ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК
ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК
Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по расчетам Фарадея, должно было бесконечно растягиваться, пересекая тела и выходя во внешнее пространство. Ученый сообщил о полученных результатах на первой сессии «Экспериментальных исследований» 24 ноября 1831 года в Королевском обществе.
* * *
Одна из четырех фундаментальных сил вселенной
Вселенная управляется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: электромагнитным, гравитационным, слабым ядерным и сильным ядерным. Другими словами, известны только четыре способа, которые могут заставить одну часть материи взаимодействовать с другой. Эти четыре силы различаются по своей интенсивности, области применения, они управляются разными механизмами, различны и результаты их действия.
* * *
Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их.
«Когда магнит воздействует на магнит, расположенный на некотором расстоянии, или на кусок железа, индукционная причина (которую я сейчас назову магнетизмом) постепенно переходит с намагниченных тел, при этом сам переход занимает определенное время […]. Я склонен утверждать, что распространение магнитных сил от магнитного полюса можно сравнить с колебаниями, производимыми небольшим возмущением на поверхности воды, или колебаниями в воздухе от акустических явлений.
Научные опасения Фарадея имели причину. Шел только 1832 год, а ученый уже предполагал, что магнитным силам требуется время для перемещения в пространстве, что противоречило ньютоновой концепции мгновенного действия на расстоянии. Также Фарадей говорил о волновом движении и даже обнаружил некоторую поверхностную связь электромагнетизма со светом.
Наконец, применив физические аналогии, восполнившие пробелы в его математических знаниях, 19 января 1844 года, в возрасте 52 лет Фарадей представил свои теории на суд публики. Возможно, одной из причин, подтолкнувших его к такому решению, стал нервный кризис, который ученый пережил в 1830-х годах. Он был связан с переутомлением от постоянной интеллектуальной работы, которой Фарадей изнурял свой организм: он осознал, что может умереть в любой момент, и единственным его наследием станет запечатанная записка, хранящаяся в архиве Королевского общества.
Фарадей усовершенствовал первый электромагнитный генератор, повторил свой эксперимент и сформулировал открытие одной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».
Это было очень красноречиво, однако научное сообщество отвергло это открытие, поскольку оно было выражено словами. С тех пор как Ньютон в XVII веке ввел в науку формулы, считалось, что такого рода заявления должны выражаться на однозначном и универсальном языке математики.
Фарадей плохо знал математику, гораздо важнее для него были результаты экспериментов, которые обеспечили ему блестящую карьеру в Королевском институте. Фарадей решил, что коллеги не воспринимают его идеи из-за снобизма, считая его всего лишь бедным выходцем из села без академического образования. Фарадей упорно защищал свою позицию, согласовывающуюся с его поэтическим и религиозным миропониманием, и говорил о том, что наука должна выражаться на языке, понятном для обычных людей.
* * *
Разность потенциалов
Когда Фарадей изобрел первый электромагнитный генератор, он открыл, что на концах проводника, двигающегося в магнитном поле, возникает разность потенциалов. Это можно сформулировать так: если в двух точках имеется разность потенциалов, и они соединяются проводником, возникает поток электронов (электрический ток). Часть заряда, который получается в точке большего потенциала, будет двигаться по проводнику к точке меньшего потенциала. Ток прекратится, когда электрический потенциал в двух точках уравняется.
* * *
Наконец, молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) через три десятилетия перевел открытие Фарадея на язык математики в виде элегантного и точного уравнения, опубликованного в статье «Динамическая теория электромагнитного поля». Уравнение было следующим:
Знак минус поставлен согласно закону Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей его.
Максвелл выразил отношение к трудам Фарадея, которого он называл Ньютоном электричества, в предисловии к первому изданию своего «Трактата об электричестве и электромагнетизме» (1873, A treatise on electricity and magnetism):
«По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явления тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашел также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков.
Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие все пространство силовые линии там, где математики видели лишь центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде»[2].
Shield нашел защиту от «цифровой интоксикации»
Omnia mea mecum porto: никогда еще за последние две с лишним тысячи лет со времен Цицерона одна фраза так точно не описывала состояние современного человека. Пусть не собственно в цицероновском смысле (человек всегда носит с собой свой внутренний мир – достаточно неочевидное утверждение здесь и сейчас), но в смысле личных данных, которые ныне умещаются в одном кармане. И никогда еще такая концентрация данных в носимых устройствах не приобретала столь опасного для их владельца характера.
Современный человек буквально излучает персональные данные со своего смартфона, кредитных и дебетовых карт и даже биометрического загранпаспорта.
Технофеодализм и технокрепостные
К каким неожиданным последствиям, в том числе и политическим, может приводить «рабство данных», показал недавний скандал с британской компанией Cambridge Analytica. Но в той ситуации были без спроса использованы данные, которыми люди по собственной воле делились с соцсетями. В случае с носимыми устройствами, вы не подозреваете, что в портфеле поравнявшегося с вами в толпе человека находится сканер, который за доли секунды считал данные вашей кредитки или электронного документа с чипом. Не говоря о записи геопозиции каждого шага.
Так создаются защитные устройства от рабства данных. Фото: Shield
«Мы живем в условиях технофеодализма», – говорит экономист из Йельского университета Глен Вейл в интервью The Economist.
Действительно, от горячей любви к технологиям до ненависти к их порабощающей силе – один шаг. И вот уже сколковский стартап Shield, специализирующийся на информационной безопасности, предлагает «технологии против технологий», как выражается его генеральный директор Андрей Федоров. Компания создает аксессуары, блокирующие электромагнитные сигналы смартфонов, планшетов, и других устройств инфокоммуникации.
В интервью Sk.ru г-н Федоров рассказал о возможностях своей технологии, ее истоках и амбициозных планах по выходу на мировые рынки.
«Мы взяли бы Фарадея в соучредители»
Теоретические истоки идеи восходят к работам Майкла Фарадея, и можно даже точно назвать дату, от которой берет начало разработка: это 1836 год, когда была изобретена «клетка Фарадея» – устройство экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей.
Гендиректор компании Shield Андрей Федоров. Фото: Shield
«Мы бы, конечно, взяли Фарадея в соучредители, если бы могли», – смеется Андрей Федоров.
Практическая идея экранировать сигналы носимых устройств пришла к команде стартапа буквально из космоса. Не в том смысле, что у них, как теперь модно говорить, открылись чакры, и они принялись получать подсказки от внеземных цивилизаций. Сам генеральный директор компании – инженер с большим опытом работы в космической индустрии. Сооснователь бренда генеральный директор НПЦ «СОТИС» Михаил Купин — эксперт по электромагнитной совместимости и защите информации.
