Відкриття явища електромагнітної індукції – магнітний потік. Фарадей

Тема уроку:

Відкриття електромагнітної індукції. Магнітний потік.

Ціль: ознайомити учнів із явищем електромагнітної індукції.

Хід уроку

I. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація знань.

1. Фронтальне опитування.

У чому полягає гіпотеза Ампера?
Що таке магнітна проникність?
Які речовини називають пара- та діамагнетиками?
Що таке ферити?
Де застосовуються ферити?
Звідки відомо, що навколо Землі є магнітне поле?
Де знаходиться Північний та Південний магнітні полюси Землі?
Які процеси відбуваються у магнітосфері Землі?
Яка причина існування магнітного поляу Землі?

2. Аналіз експериментів.

Експеримент 1

Магнітну стрілку на підставці піднесли до нижнього, а потім до верхнього кінця штативу. Чому стрілка повертається до нижнього кінця штатива з будь-якої сторони південним полюсом, а до верхнього кінця - північним кінцем?(Всі залізні предмети перебувають у магнітному полі Землі. Під впливом цього поля вони намагнічуються, причому нижня частина предмета виявляє північний магнітний полюс, а верхня - південний.)

Експеримент 2

У великій пробці корка зробіть невеликий жолобок для шматка дроту. Корок опустіть у воду, а зверху покладіть дріт, розташовуючи його по паралелі. При цьому дріт разом із пробкою повертається та встановлюється по меридіану. Чому?(Дрот був намагнічений і встановлюється у полі Землі як магнітна стрілка.)

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

Між тими, хто рухається електричними зарядамидіють магнітні сили. Магнітні взаємодії описуються на основі уявлення про магнітне поле, що існує навколо електричних зарядів, що рухаються. Електричні та магнітні поля породжуються одними й тими самими джерелами - електричними зарядами. Можна припустити, що є зв'язок.

У 1831 р. М. Фарадей підтвердив це експериментально. Він відкрив явище електромагнітної індукції (слайди 1,2).

Експеримент 1

Гальванометр приєднуємо до котушки, і висуватимемо з неї постійний магніт. Спостерігаємо відхилення стрілки гальванометра, виник струм (індукційний) (слайд 3).

Струм у провіднику виникає, коли провідник опиняється в ділянці дії змінного магнітного поля (слайд 4-7) .

Змінне магнітне поле Фарадей представляв як зміну числа силових ліній, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром. Це число залежить від індукціїВ магнітного поля, від площі контуру S та його орієнтації у даному полі.

Ф = BS cos a - магнітний потік.

Ф [Вб] Вебер (слайд 8)

Індукційний струм може мати різні напрямки, які залежать від того, зменшується або зростає магнітний потік, що пронизує контур. Правило, що дозволяє визначити напрямок індукційного струму, було сформульовано в 1833р. е. X. Ленцем.

Експеримент 2

У легку алюмінієву обручку всуваємо постійний магніт. Кільце відштовхується від нього, а при висуванні притягується до магніту.

Результат залежить від полярності магніту. Відштовхування та притягування пояснюється виникненням у ньому індукційного струму.

При всуванні магніту магнітний потік через кільце зростає: відштовхування кільця у своїй показує, що індукційний струм у ньому має такий напрям, у якому вектор індукції його магнітного поля протилежний напрямку вектору індукції зовнішнього магнітного поля.

Правило Ленца:

Індукційний струм завжди має такий напрям, що його магнітне поле перешкоджає будь-яким змінам магнітного потоку, що викликає появуіндукційного струму(Слайд 9) .

IV. Проведення лабораторної роботи

Лабораторна робота на тему «Дослідна перевірка правила Ленца»

Прилади та матеріали:міліамперметр, котушка-моток, магніт дугоподібний.

Хід роботи

Приготуйте таблицю.

Вектор магнітної індукції \(~\vec B\) характеризує магнітне поле у кожній точці простору. Введемо ще одну величину, що залежить від значення вектора магнітної індукції не в одній точці, а у всіх точках довільно вибраної поверхні. Цю величину називають потоком вектора магнітної індукції, або магнітним потоком.

Виділимо у магнітному полі настільки малий елемент поверхні площею Δ Sщоб магнітну індукцію у всіх його точках можна було вважати однаковою. Нехай \(~\vec n\) - нормаль до елемента, що утворює кут α із напрямком вектора магнітної індукції (рис. 1).

