стрілки гальванометра. Ряд досліджень у галузі електричної індукції Фарадей закінчив відкриттям, зробленим у 1835 році, «індуктуючого впливу струму на самого себе».

Він з'ясував, що при замиканні або розмиканні гальванічного струму в самому дроті, що є провідником цього струму, збуджуються моментальні індуктивні струми.

Російський фізик Еміль Христофорович Ленц (1804-1861) дав правило визначення напрями індукційного струму. «Індукційний струм завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле ускладнює або гальмує рух, що викликає індукцію, - зазначає А.А. Коробко-Стефанов у своїй статті про електромагнітну індукцію. - Наприклад, при наближенні котушки до магніту індукційний струм, що виникає, має такий напрямок, що створене ним магнітне поле буде протилежне магнітному полю магніту. В результаті між котушкою та магнітом виникають сили відштовхування. Правило Ленца випливає із закону збереження та перетворення енергії. Якби індукційні струми прискорювали їх рух, то створювалася б робота з нічого. Котушка сама по собі після невеликого поштовху прямувала б назустріч магніту, і водночас індукційний струм виділяв би в ній теплоту. Насправді індукційний струм створюється за рахунок роботи зі зближення магніту і котушки.

Рис. 5. Правило Ленца

Чому виникає індукційний струм? Глибоке пояснення явища електромагнітної індукції дав англійський фізик Джемс Клерк Максвелл – творець закінченої математичної теорії електромагнітного поля. Щоб краще зрозуміти суть справи, розглянемо простий досвід. Нехай котушка складається з одного витка дроту та пронизується змінним магнітним полем, перпендикулярним до площини витка. У котушці, звісно, ​​з'являється індукційний струм. Винятково сміливо та несподівано тлумачив цей експеримент Максвелл.

При зміні магнітного поля в просторі, на думку Максвелла, виникає процес, для якого присутність дротяного витка не має жодного значення. Головне тут - виникнення замкнутих кільцевих ліній електричного поля, що охоплюють магнітне поле, що змінюється. Під дією електричного поля приходять в рух електрони, і в витку виникає електричний струм. Виток - це прилад, що дозволяє виявити електричне поле. Сутність явища електромагнітної індукції в тому, що змінне магнітне поле завжди породжує в навколишньому просторі електричне поле із замкнутими. силовими лініями. Таке поле називається вихровим».

Дослідження у сфері індукції, виробленої земним магнетизмом, дали Фарадею можливість висловити ще 1832 року ідею телеграфу, яка потім лягла основою цього винаходу. А взагалі відкриття електромагнітної індукції недарма відносять до найбільш видатним відкриттям XIX століття - на цьому явищі заснована робота мільйонів електродвигунів та генераторів електричного струму у всьому світі.

Практичне застосування явища електромагнітної індукції

1. Радіомовлення

Змінне магнітне поле, що збуджується струмом, що змінюється, створює в навколишньому просторі електричне поле, яке в свою чергу збуджує магнітне поле, і т.д. Взаємно породжуючи одне одного, ці поля утворюють єдине змінне електромагнітне поле. електромагнітну хвилю. Виникнувши там, де є провід зі струмом, електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла -300000 км/с.

Рис. 6. Радіо

2. Магнітотерапія

У спектрі частот різні місцязаймають радіохвилі, світло, рентгенівське випромінюваннята інші електромагнітні випромінювання. Їх зазвичай характеризують безперервно пов'язаними між собою електричними та магнітними полями.

3. Синхрофазотрони

В даний час під магнітним полем розуміють особливу форму матерії, що складається із заряджених частинок. У сучасній фізиці пучки заряджених частинок використовують для проникнення вглиб атомів з метою їх вивчення. Сила, з якою діє магнітне поле на заряджену частинку, що рухається, називається силою Лоренца.

4. Витратоміри-лічильники

Метод заснований на застосуванні закону Фарадея для провідника в магнітному полі: у потоці електропровідної рідини, що рухається в магнітному полі, наводиться ЕРС, пропорційна швидкості потоку, що перетворюється електронною частиною в електричний аналоговий/цифровий сигнал.

5. Генератор постійного струму

У режимі генератора якорь машини обертається під дією зовнішнього моменту. Між полюсами статора є постійний магнітний потік, що пронизує якір. Провідники обмотки якоря рухаються в магнітному полі і, отже, в них індуктується ЕРС, напрямок якої можна визначити за правилом. правої рукиПри цьому на одній щітці виникає позитивний потенціал щодо другої. Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то в ній піде струм.

6. Трансформатори

Трансформатори широко застосовуються під час передачі електричної енергії великі відстані, розподілі її між приймачами, соціальній та різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Перетворення енергії у трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатор є сердечником з тонких сталевих ізольованих одна від одної пластин, на якому поміщаються дві, а іноді і більше обмоток (котушок) із ізольованого дроту. Обмотка, до якої приєднується джерело електричної енергії змінного струму, називається первинною обмоткою, решта обмоток - вторинними.

Якщо у вторинній обмотці трансформатора намотано втричі більше витків, ніж у первинній, то магнітне поле, створене в сердечнику первинною обмоткою, перетинаючи витки вторинної обмотки, створить у ній утричі більше напруги.

Застосувавши трансформатор із зворотним співвідношенням витків, можна так само легко і просто отримати знижену напругу.

Список використаної літератури

1. [Електронний ресурс]. Електромагнітна індукція.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Електронний ресурс]. Фарадей. Відкриття електромагнітної індукції.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Електронний ресурс]. Відкриття електромагнітної індукції.

4. [Електронний ресурс]. Практичне застосування явища електромагнітної індукції.