Компания «СОТИС» открыла в Технопарке «Сколково» лабораторию по испытанию микроспутниковых технологий. «В этом Центре коллективного пользования мы испытываем технику на электромагнитную совместимость, – рассказывает Андрей Федоров. – Помните, еще не так давно мы подносили телефон к монитору, и монитор начинал мерцать: это означало, что электромагнитная совместимость одного из устройств не обеспечена – то ли монитор не устойчив к внешним помехам, то ли излучение телефона превышает норму.
«Наша методика, наш ноухау заключается в том, что мы с учетом опыта изучения и применения разных материалов, можем скомбинировать их таким образом, чтобы получить универсальное работающее решение»
Мы построили в Технопарке экранированную палатку по принципу клетки Фарадея из металлизированной сетки, которая ослабляет внешние сигналы порядка 30 дБ (децибел).
Для чего это нужно? Обращается к нам, например, сколковская компания, им нужно оперативно измерить уровень сигнала передатчика, внеполосные излучения, помехоэмиссию. Если бы мы просто поставили перед техническим средством приемную антенну в открытом помещении, то могли бы путать его сигнал с работой лифта, ламп, или других технических и радиоэлектронных средств. Сетка ослабляет внешние шумы, и мы видим конкретный сигнал. Когда происходят более сложные испытания, например, испытания на помехоустойчивость, мы проводим их в аттестованной безэховой экранированной камере: это уже металлическое сооружение с коэффициентом экранирования до 120 дБ, которое убирает все внешние шумы. Если сетка ослабляет радиосигналы в 1000 раз, то там – в сотни миллионов раз. Но для испытаний, что называется, on the go, сетки вполне достаточно.
Итак, мы создали большую экранированную палатку для тестирования технических средств космической отрасли, провели испытания, поняли, что эта штука мобильная и что ее можно собирать по нашей собственной методике.
Тогда мы уменьшили изделие до размера чехла».
Со щитом или на щите
В организационном плане для развития этого бизнес-направления был создан Shield («Щит»), спин-офф компании «СОТИС». Заместитель гендиректора «СОТИС» Андрей Федоров возглавил стартап, резидент Фонда «Сколково».
Все устройства тестируются в собственной лаборатории компании. Фото: Shield
Shield производит защитные кейсы для мобильных гаджетов с непробиваемым для радиоволн экраном, кардхолдеры и бумажники, защищенные от дистанционного считывания бесконтактных банковских карт, специальные обложки для загранпаспорта, защитные аксессуары для автомобильных ключей. Эти вещи можно уже сейчас купить в магазине инновационных товаров Технопарка. Выход на более широкий рынок, по словам А. Федорова был невозможен без защиты интеллектуальной собственности разработчиков. После того, как компания подала через Центр интеллектуальной собственности «Сколково» заявку на полезное устройство (один из видов патентования), Shield готов к выходу на большие сети ритейла в России и за рубежом.
Если взять самое популярное устройство, кейс для смартфона, оно представляет собой обычный, на первый взгляд, чехол с двумя карманами. В одном можно просто переносить мобильник, другой полностью блокирует его от внешних сигналов и экранирует его собственные. Помимо того, что это делает смартфон «невидимым» для внешнего мира, он попутно выполняет еще две важные функции.
В кейсе батарейка телефона не разряжается, как это обычно происходит, допустим, на самолете или за городом, где из-за слабого сигнала телефон быстрее садится. Одновременно чехол полностью блокирует электромагнитное излучение гаджета. Вопрос о том, насколько это излучение вредно для здоровья, до сих пор не решен, но ВОЗ включила электромагнитное излучение в список потенциальных канцерогенов. «Наша разработка оставляет все излучение внутри, т.е. от телефона ничего не уходит во внешнюю среду», – говорит Андрей Федоров.
Чехол для смартфона с непробиваемым для радиоволн экраном. Фото: Shield
Генеральный директор признает, что у разработки Shield есть конкуренты в Китае и США, но указывает на преимущества своей технологии: «Применяемый ими материал не позволяет экранировать весь диапазон частот.
Мы же изучаем все свойства материалов и понимаем, какой из них подходит для какой частоты. Например, в случае с кардхолдерами банковских карт, которые мы тоже делаем, – там вообще не работает материал, который применяется для мобильных телефонов; он просто прозрачен для низких частот.
Наша методика, наш ноухау заключается в том, что мы с учетом опыта изучения и применения разных материалов, можем скомбинировать их таким образом, чтобы получить универсальное работающее решение.
Эти решения постоянно тестируются в собственной лаборатории компании, а основы изделия собираются под нашим контролем на производстве одного из партнеров Shield в Москве, затем мы их тестируем у себя в лаборатории».
Из цифрового мира в реальный
Если цифровая зависимость или, как ее называет Андрей Федоров, «цифровая интоксикация» не поддается радикальному лечению, то ее последствия можно купировать опять же с помощью цифровых технологий.
У Пабло Неруды в воспоминаниях есть эпизод, когда он попадает на собрание мексиканских поэтов, каждый из которых возбужденно размахивает револьвером.
Чтобы примирить темпераментных литераторов, Неруда взял большое сомбреро и попросил участников поэтического собрания сложить в него все револьверы.
Компания Shield предлагает нечто подобное для мобильных телефонов. Любому из нас знакома сцена, когда компания друзей собирается в ресторане пообщаться, но вместо этого каждый утыкается в собственный смартфон. Вернуть людей на время из цифрового мира в реальный можно с помощью разработки сколковского стартапа.
«Согласно исследованиям, из 50 человек, приходящих в ресторан быстрого питания, 40 сидят в гаджетах, – рассказывает собеседник Sk.ru. – Дети в этот момент сидят, обделенные вниманием. У нас сейчас разрабатывается металлическая экранированная капсула для нескольких телефонов. Мы хотим создать с помощью этой штуки, куда будут складываться телефоны, некий ритуал, понятный даже ребенку: папа положил телефон, мама положила телефон… Неважно, происходит дело в ресторане или на деловых переговорах: вы отключаетесь от виртуальности и возвращаетесь к живому общению».
Параллельно компания намерена идти в fashion tech.
«Допустим, бренд Henderson создал куртку, в которой карман с RFID-защитой; идея в том, что в такой карман кладешь несколько карт, и они находятся под защитой от сканирования, – говорит генеральный директор Shield. – Мы можем предложить делать весь диапазон защиты – не только RFID. Такая куртка позволяла бы полностью отключаться от виртуальности».