Поток вектора магнітної індукції через поверхню площею Δ Sназивають величину, рівну добутку модуля вектора магнітної індукції \(~\vec B\) на площу Sта косинус кута α між векторами \(~\vec B\) та \(~\vec n\) (нормаллю до поверхні):

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

твір, добуток B∙cos α = В n є проекцією вектора магнітної індукції на нормаль до елемента. Тому

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

Потік може бути як позитивним, так і негативним залежно від значення кута α .

Якщо магнітне поле однорідне, то потік через плоску поверхню площею Sдорівнює:

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

Потік магнітної індукції наочно може бути витлумачений як величина, пропорційна числу ліній вектора \(~\vec B\), що пронизують цей майданчик поверхні.

Взагалі, поверхня може бути замкненою. У цьому випадку число ліній індукції, що входять усередину поверхні, дорівнює кількості ліній, що виходять з неї (рис. 2). Якщо поверхня замкнута, то позитивною нормаллю до поверхні прийнято вважати зовнішню нормаль.

Лінії магнітної індукції замкнуті, що означає рівність нуля потоку магнітної індукції через замкнуту поверхню. (Виходять із поверхні лінії дають позитивний потік, а вхідні – негативний.) Це фундаментальне властивість магнітного поля пов'язані з відсутністю магнітних зарядів. Якби не було електричних зарядів, то й електричний потік через замкнуту поверхню дорівнював би нулю.

Електромагнітна індукція

Відкриття електромагнітної індукції

У 1821 р. Майкл Фарадей записав у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм на електрику». Через 10 років це завдання було ним вирішено.

М. Фарадей був у єдиній природі електричних і магнітних явищ, але тривалий час взаємозв'язок цих 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. короткий описпершого досвіду, дане самим Фарадеєм. «На широку дерев'яну котушку був намотаний мідний дріт завдовжки 203 фути (фут дорівнює 304,8 мм), і між витками його намотаний дріт такої ж довжини, але ізольований від першої бавовняної нитки. 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 проходженні струму через одну зі спіралей не вдавалося відзначити ні дії на гальванометр, ні взагалі будь-якої індукційної дії на іншу спіраль, не дивлячись 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. 3).

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. 4).

Протягом одного місяця Фарадей досвідченим шляхом відкрив усі суттєві особливості явища електромагнітної індукції. Залишалося лише надати закону сувору кількісну форму і повністю розкрити фізичну природу явища. Вже сам Фарадей вловив 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. Це називається електромагнітної індукцією.

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 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).

Правило Ленца

Індукційний струм, що виник у провіднику, негайно починає взаємодіяти з струмом, що його породив, або магнітом. Якщо магніт (або котушку зі струмом) наближати до замкнутого провідника, то індукційний струм, що з'являється, своїм магнітним полем обов'язково відштовхує магніт (котушку). Для зближення магніту та котушки потрібно здійснити роботу. При видаленні магніту виникає тяжіння. Це правило виконується неухильно. Уявіть собі, що справа була б інакше: ви підштовхнули магніт до котушки, і він сам собою кинувся б усередину неї. При цьому порушився закон збереження енергії. Адже механічна енергія магніту збільшилася б і одночасно виникав струм, що саме по собі вимагає витрати енергії, бо струм теж може виконувати роботу. Індукований у якорі генератора електричний струм, взаємодіючи з магнітним полем статора, гальмує обертання якоря. Тільки тому для обертання якоря потрібно виконувати роботу, тим більшу, що більше сила струму. За рахунок цієї роботи і виникає індукційний струм. Цікаво відзначити, що якби магнітне поле нашої планети було дуже великим і неоднорідним, то швидкі рухи провідних тіл на її поверхні і в атмосфері були б неможливі через інтенсивну взаємодію індукованого в тілі струму з цим полем. Тіла рухалися б як у щільному в'язкому середовищі і при цьому сильно розігрівалися б. Ані літаки, ані ракети не могли б літати. Людина не могла б швидко рухати ні руками, ні ногами, оскільки людське тіло- непоганий провідник.

Якщо котушка, в якій наводиться струм, нерухома щодо сусідньої котушки з змінним струмом, Як, наприклад, у трансформатора, то і в цьому випадку напрямок індукційного струму диктується законом збереження енергії. Цей струм завжди спрямований так, що створене ним магнітне поле прагне зменшити зміни струму в первинній обмотці.