В этой идее, как во всех прочих разработках компании, суть не в том, чтобы что-то прятать от внешнего мира, а в том, чтобы управлять своими коммуникационными устройствами. «Те люди, которым нужно что-то прятать, вообще не будут пользоваться айфоном, из которого даже не вытащить батарейку, – резюмирует Андрей Федоров. – Наш посыл другой. Я как обычный пользователь не знаю, что это за черная коробочка, что она делает помимо моей воли. Теперь появляется возможность физически контролировать гаджет. Это технология по борьбе с технологиями. В нашей тяге ко всему умному мы отдаем слишком много данных на сторону.
Кто-то должен эти данные защитить».
Майкл Фарадей – краткая биография и основные этапы научной работы
Фарадей Майкл (1791—1867), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле.
Родился 22 сентября 1791 г. в Лондоне в семье кузнеца.
Рано начал работать в переплётной мастерской, где увлёкся чтением. Майкла потрясли статьи по электричеству в «Британской энциклопедии»: «Беседы по химии» мадам Марсэ и «Письма о разных физических и философских материях» Л. Эйлера. Он тут же постарался повторить описанные в книгах опыты.
Талантливый юноша привлёк к себе внимание, и его пригласили послушать лекции в Королевском институте Великобритании. Через некоторое время Фарадей стал работать там лаборантом.
С 1820 г. он упорно трудился над идеей объединения электричества и магнетизма. Впоследствии это стало делом всей жизни учёного.
В 1821 г. Фарадей впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, т.
е. создал лабораторную модель электродвигателя.
В 1824 г. он был избран членом Лондонского королевского общества.
В 1831 г. учёный обнаружил существование электромагнитной индукции, в последующие годы установил законы этого явления. Открыл также экстратоки при замыкании и размыкании электрической цепи, определил их направление.
Опираясь на экспериментальный материал, доказал тождественность «животного» и «магнитного» термоэлектричества, электричества от трения, гальванического электричества. Пропуская ток через растворы щелочей, солей, кислот, сформулировал в 1833 г. законы электролиза (законы Фарадея). Ввёл понятия «катод», «анод», «ион», «электролиз», «электрод», «электролит». Сконструировал вольтметр.
В 1843 г. Фарадей экспериментально доказал идею сохранения электрического заряда и вплотную подошёл к открытию закона о сохранении и превращении энергии, высказав мысль о единстве сил природы и об их взаимном превращении.
Создатель учения об электромагнитном поле, учёный высказал мысль об электромагнитной природе света (мемуары «Мысли о лучевых колебаниях», 1846 г.
).
В 1854 г. открыл явление диамагнетизма, а три года спустя — парамагнетизма. Положил начало магнитооптике. Ввёл понятие электромагнитного поля. Эта идея, по мнению А. Эйнштейна, была самым важным открытием со времён И. Ньютона.
Фарадей жил скромно и тихо, предпочитая всему занятия опытами.
Умер 25 августа 1867 г. в Лондоне. Прах покоится на лондонском Хайгетском кладбище.
Идеи учёного до сих пор ждут нового гения
Связанные записи:
Всегда популярно и полезно:
Комментарии:
Идея близкодействия в работах Фарадея. Готовые сочинения и рефераты
Не буду подробно рассматривать всего, что сделал Фарадей для физики, перечислю лишь основные его открытия, остановившись подробно только на работах, связанных с обоснованием концепции близкодействия. К числу основных открытий Фарадея относятся следующие:
- открытие сжижения газов и предвидение существования критической температуры;
- открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом современного электродвигателя;
- открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины;
- доказательство единой природы разного вида электричества, получаемого различными способами;
- установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества;
- создание теории электростатической индукции и поляризации диэлектриков, введение понятия диэлектрической проницаемости;
- изучение магнитных свойств вещества, открытие диа- и парамагнетизма;
- изучение проводимости газов;
- открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма;
- создание основ учения о поле.
Обращусь к тем работам Фарадея, которые наиболее близки к проблеме поля, и прежде всего к открытию электромагнитной индукции.
Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму. И это понятно – идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей и мировоззрении Фарадея: “Я давно придерживаюсь мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или … так взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга”. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записывает в своем дневнике в качестве задачи: “Превратить магнетизм в электричество”. После этого он все время носит в кармане магнит и проволоку, может быть, для того, чтобы они были постоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки возникающих мыслей.
Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение.
Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.
Почему идея тех опытов, которые может выполнить ныне каждый старшеклассник, оказалась столь трудной для Фарадея, человека необычайного ума? Причин тут много. И прежде всего трудности теоретического характера. В науке того времени только зарождались понятия электрического тока, силы тока, напряжения, была неизвестна природа магнетизма. К этому добавлялись трудности технического характера. Чтобы ныне обнаружить ЭДС индукции, используют многовитковую катушку. В то время только что узнали о том, что магнетизм тока усилится, если провод скрутить в спираль, но еще не имели способа изолировать провод. Индукционные токи на уроках физики регистрируются ныне гальванометром с чувствительностью 10 -5 А/дел, а тогда ток измерялся по отклонению магнитной стрелки. Чтобы стрелка заметно отклонилась, надо было пропускать по проводнику большой ток, а индукционные токи слабые. К тому же стрелка–индикатор не должна испытывать влияния магнита, которым возбуждается ток.
Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение. Вдвинув магнит в катушку, надо было идти смотреть на стрелку–индикатор, которая, естественно к этому времени уже приходила в состояние покоя. Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита. Так что 11 лет поисков для того времени – срок вполне объяснимый.
Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка. Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и к тому же у него была и другая причина – его высокая требовательность: “хотелось свести полученные результаты в какую-то систему”.
Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке. Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется.
Уже в 1825 г. он высказывает мысль: если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось (слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции),
Тогда Фарадей выдвигает другую мысль. Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т.е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен.
Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки.
29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти.
Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки. Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся. Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу: “Электрическая волна (ток) возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое”. 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.
Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции.
Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия, реализовавшейся в конце концов в идее существования поля.
Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его нелегко, поэтому ограничусь лишь упрощенным изложением его окончательных идей.
Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в разделяющей среде. Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов. Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках.
Фарадей же обратил внимание на роль среды (он, например, обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика). Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного знака? Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к наэлектризованному телу (как это действительно происходит в диэлектриках с неполярными молекулами). Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи электрического действия, распространяющийся постепенно от точки к точке. Подобным же образом происходит по Фарадею и процесс намагничивания. До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ. Фарадей обнаружил, что все вещества могут намагничиваться и магнитное действие, подобно поляризации, постепенно передается от одной частицы среды к другой.
Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс не мгновенный, а длящийся некоторое время.
Вот она первоначальная концепция близкодействия!
Фарадей вводит понятие о силовых линиях. Пока речь идет об электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается действие силы в вакууме? “Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в других областях, гипотетический эфир?” И считая пространство заполненным особой средой – эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии. Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон электромагнитной индукции: “Количество электричества, вовлеченное в движение, прямо пропорционально количеству пересеченных линий”, т.е. ЭДС индукции возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии.
Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных образований (линий) на электрическую жидкость в проводнике.
Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов отталкиваются друг от друга как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов (вспомним спектры соответствующих полей).
Представление о силовых линиях как реальных образованиях имеющихся и в вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления. В частности, известный опыт Араго (вращение металлического диска за счет вращения рядом расположенного магнита) получил простое объяснение: силовые линии вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вращение.
Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов. Фарадей прекрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными.
В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено, но существо его идей получило полное признание. По Фарадею, электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами, происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос.
Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии (во всяком случае для магнитного поля) не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского дальнодействия силы носят центральный характер, т.е. действуют по прямым, соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.
Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени; электрические и магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника. Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия осуществляется волнообразно. В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия, закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет, Фарадей пишет: ”На распространение магнитного воздействия требуется время… Я полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом…, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям… и к электрической индукции”.
Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия зарядов и токов.
А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде, считая, что “материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею”. Но лучше всего об этом сказал Максвелл: “Фарадей своим мысленным взором видел линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающихся на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах, происходящих в среде. Они же были удовлетворены тем, что нашли его в действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам”.
А теперь несколько слов о том, как Фарадей жил и каким он был человеком.
Страницы: 1 2
Больше сочинений по этой теме
Больше рефератов этого автора
Майкл Фарадей – основоположник электромагнитного поля
Майкл Фарадей (1791-1867) – английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле ( особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами).
Он иностранный почетный член Петербургской академии наук (1830). Обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, химическое действие электрического тока, взаимосвязь между магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-1834) законы электролиза. Открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.
Родился Майкл Фарадей в семье кузнеца 22 сентября 1791 года, в предместье Лондона. Небольшие доходы семьи не позволили ему окончить даже среднюю школу. В 13 лет Майкл стал учеником в переплетной мастерской при книжной лавке. Работая в мастерской, Фарадей упорно занимался самообразованием – читал всю доступную ему литературу по физике и химии, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии.
Один из клиентов книжной лавки, где работал Майкл, заметив интерес мальчика к физике и химии, помог ему попасть на лекции по этим предметам в Королевский институт. В 1813 году Фарадей получил место лабораторного ассистента в этом институте, а осенью того же года был взят выдающимся физиком Гемфри Дэви в двухлетнюю поездку по научным центрам Европы. Эта поездка для Майкла Фарадея имела большое значение: знакомство с такими учеными, как Ж.Л.Гей-Люссак, А.Ампер и др.
Работая в Королевском институте Фарадей поначалу помогал Г.Дэви в его химических экспериментах, а потом начал проводить собственные опыты. В 1816 он уже читал курс лекций по физике и химии в обществе для самообразования. Проводя исследования, он произвел ожижение газов и получение бензола – одно из его наивысших достижений в области химии. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током, и наоборот- вращение проводника с током вокруг магнита, создав первую модель электродвигателя. До этого он уже имел около 40 опубликованных работ по химии.
В 1824 году он первым получил хлор в жидком состоянии. В 1831 его десятилетние исследования связи между электричеством и магнетизмом увенчались открытием электромагнитной индукции. Это открытие принесло ученому известность .
Изучения Фарадеем прохождения электрических токов через растворы солей, щелочей и кислот, привело его к открытию законов электролиза (законы Фарадея) в 1833году. В 1845 году он открыл явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм, а в 1847- парамагнетизм. Ученый ввел понятия: подвижность, анод, катод, ионы, электроды. Изобрел вольтметр. Впервые употребил понятие магнитного поля.
Открытия Фарадея завоевали широкое признание во всем мире. Его именем, в последствии, были названы законы, явления, физические величины. В его честь была утверждена одна из почетнейших научных наград- медаль Фарадея.
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
Сообщение “Опыты Майкла Фарадея”
Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение
«Средняя школа № 17» г.
Палласовка
Сообщение по теме:
«Опыты Майкла Фарадея»
Автор:
Макаренко Даниил,
ученик 9 «б» класса
Руководитель:
Котов Константин Юрьевич,
учитель физики
г. Палласовка
2020 г.
Содержание
Введение ……………………………………………………………………..2
История развития и опыты Фарадея ………………………………..2-3
Закон Фарадея…………………………………………………………4
Закон Фарадея-Максвелла……………………………………………5
Экспериментальные исследования Фарадея по электричеству…..6-8
Другие работы Майкла Фарадея по электромагнетизму………….8
Заключение…………………………………………………………………9
Библиография
Введение
В 1820 году было произведено открытие магнитного поля вокруг проводника Эрстедом.
В то время производилось много опытов и экспериментов, связанных с электричеством. В 1831 году мир впервые узнал о понятии электромагнитной индукции. Именно тогда Майкл Фарадей обнаружил это явление, ставшее в итоге важнейшим открытием в электродинамике. (Американец Джозеф Генри тоже открыл, но не успел опубликовать свои результаты. Ампер также претендовал на открытие, но не смог представить свои результаты).
Фарадей Майкл (1791–1867) – знаменитый английский физик. Исследования в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Создал лабораторную модель электродвигателя. Открыл экстратоки при замыкании и размыкании цепи и установил их направление. Открыл законы электролиза, первый ввел понятия поля и диэлектрической проницаемости, в 1845 г. употребил термин «магнитное поле». Кроме всего прочего, М. Фарадей открыл явления диа- и парамагнетизма.
Он установил, что все материалы в магнитном поле ведут себя по-разному: ориентируются по полю (пара- и ферромагнетики) или поперек поля – диамагнетики.
1. История развития и опыты Фарадея
До середины XIX века считалось, что электрическое и магнитное поле не имеют никакой связи, и природа их существования различна. Но Майкл Фарадей был уверен в единой природе этих полей и их свойств. Явление электромагнитной индукции, обнаруженное им, впоследствии стало фундаментом для устройства генераторов всех электростанций. Благодаря этому открытию знания человечества об электромагнетизме шагнули далеко вперед.