Відштовхування або тяжіння магніту котушкою залежить від напрямку індукційного струму в ній. Тому закон збереження енергії дозволяє сформулювати правило, що визначає напрямок індукційного струму. У чому різниця двох дослідів: наближення магніту до котушки та його видалення? У першому випадку магнітний потік (або число ліній магнітної індукції, що пронизують витки котушки), збільшується (рис. 6, а), а в другому випадку - зменшується (рис. 6, б). Причому у першому випадку лінії індукції В' магнітного поля, створеного індукційним струмом, що виникло в котушці, виходять з верхнього кінця котушки, так як котушка відштовхує магніт, а в другому випадку, навпаки, входять в цей кінець. Ці лінії магнітної індукції малюнку 6 зображені штрихом.

Рис. 6

Тепер ми підійшли до головного: зі збільшенням магнітного потоку через витки котушки індукційний струм має такий напрям, що створюване ним магнітне поле перешкоджає наростанню магнітного потоку через витки котушки. Адже вектор індукції \(~\vec B"\) цього поля спрямований проти вектора індукції \(~\vec B\) поля, зміна якого породжує електричний струм. Якщо ж магнітний потік через котушку слабшає, то індукційний струм створює магнітне поле з індукцією \(~\vec B"\) , що збільшує магнітний потік через витки котушки.

У цьому полягає суть загального правилавизначення напряму індукційного струму, яке застосовується у всіх випадках. Це було встановлено російським фізиком Еге. X. Ленцем (1804-1865).

Згідно правилу Ленца

що виникає в замкнутому контурі індукційний струм має такий напрямок, що створений ним магнітний потік через поверхню, обмежену контуром, прагне перешкоджати зміні потоку, яке породжує даний струм.

індукційний струм має такий напрямок, що перешкоджає причині його зухвалої.

У разі надпровідників компенсація зміни зовнішнього магнітного потоку буде повною. Потік магнітної індукції через поверхню, обмежену надпровідним контуром, взагалі не змінюється з часом за жодних умов.

Закон електромагнітної індукції

Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму I i у провідному контурі пропорційна швидкості зміни числа ліній магнітної індукції \(~\vec B\) , що пронизують поверхню, обмежену цим контуром. Більше точно це твердження можна сформулювати, використовуючи поняття магнітного потоку.

Магнітний потік наочно тлумачиться як число ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S. Тому швидкість зміни цього числа не що інше, як швидкість зміни магнітного потоку. Якщо за короткий час Δ tмагнітний потік змінюється на Δ Ф, то швидкість зміни магнітного потоку дорівнює \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Тому твердження, яке випливає безпосередньо з досвіду, можна сформулювати так:

сила індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

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

Відомо, що в ланцюзі виникає електричний струм у тому випадку, коли на вільні заряди діють сторонні сили. Роботу цих сил при переміщенні одиничного позитивного заряду вздовж замкнутого контуру називають електрорушійною силою. Отже, за зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у ньому з'являються сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС, званої ЕРС індукції. Позначимо її літерою E i.

Закон електромагнітної індукції формулюється саме для ЕРС, а чи не для сили струму. При такому формулюванні закон виражає сутність явища, яка залежить від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм.

Згідно закону електромагнітної індукції (ЕМІ)

ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює модулю швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

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

Як у законі електромагнітної індукції врахувати напрямок індукційного струму (або знак ЕРС індукції) відповідно до правила Ленца?

На малюнку 7 зображено замкнутий контур. Вважатимемо позитивним напрямок обходу контуру проти годинникової стрілки. Нормаль до контуру \(~\vec n\) утворює правий гвинт із напрямком обходу. Знак ЕРС, тобто питомої роботи, залежить від напрямку сторонніх сил по відношенню до напрямку обходу контуру. Якщо ці напрямки збігаються, то E i > 0 і відповідно I i > 0. Інакше ЕРС та сила струму негативні.

Нехай магнітна індукція зовнішнього магнітного поля спрямована вздовж нормалі до контуру і зростає з часом. Тоді Ф> 0 і \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) > 0. Відповідно до правила Ленца індукційний струм створює магнітний потік Ф’ < 0. Линии индукции B' магнітного поля індукційного струму зображені на рис. 7 штрихом. Отже, індукційний струм I i направлений за годинниковою стрілкою (проти позитивного напрямку обходу) та ЕРС індукції негативна. Тож у законі електромагнітної індукції має стояти знак мінус:

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

В Міжнародній системіодиниць закону електромагнітної індукції використовують для встановлення одиниці магнітного потоку. Цю одиницю називають вебером (Вб).