Фарадей проделал следующий опыт: он замыкал цепь в катушке I и вокруг нее возрастало магнитное поле. Далее линии индукции данного магнитного поля пересекали катушку II, в которой возникал индукционный ток. То же самое происходит с двумя близко расположенными катушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой также возникнет переменный ток, но лучше всего этот эффект проявляется, если две катушки соединить сердечником.
По определению Фарадея общим для этих опытов является следующее: если поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур, меняется, то в контуре возникает электрический ток.
Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток – индукционным. При этом явление совершенно не зависит от способа изменения потока вектора магнитной индукции.
Итак, получается, что движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, а движущееся магнитное поле создает (вихревое) электрическое поле и собственно индукционный ток.
Для каждого конкретного случая Фарадей указывал направление индукционного тока.
На самом деле, одновременно с Фарадеем, но независимо от него, другой ученый Джозеф Генри обнаружил это явление. Однако Фарадей опубликовал свои исследования раньше. Таким образом, автором закона электромагнитной индукции стал Майкл Фарадей.
Сколько бы экспериментов не проводил Фарадей, неизменным оставалось одно условие: для образования индукционного тока важным является изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (катушку).
2. Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.
Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:
И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается, существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.
«Мы не знаем никакого аналогичного положения в физике, когда такие простые и точные общие принципы требовали бы для своего реального понимания анализа с точки зрения двух различных явлений»
Ричард Фейнман
3. Закон Фарадея-Максвелла
После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны и должны быть существенно переработаны.
Точную формулировку этих законов и полную математическую модель электромагнетизма дал спустя 30 лет Джеймс Максвелл, родившийся в год открытия индукции (1831). В 1860-х годах Максвелл изложил идеи Фарадея математически. Уравнения, которые он вывел, легли в основу современной радиотехники и электротехники. Они выражаются следующим образом:
Где E – напряженность электрического поля на участке dl; H – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, t – время.
Симметричный характер данных уравнений устанавливает связь электрических и магнитных явлений, а также магнитных с электрическими. Физический смысл, которым определяются эти уравнения, можно выразить следующими положениями:
если электрическое поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается магнитным полем.
если магнитное поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается электрическим полем.
Также Максвелл установил, что распространение электромагнитного поля равна скорости распространения света.
4. Экспериментальные исследования Фарадея по электричеству
Фарадей работал чрезвычайно методично — обнаружив эффект, он изучал его максимально глубоко — например, выяснял, от каких параметров и как он зависит (материал, температура и т. п.). Поэтому число опытов (и соответственно — число выпусков «Опытных исследований по электричеству») так велико. Нижеследующий краткий перечень тематики выпусков даёт представление о размахе и глубине исследований Фарадея.
Индукция электрических токов. Образование электричества из магнетизма.
Земная магнитоэлектрическая индукция.
Тождество отдельных видов электричества, происходящих от различных источников (в то время многие физики считали, что разные способы получения генерируют принципиально «разное электричество»).
О новом законе электрической проводимости.
Об электрохимическом разложении. Влияние воды на электрохимическое разложение. Теория электрохимического разложения.
О способности металлов и других твёрдых тел вызывать соединение газообразных тел.
Об электрохимическом разложении (продолжение). О некоторых общих условиях электрохимического разложения. О новом приборе для измерения гальванического электричества. О первичном или вторичном характере выделяющихся у электродов химических веществ. Об определённой природе и о размерах электрохимического разложения.
Об электричестве гальванического элемента; его источник, количество, напряжение и основные свойства его. О напряжении, необходимом для электролиза.
Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще.
О гальванической батарее усовершенствованного типа. Некоторые практические указания.
Теория индукции. Общие выводы относительно природы индукции.
Об индукции (продолжение). Проводимость, или кондуктивный разряд. Электролитический разряд. Разрывной разряд и изоляция.
Об индукции (продолжение). Разрывной разряд (продолжение).
Природа электрической силы или сил. Связь между электрической и магнитной силами. Замечания об электрическом возбуждении.
Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря.
Об источнике мощности гальванического элемента.
Об источнике мощности гальванического элемента (продолжение). Действие температуры. Действие разведения. Изменения порядка металлических элементов в гальванических цепях. Неправдоподобность предположения о контактной природе силы.
Об электричестве, развивающемся при трении воды и пара о другие тела.
Действие магнитов на свет. Действие электрических токов на свет.
О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества. Действие магнитов на тяжёлое стекло. Действие магнитов на другие вещества, оказывающие магнитное действие на свет. Действие магнитов на металлы вообще.
О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества (продолжение). Действие магнитов на магнитные металлы и их соединения. Действие магнитов на воздух и газы.
О кристаллической полярности висмута и других тел и её отношении к магнитной форме силы. Кристаллическая полярность висмута, сурьмы, мышьяка. Кристаллическое состояние различных тел. О природе магнекристаллической силы и общие соображения. О положении кристалла сульфата железа в магнитном поле.
О полярном или ином состоянии диамагнитных тел.
О возможной связи между тяготением и электричеством.
О магнитном и диамагнитном состоянии тел. Газообразные тела под влиянием магнитной силы не расширяются. Разностное магнитное действие. Магнитные свойства кислорода, азота и пустоты.
Способность проводить магнетизм. Магнитная проводимость. Полярность проводимости. Магнекристаллическая проводимость. Атмосферный магнетизм.
Об атмосферном магнетизме (продолжение). Экспериментальное исследование законов магнитного действия атмосферы и их применение к отдельным случаям. Доклад об атмосферном магнетизме.
О магнитных силовых линиях, определённость их характера и их распределение в магните и в окружающем пространстве.
О применении индукционного магнитоэлектрического тока для обнаружения и измерения магнитной силы.
Другие работы Майкла Фарадея по электромагнетизму
Фарадей собрал первый трансформатор, исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Дж. Генри, разряды в газах и др. При исследовании свойств диэлектриков ввёл понятие диэлектрической проницаемости (которую называл «индуктивной способностью»).
В 1836 году, работая над проблемами статического электричества, Фарадей провёл эксперимент, показавший, что электрический заряд воздействует только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, не оказывая никакого воздействия на находящиеся внутри неё объекты. Данный эффект связан с тем, что противоположные стороны проводника приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. Соответствующие защитные свойства используются в устройстве, известном ныне как клетка Фарадея.
Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Убеждённость Фарадея в единстве всех сил природы нашла ещё одно подтверждение.
Заключение
Столь выдающийся вклад в науку Фарадею удалось внести, прежде всего, благодаря тому, что он был изобретательным экспериментатором, не боявшимся проводить опыты, ставившие под сомнение устоявшиеся научные представления своей эпохи. Он был также выдающимся популяризатором науки: в 1826 году он организовал при Королевском институте ежегодные циклы лекций для детей, которые читаются и сегодня.
Библиография
1. Абрамов Я. В. Майкл Фарадей / Я. В. Абрамов // Абрамов Я. В. Лавуазье. Фарадей. Лайель. Чарлз Дарвин. Карл Бэр: биогр. повествования. — Челябинск: Урал, 1998. — С. 73-153. 22.3
2. Азерников В. З. Майкл Фарадей. Открытие электромагнитной индукции и двух законов электролиза / В. З. Азерников // Азерников В. З. Физика. Великие открытия— М., 2000. — С. 75-82
3. Глухов А. Г. «Экспериментальные исследования» Майкла Фарадея / А. Г. Глухов // Глухов А. Г.
4. Голованов Я. К. Майкл Фарадей : «Превратить магнетизм в электричество» / Я. К. Голованов // Голованов Я. К. Этюды об ученых— М., 1976. — С. 238-243.: ил.
5. Золотое правило электриков // Я познаю мир: Великие ученые: дет. энцикл. / сост. Пономарева Т. Д. — М., 2004. — С. 265-281.
6. Томилин А. Н. Эпоха Фарадея-Максвелла / А. Н. Томилин // Томилин А. Н. Мир электричества— М., 2004. — С. 173-190.
7. Харт М. Х. Майкл Фарадей. / М. Х. Харт // Харт М. Х. Сто великих людей— М., 1998. — С. 134-137.
150379 (Исследование работ Фарадея по электричеству) – документ, страница 12
Математический формализм уравнений электродинамики не позволяет увидеть и предсказать ранее не известные явления без наличия модели. Моделью магнитного поля должна быть модель, подобная модели Максвелла, математическое исследование которой привело к созданию электродинамики.
Если действительно, для того, чтобы гений реализовал свой творческий потенциал, он должен родиться в нужное время и в нужном месте, то судьба Майкла Фарадея полностью это подтверждает. В год его рождения (1791 г.) был опубликован трактат Гальвани, когда Фарадею исполнилось 8 лет, был создан Лондонский Королевский институт по распространению научных знаний. Годом позже в Лондонское Королевское общество – высший научный центр Великобритании – пришло сообщение об изобретении Вольта, когда Фарадею было 11 лет, его учитель Гемфри Деви доказал факт разложения воды с помощью вольтова столба и стал, таким образом, одним из основателей новой науки – электрохимии.
До Фарадея физика развивалась, но ее развитие шло по пути механистическому. Однако все открытия в области электричества и магнетизма предопределили научные идеи Фарадея, а затем математически их облекли в стройную теорию уравнениями Максвелла.
Влияние электрического тока на магнитную стрелку обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Во время лекции об электричестве и магнетизме он заметил, что магнитная стрелка компаса уклоняется от своего направления. После лекции он установил, что вблизи от полюса гальванического элемента.
Как только элемент замыкался – стрелка меняла направление. Эрстед долго размышлял над этим странным явлением: экспериментировал со стрелками и железными опилками, которые в момент замыкания располагались кругами около провода. Наконец в 1820 году он установил связь между магнетизмом и электричеством.
Затем было установлено, что магнетизм сопутствует ток и в проводниках, и в электролитах, и в газах, а это значит, что действие на магнитную стрелку – общий признак электрического тока.
Французские физики Био и Савар осенью того же года установили, что каждая часть проволоки с током действует на магнитный полюс. Это исследование привело к закону взаимодействия тока и магнитного полюса.
Одним из основоположников новой науки – электродинамики – является Андре Мари Ампер. Работы Ампера в области физики сразу привлекли к себе внимание. Узнав об опытах Эрстеда, он продолжил их и установил, что два параллельных проводника притягиваются друг к другу, если токи в них направлены в одну сторону и отталкиваются, если токи направлены в противоположные стороны. Опыты Ампера позволили обнаружить закон, определяющий величину и направление сил, которые действуют на проводник с током, если он помещён между полюсами магнита, то есть в магнитном поле. Направление силы определяют с помощью так называемого “правила правой руки”. Амперу также принадлежит гипотеза о сущности намагничивания. Он предположил, что причину намагничивания следует искать в существовании круговых молекулярных токов. Токи эти, подобно магнитным стрелкам, имеют два полюса и поэтому устанавливаются в направлении намагничивания.
Учёные встретили гипотезу Ампера доброжелательно, но она была недостаточна, потому что многое оставалось в тени. Например, наблюдения Фарадея, как ведут себя между полюсами магнита стержни из различных веществ. Их поведение позволило разделить все вещества на парамагнитные и диамагнитные. Стержни первых устанавливаются между полюсами вдоль силовых линий, стержни вторых – перпендикулярно к ним. Это явление объяснили позже, когда стало ясно строение атома.
Магнитные исследования Кулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов, исследования Ампера – закон взаимодействия проводников с тЮками, а также проводника с током и магнита.
Некоторые из учёных объяснили взаимодействие магнитных полюсов, магнитного полюса и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Майкла Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствием магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия).
После открытия и исследования электромагнитной индукции стала очевидной возможность создать генератор, который сможет преобразовать механическую энергию в энергию электрическую. Первый генератор электрического тока, построенный в 1832, был весьма несовершенен.
К этому же времени относится начало целой серии работ М. Фарадея (1791-1867), одно лишь только формальное перечисление, которых способно составить объемный каталог, поэтому следует выделить наиболее значительное в этих исследованиях. Прежде всего, открытие явления электромагнитной индукции, во-вторых, явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле – первое экспериментальное доказательство связи между светом и магнетизмом, в-третьих, введение понятия “силового поля”.
А. Эйнштейн по этому поводу отмечал: “Идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”.
Примерно с середины Х1Х в. резко усиливаются теоретические изыскания, направленные на создание более или менее всеобъемлющей физико-математической концепции в области электромагнитных явлений.
Существенными достижениями в этом отношении отличается творческая деятельность представителей немецкой школы физиков-теоретиков – Ф.Э. Неймана (1798-1895) и В.Э. Вебера (1804 -1891). Помимо успехов в создании первых теорий классической электродинамики следовало бы заметить, что, по-видимому, именно Вебером впервые была высказана гипотеза о прерывности электрического заряда и о существовании сверхлегкой заряженной частицы (за пятьдесят лет до открытия электрона Дж.Дж. Томсоном в 1897 г.).