Оскільки ЕРС індукції E i виражають у вольтах, а час у секундах, то із закону ЕМІ вебер можна визначити таким чином:

магнітний потік через поверхню, обмежену замкнутим контуром, дорівнює 1 Вб, якщо при рівномірному спаданні цього потоку до нуля за 1 с в контурі виникає ЕРС індукції дорівнює 1 В:

1 Вб = 1 В ∙ 1 с.

Вихрове поле

Змінюючись у часі, магнітне поле породжує електричне поле.. До цього висновку вперше дійшов Дж. Максвелл.

Тепер явище електромагнітної індукції постає маємо у новому світлі. Головне в ньому – це процес породження магнітним полем електричного поля. При цьому наявність провідного контуру, наприклад котушки, не змінює суті справи. Провідник із запасом вільних електронів (або інших частинок) лише допомагає виявити електричне поле. Поле надає руху електрони у провіднику і цим виявляє себе. Сутність явища електромагнітної індукції в нерухомому провіднику полягає не так у появі індукційного струму, як у виникненні електричного поля, що приводить у рух електричні заряди.

Електричне поле, що виникає за зміни магнітного поля, має зовсім іншу структуру, ніж електростатичне. Воно не пов'язане безпосередньо з електричними зарядами, та його лінії напруженості не можуть на них починатися та закінчуватися. Вони взагалі ніде не починаються і не закінчуються, а являють собою замкнуті лінії, подібні до ліній індукції магнітного поля. Це так зване вихрове електричне поле. Може виникнути питання: а чому, власне, це поле називається електричним? Адже воно має інше походження та іншу конфігурацію, ніж статичне електричне поле. Відповідь проста: вихрове поле діє на заряд qтак само, як і електростатичний, а це ми вважали і вважаємо головною властивістю поля. Сила, що діє на заряд, як і дорівнює \(~\vec F = q \vec E\), де \(~\vec E\) - напруженість вихрового поля. Якщо магнітний потік створюється однорідним магнітним полем, сконцентрованим у довгій вузькій циліндричній трубці радіусом r 0 (рис. 8), то з міркувань симетрії очевидно, що лінії напруженості електричного поля лежать у площинах, перпендикулярних лініях \(~\vec B\) , і є кола. Відповідно до правила Ленца при зростанні магнітної індукції \(~\left (\frac(\Delta B)(\Delta t) > 0 \right)\) лінії напруженості \(~\vec E\) утворюють лівий гвинт з напрямком магнітної індукції \(~\vec B\).

На відміну від статичного або стаціонарного електричного поля, робота вихрового поля на замкнутому шляху не дорівнює нулю. Адже при переміщенні заряду вздовж замкнутої лініїнапруженості електричного поля робота на всіх ділянках шляху має один і той же знак, оскільки сила та переміщення збігаються у напрямку. Вихрове електричне поле, як і магнітне поле, не потенційне.

Робота вихрового електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж замкнутого нерухомого провідника чисельно дорівнює ЕРС індукції у цьому провіднику.

Отже, змінне магнітне поле породжує електричне вихрове поле. Але чи не видається вам, що одного твердження тут недостатньо? Хочеться знати, який механізм даного процесу. Чи не можна пояснити, як цей зв'язок полів здійснюється в природі? І ось тут ваша природна допитливість не може бути задоволена. Жодного механізму тут просто немає. Закон електромагнітної індукції – це фундаментальний закон природи, отже, основний, первинний. Дією його можна пояснити багато явищ, але сам він залишається незрозумілим просто з тієї причини, що немає більш глибоких законів, з яких він випливав би у вигляді слідства. У всякому разі, зараз такі закони невідомі. Такими є основні закони: закон тяжіння, закон Кулону тощо.

Ми, звичайно, вільні ставити перед природою будь-які питання, але не всі вони мають сенс. Так, наприклад, можна і потрібно досліджувати причини різних явищ, але намагатися з'ясувати, чому взагалі існує причинність - марно. Така природа речей, такий світ, у якому ми живемо.