Наряду с успехами физических наук Х1Х в. может быть отмечен не меньшими (если не большими) достижениями в области математических наук. В частности, к середине прошлого века в достаточно совершенном виде (по крайней мере, для целей новой теоретической физики) сформировались такие разделы математики, как векторное исчисление (хотя сама терминология – “векторный анализ”- была введена Дж. Гиббсом позже, в 1881 г.), вариационное исчисление, математическая физика. В этой связи нельзя не отметить влияние на формирование научного мировоззрения П.С. Лапласа (1749-1827), Ж.Б.Ж. Фурье (1768-1830), К.Ф. Гаусса (1777-1855), С.М. Пуассона (1781-1840), М.В. Остроградского (1801-1861), У.Р. Гамильтона (1805-1865), Ж. Лиувилля (1809-1882).
Таким образом, складывалась благоприятная ситуация для создания теоретической электродинамики, как принято говорить в таких случаях – “идеи витали в воздухе”.
Роль Фарадея в человеческой цивилизации совершенно уникальна. До него ученые – естествоиспытатели исследовали круг явлений, известных из повседневного опыта и воспринимаемых каким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открыл новый вид материи, органами чувств не воспринимаемый – электоромагнитное поле, положив новые пути развития науки и техники.
Черту подвел Д.К. Максвелл, который в период с 1860 г. по 1865 г. обобщил всю сумму экспериментальных данных и предложил в виде системы уравнений теорию электромагнитного поля, выражающую все основные закономерности электромагнитных явлений. Элементами новизны в этой теории были введенное им понятие тока смещения, а также предсказание ряда эффектов – существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (волн), распространение электромагнитных волн в пространстве со скоростью света. Справедливости ради стоит отметить, что Л.В. Лоренц, не имея информации о работах Максвелла, чуть позже, в 1867 г., во многом повторил результаты последнего. Существенным достижением обоих исследователей является неопровержимое установление электромагнитной природы света, т.е. логическое завершение связи между оптическими и электромагнитными явлениями.
Вклад Максвелла сводится к следующему:
1. Теория Максвелла вводит в физику фундаментальное понятие единого электромагнитного поля. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на ”порожденное” ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.
2. Теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает, что сигнал, испущенный источником, но не принятый приёмником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая, по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия зависит от параметров поля (Е и В), это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.
3. Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Их единство проявляется том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т. е. электрические и магнитные поля есть частные проявления единого электромагнитного поля.
4. Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (Е и В) в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия.
5. Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн и скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливается единство оптики и электромагнетизма.
Теория электромагнитного поля Максвелла знаменовала собой начало нового этапа в физике. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных ччастиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
Большинство физиков высоко оценили теорию Максвелла. Пуанкаре считал её ”вершиной математической мысли”. ”Самым увлекательным предметом во время моего учения была теория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как к основным величинам, делал эту теорию революционной”, – писал А.Эйнштейн. Но теории Максвелла ещё предстояло утвердить себя.
Модель силового поля рождается в электродинамике Максвелла, точнее Фарадея-Максвелла, поскольку основы модельного слоя были заложены Фарадеем на основе модели силовых линий, а математический слой был разработан Максвеллом. Исходя из концепции близкодействия, Фарадей перенес центр тяжести своих исследований с электрических и магнитных тел на пространство между этими телами.
“Магнитным полем, – пишет Фарадей, – можно считать любую часть пространства, через которую проходят линии магнитной силы… Свойства поля могут изменяться от места к месту по интенсивности силы, как вдоль линий, так и поперек последних”. Эту линию последовательно развил Дж. Максвелл. Он изначально исходит из новой модели поля, суть которой составляют “электрические силовые линии, существующие вне порождающих их зарядов.”. И над этой моделью надстроил математический слой с помощью аналоговых гидродинамических моделей, жестко связанных со своим математическим слоем. “Формирование этого языка открывало путь к построению основ для исследования принципиально новых законов действия электрических и магнитных сил, включая физические процессы их взаимопревращения и распространения в пространстве (электромагнитных волн). … Такие физические процессы, вообще говоря, были просто бессмысленны с точки зрения понимания силы как причины ускорения материальной точки;…”.
Основные новые моменты модели, унаследованные от Фарадея, – система-поле (представляющее собой заполняющую пространство среду из силовых линий), состояния которого определяются значениями напряженностей электрической и магнитной составляющих – новых измеримых величин. Важнейшим шагом на этом пути было определение процедуры измерения характеристик поля посредством пробного заряда и пробного витка с током.
Одно лишь только формальное перечисление работ М. Фарадея способно составить объемный каталог, поэтому следует выделить наиболее значительное в этих исследованиях.
Прежде всего, открытие явления электромагнитной индукции, во-вторых, явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле – первое экспериментальное доказательство связи между светом и магнетизмом, в-третьих, введение понятия “силового поля”. А. Эйнштейн по этому поводу отмечал: “Идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”.
К настоящему времени не установлено ни единого экспериментального факта, который позволил бы усомниться в справедливости электромагнитной теории Фарадея-Максвелла. Однако не существует до сих пор и строгого вывода основных соотношений этой теории. Поскольку электрон был открыт значительно позже (Дж.Дж. Томсоном в 1897 г.), а дискретность же электрического заряда и его величина были установлены позднее (Р.Э. Милликеном в 1910-1914 гг.), то в основе теории Максвелла лежали представления о “заряде-жидкости”, т.е. теория Максвелла – это, прежде всего, макроскопическая электродинамика.
Генезис теоретических знаний в классической науке – http://ru.philosophy.kiev.ua/library/stepin/04.html.
Дягилев Ф. М., Из истории физики и истории её творцов. – М.: Просвещение, 1986.
Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Очерки по истории электротехники. – М.: Издательство МЭИ, 1993.
Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. – Л., 1951.
Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971.
Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973.
Калашников С. Г., Электричество, М., 1964 (Общий курс физики, т. 2).
Каменецкий М. О., Ганс Христиан Эрстед, “Наука и техника”, 1957, № 18.
Кудрявцев П.С.Курс истории физики. Электромагнетизм – М, 1959.
Карцев В.Л. Максвелл. М., 1974.
Курс физики, под ред. Н. Д. Папалекси, т. 2, М. — Л., 1948;
Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд.,. М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).
Лебединский А. В., Роль Гальвани и Вольта в истории физиологии, в кн.: Гальвани А. и Вольта А., Избр. работы о животном электричестве, М.—Л., 1937.