Література

Жилко В.В. Фізика: Навч. посібник для 10-го кл. загальноосвіт. шк. з русявий. яз. навчання/В.В. Жилко, О.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2001. - 319 с.
Мякішев, Г.Я. Фізика: Електродинаміка. 10-11 кл. : навч. для поглибленого вивчення фізики/Г.Я. Мякішев, А.3. Синяков, В.А. Слобідськ. - М.: Дрофа, 2005. - 476 с.

Відповідь:

p align="justify"> Наступним важливим кроком у розвитку електродинаміки після дослідів Ампера було відкриття явища електромагнітної індукції. Відкрив явище електромагнітної індукції англійський фізик Майкл Фарадей (1791 – 1867).

Фарадей, будучи ще молодим ученим, так само як і Ерстед, думав, що всі сили природи пов'язані між собою і, більше того, що вони здатні перетворюватися одна на одну. Цікаво, що цю думку Фарадей висловлював ще до встановлення закону збереження та перетворення енергії. Фарадей знав про відкриття Ампера, про те, що він, говорячи образною мовою, перетворив електрику на магнетизм. Роздумуючи над цим відкриттям, Фарадей прийшов до думки, що якщо "електрика створює магнетизм", то і навпаки, "магнетизм повинен створювати електрику". І ось ще 1823 р. він записав у своєму щоденнику: "Звернути магнетизм в електрику". Протягом восьми років Фарадей працював над вирішенням поставленого завдання. Довгий часйого переслідували невдачі, і, нарешті, 1831 р. він вирішив її - відкрив явище електромагнітної індукції.

По-перше, Фарадей виявив явище електромагнітної індукції для випадку, коли котушки намотані на той самий барабан. Якщо в одній котушці виникає або зникає електричний струм у результаті підключення до неї або відключення від неї гальванічної батареї, то в іншій котушці в цей момент виникає короткочасний струм. Цей струм є гальванометром, який приєднаний до другої котушки.

Потім Фарадей встановив наявність індукційного струму в котушці, коли до неї наближали або видаляли від неї котушку, в якій протікав електричний струм.

нарешті, третій випадок електромагнітної індукції, який виявив Фарадей, полягав у тому, що в котушці з'являвся струм, коли в неї вносили або видаляли з неї магніт.

Відкриття Фарадея привернув увагу багатьох фізиків, які також почали вивчати особливості явища електромагнітної індукції. На черзі стояло завдання встановити загальний закон електромагнітної індукції. Потрібно було з'ясувати, як і від чого залежить сила індукційного струму у провіднику або від чого залежить значення рушійної сили індукції в провіднику, в якому індукується електричний струм.

Це завдання виявилося важким. Вона була повністю вирішена Фарадеєм і Максвеллом пізніше у рамках розвиненого ними вчення про електромагнітне поле. Але її намагалися вирішити і фізики, які дотримувалися звичайної на той час теорії далекодії у вченні про електричні та магнітні явища.

Щось цим ученим вдалося зробити. При цьому їм допомогло відкрите петербурзьким академіком Емілієм Християновичем Ленцем (1804 - 1865) правило для знаходження напряму індукційного струму різних випадкахелектромагнітної індукції Ленц сформулював його так: “Якщо металевий провідник рухається поблизу гальванічного струму чи магніту, то ньому порушується гальванічний струм такого напрями, що якби даний провідник був нерухомим, то струм міг би зумовити його переміщення у протилежний бік; при цьому передбачається, що провідник, що лежить, може переміщатися тільки в напрямку руху або в протилежному напрямку”.

Це дуже зручно визначення напрями ідукційного струму. Ним ми користуємося і зараз, тільки воно зараз формулюється дещо інакше, з похованням поняття електромагнітної індукції, яке Ленц не використав.

Але історично головне значення правила Ленца полягала у цьому, що він наштовхнуло думку, яким шляхом підійти до знаходження закону електромагнітної індукції. Справа в тому, що в атомі правил встановлюється зв'язок між електромагнітною індукцією і явищем взаємодії струмів. Питання ж про взаємодію струмів було вже вирішено Ампером. Тому встановлення цього зв'язку спочатку дозволило визначити вираз електрорушійної сили індукції в провіднику для низки окремих випадків.

В загальному виглядізакон електромагнітної індукції, як ми про це сказали, було встановлено Фарадеєм та Максвеллом.

Електромагнітна індукція – явище виникнення електричного струмуу 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, 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.

Самоіндукція - виникнення ЕРС індукції в замкнутому проводить контурі при зміні струму, що протікає по контуру.

При зміні струму в контурі змінюється пропорційно і магнітний потік через поверхню, обмежену цим контуром. Зміна цього магнітного потоку, з закону електромагнітної індукції, призводить до порушення у цьому контурі індуктивної ЭРС.

Це і називається самоіндукцією. (Поняття споріднене з поняттям взаємоіндукції, будучи ніби його окремим випадком).

Напрямок ЕРС самоіндукціїзавжди виявляється таким, що при зростанні струму в ланцюзі ЕРС самоіндукції перешкоджає цьому зростанню (спрямована проти струму), а при зменшенні струму - спадання (соннаправлена зі струмом). Цією властивістю ЕРС самоіндукції подібна до сили інерції.

Створенню першого реле передував винахід у 1824 р. англійцем Стардженом електромагніта - пристрою, що перетворює вхідний електричний струм дротяної котушки, намотаної на залізний сердечник, магнітне поле, що утворюється всередині і поза цим сердечника. Магнітне поле фіксувалося (виявлялося) своїм впливом на феромагнітний матеріал, розташований поблизу сердечника. Цей матеріал притягувався до осердя електромагніту.

Згодом ефект перетворення енергії електричного струму на механічну енергію осмисленого переміщення зовнішнього феромагнітного матеріалу (якоря) ліг в основу різних електромеханічних пристроїв електрозв'язку (телеграфії та телефонії), електротехніки, електроенергетики. Одним із перших таких пристроїв було електромагнітне реле, винайдене американцем Дж. Генрі у 1831 р.

Фарадей. ВІДКРИТТЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

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.

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 струмпродовжував 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!

Фарадей був здивований: по-перше, чому стрілка поводиться так дивно? По-друге, чи стосуються помічені ним сплески до явища, яке він шукав?

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.

Фарадей наперед знає, як це буде. Досвід вдається блискуче.

«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».

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 електрична напруга. То справді був перший електричний генератор, створений руками людини.

Після «електромагнітної епопеї» Фарадей був змушений припинити на кілька років свою наукову роботу - настільки була виснажена його нервова система.

Досвіди, 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.

Фарадея теж спочатку бентежила швидкоплинність ефекту, але він більше довіряв фактам, ніж теоріям, і врешті-решт дійшов закону електромагнітної індукції. Цей закон здавався тоді фізикам неповноцінним, потворним, дивним, позбавленим внутрішньої логіки.

Чому струм збуджується лише під час руху магніту або зміни струму в обмотці?

Цього ніхто не розумів. Навіть сам Фарадей. Зрозумів це через сімнадцять років 26-річний армійський хірург глухого гарнізону в Потсдамі Герман Гельмгольц. У класичній статті «Про збереження сили» він, формулюючи свій закон збереження енергії, вперше довів, що електромагнітна індукція має існувати саме у цьому «потворному» вигляді.

Незалежно до цього прийшов і старший друг Максвелла Вільям Томсон. Він також отримав електромагнітну індукцію Фарадея із закону Ампера з урахуванням закону збереження енергії.

Так «швидка» електромагнітна індукція набула прав громадянства і була визнана фізиками.

Але вона ніяк не вкладалася в поняття та аналогії статті Максвелла «Про фарадіївських силових лініях». І це був серйозний недолік статті. Практично її значення зводилося до ілюстрації те, що теорії близько- і далекодії впливають різний математичний опис тих самих експериментальних даних, що силові лінії Фарадея не суперечать здоровому глузду. І це все. Все, хоч це було вже дуже багато.

З книги Максвелл автора Карцев Володимир Петрович

ДО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ТЕОРІЇ СВІТЛА Стаття «Про фізичні силові лінії» виходила частинами. І третина її, як і обидві попередні, містила нові ідеї надзвичайної цінності.

З книги Вернер фон Сіменс - біографія. автора Вейхер Зігфрід фон

Трансатлантичний кабель. Кабельне судно "Фарадей" Очевидний успіх індоєвропейської лінії як у технічному, так і у фінансовому відношенні повинен був надихнути її творців на подальші починання. Випадок розпочати нову справу представився, і натхненником виявився

З книги Велика Теорема Ферма автора Сінгх Саймон

Додаток 10. Приклад доказу індукції У математиці важливо мати точні формули, що дозволяють обчислювати суму різних послідовностейчисел. В даному випадку ми хочемо вивести формулу, що дає суму перших n натуральних чисел. Наприклад, «сума» лише

З книги Фарадей автора Радовський Мойсей Ізраїльович

З книги Роберт Вільямс Вуд. Сучасний чародій фізичної лабораторії автора Сібрук Вільям

З книги Шелест гранати автора Прищепенко Олександр Борисович

Розділ одинадцятий Вуд розтягує свій відпускний рік на три, стоїть на тому місці, де колись стояв Фарадей, і перетинає нашу планету вздовж і поперек Звичайний університетський професор щасливий, якщо йому вдається отримати вільний рік раз на сім років. Але Вуд не

З книги Курчатов автора Асташенков Петро Тимофійович

З книги Подорож навколо світу автора Форстер Георг

Ось воно, відкриття! Міцний горішок Академіка Іоффе та його співробітників давно вже зацікавила незвичайна поведінка у електричному полікристалів сегнетової солі (подвійна натрікалієва сіль виннокам'яної кислоти). Досліджувалася ця сіль поки що мало, і було тільки

З книги Зодіак автора Грейсміт Роберт

З книги 50 геніїв, які змінили світ автора Очкурова Оксана Юріївна

1 ДЕВІД ФАРАДЕЙ І БЕТТІ ЛУ ДЖЕНСЕН П'ятниця, 20 грудня 1968 року Девід Фарадей неквапливо вів машину між пологих пагорбів Вальєхо, не звертаючи особливої увагина міст «Золоті ворота», на яхти та глісери, що миготіли в бухті Сан-Пабло, на чіткі силуети портових кранів та

З книги Неохолола пам'ять [збірка] автора Друян Борис Григорович

Видатний англійський вчений, фізик і хімік, основоположник вчення про електромагнітне поле, що відкрив електромагнітну індукцію – явище, яке лягло в основу електротехніки, а також закони електролізу, названі

З книги Френсіс Бекон автора Суботін Олександр Леонідович

Відкриття В один із похмурих осінніх днів 1965 року в редакції художньої літературиЛеніздата з'явився юнак із худою канцелярською папкою в руці. Можна було зі стовідсотковою ймовірністю здогадатися, що у ній – вірші. Він був явно збентежений і, не знаючи до кого

З книги Танцююча в Аушвіці автора Гласер Паул

Із книги Великі хіміки. У 2-х томах. Т. І. автора Манолов Калоян

Відкриття Один із моїх колег родом із Австрії. Ми з ним дружимо, і одного вечора за розмовою він помічає, що прізвище Гласер було дуже поширене у довоєнному Відні. Мій батько якось розповідав, згадую я, що наші далекі предки жили в німецькомовній частині

Із книги Ніцше. Для тих, хто хоче все встигнути. Афоризми, метафори, цитати автора Сирота Е. Л.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ (1791–1867) Повітря в палітурній майстерні було просякнуте запахом столярного клею. Розташувавшись серед купи книг, робітники весело перемовлялися і старанно зшивали друкарські листи. Майкл клеїв товстий том Британської енциклопедії. Він мріяв прочитати її

З книги автора

Відкриття півдня Восени 1881 Ніцше потрапив під чарівність творчості Жоржа Бізе - його «Кармен» в Генуї він слухав близько двадцяти разів! Жорж Бізе (1838–1875) – знаменитий французький композитор-романтист Весна 1882 року – нова подорож: з Генуї на кораблі в Мессіну, про яку трохи

Після відкриттів Ерстедаі Амперастало ясно, що електрика має магнітну силу. Тепер необхідно підтвердити вплив магнітних явищ на електричні. Це завдання блискуче вирішив 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 риси його наукової діяльності. хімічні дослідиФарадей став робити ще хлопчиком при першому ж знайомстві з фізикою та хімією. Якось Майкл відвідав одну з лекцій Гемфрі Деві, великий англійський фізик.

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. У той час це була одна з кращих 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 по собі обезсмертити ім'я їх автора. Але найважливішими з наукових працьФарадея є його дослідження в області е 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.

На той час, коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що при 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. За своїм звичаєм Фарадей почав ряд дослідів, які мали з'ясувати суть справи.

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 має жодного впливу 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.

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 лише одну мить.

Ці вторинні миттєві струми, викликані впливом первинних, назвали 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.

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 уже 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 вищеописаному явищу індукції при замиканні та припинення 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.

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.