Максвелл Д. К.. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. – М.Техиздат, 1954.
Мощанский В. Н., Савелова Е. В., История физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1981.
Радовский М. И., Михаил Фарадей. Биографический очерк, М. – Л., 1946.
Славин Фарбер. “Гений творит то, что должен”. –fizmag.narod.ru
Степин В.С. Становление научной теории. Минск: БГУ, 1976.
Менцин Ю.Л. Теория электромагнитного поля: от Фарадея к Максвеллу. В кн.: Физика IX-XX вв. в общенаучном и социокультурном контекстах. Физика XIX в. М.: Наука, 1995.
Столетов А.Г. Собр. соч., т. 2, 1941.
Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 изд., М., 1957.
Тяпкин А. А., Шибанов А. С., Пуанкаре. – М.: Молодая гвардия, 1982.
Фарадей М., Экспериментальные исследования по электричеству, пер. с англ., т. 1, -М., 1947.
Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Тт. 1-3, М.: АН СССР, 1947-1959, т.3
Физические основы электротехники, под общ. ред. К. М. Поливанова, М. — Л., 1950.
Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М. – Л., 1963.
Храмов Ю. А., Физики: Биографический справочник.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы,1983.
Шнейберг Я.А. Переплетчик, ставший академиком.//”ЭЭергия” 2002, № 2.
Экспериментальные исследования по электричеству, т. 1–3, – М., 1947.
Энциклопедический словарь юного физика/Сост. В. А. Чуянов.- М.: Педагогика-пресс, 1997.
Энциклопедический словарь юного математика / сост. А. П. Савин.- М.: Педагогика-Пресс, 1997.
Эйнштеин. А. Собрание научных трудов. Том 2,М.Наука, 1966, с.160.
http://www.krugosvet.ru/articles/04/1000472/1000472a1.htm
http://fizmag.narod.ru/pages/rus5.html
http://historic.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st030.shtml
4 способа Майкл Фарадей революционизировал мир
Майкл Фарадей, рожденный в одной из самых жестких классовых систем в истории, не был предназначен для того, чтобы стать влиятельным человеком. На рубеже 19-го века он провел свое детство в убогой лондонской квартире с небольшими возможностями и без формального образования, кроме начальной школы.
Но отсутствие родословной не помешало Фарадею стать одним из самых влиятельных ученых в мире. В 14 лет он начал учиться в местном магазине, где научился переплетному делу.Днем он собирал книги вместе, а по ночам читал их, желая понять загадку электричества. К 21 году Фарадей продолжил свое дело – и, как назло, клиент дал ему билет, чтобы увидеть, как ведущий ученый Хамфри Дэви продемонстрирует чудо электричества. Фарадей не знал, что это будет поворотным моментом в его жизни и жизни общества в целом.
Удивившись лекции Дэви, Фарадей написал книгу, в которой красноречиво изобразил теории ученого.Этот жест произвел впечатление на Дэви, и он нанял молодого Фарадея в ученики. Остальное, как говорится, уже история. Вот лишь несколько причин, по которым Фарадей сделал наш мир таким, какой он есть сегодня.
Пройдите тест: какой курс программирования мне подходит?
1. Он открыл электромагнитную индукцию.
Еще до того, как Фарадей сделал это на месте событий, ученые знали об электричестве, хотя и мало что сделали, чтобы использовать его на практике. Возьмем, к примеру, Джованни Альдини, который отправился в тур по Европе в 1803 году, чтобы убить труп на глазах у публики.В то время электричество было такой загадочной силой, что большинство мирян считали его похожим на магию больше всего на свете.
Фарадей изменил все это, когда в 1831 году открыл электромагнитную индукцию. В ходе своих новаторских экспериментов он обнаружил, что, помещая проводник в изменяющееся магнитное поле, он создает напряжение на проводнике. Проще говоря? Он нашел способ вызвать электрический ток, и это открытие позже было применено ко многим устройствам, которые мы используем сегодня.
Спасибо, г.Фарадей.
К 40 годам Фарадей изобрел электродвигатель, трансформатор и генератор. Без открытия электромагнитной индукции у нас не было бы беспроводной передачи энергии или звукоснимателей для электрогитары. Совершенно верно: вы можете поблагодарить сладкий, сладкий звук Джими Хендрикса в немалой степени открытиям Фарадея. В общем, Фарадей превратил электричество из исключительно развлечения в практическое и широкое применение.
2. Его изобретения преобразили дом, ферму и фабрику.
Забудьте о модном холодильнике, который произвольно производит три разных типа кубиков льда.До появления электричества, которое можно использовать, почти все аспекты жизни человека функционировали иначе, чем сейчас. Люди во времена Фарадея жили дома с масляными лампами, деревянными ящиками для льда и угольными печами у сухих раковин.
Открытия Фарадея также революционизировали работу мелких фермеров практически во всех возможных смыслах. Электричество устранило ручной труд, такой как накачка воды, так что сельские семьи больше не тратили часы своего дня на то, чтобы таскать воду для скота или в дом.Автоматизированные системы для таких задач, как доение коров, не позволяли фермерам повредить руки, а угроза пожара коровника из-за опрокидывания масляных ламп во время раннего утреннего доения уменьшилась.
И хотя промышленная революция уже происходила, когда появился Faraway, хлопкоочистительные и электрические ткацкие станки стали старыми новостями, поскольку такие чудеса, как швейные машины и телеграф, изменили способы работы и общения людей. От сотовых телефонов до кондиционеров – современные удобства, которые мы сейчас принимаем как должное, когда-то были всего лишь фантазией, без непрекращающегося удивления и любопытства Фарадея, которые подпитывали их.
3. Он посвятил свою жизнь обучению других
Подобно тому, как Фарадей находил удивление в лекциях Дэви, у него также было желание выразить это благоговение детям и будущим ученым. Как он однажды сказал: «Лектор должен дать аудитории все основания полагать, что все его силы были приложены для их удовольствия и обучения». Фарадей понимал не только важность обучения, но и энтузиазм и любовь, стоящие за ним. Он происходил от человека, практически не имевшего формального образования, поэтому его приверженность образованию была не чем иным, как экстраординарным.
Фарадей начал ежегодную лекцию и демонстрации для детей, которые продолжались с 1865 года до наших дней, а выдающиеся ученые, такие как Джулиан Хаксли, Дэвид Аттенборо, Карл Саган и Сьюзен Гринфилд, продолжали передавать факел. На протяжении всей своей жизни, даже когда Фарадея десятилетиями боролся с деменцией и депрессией, преданность Фарадея постоянно раздвигала границы науки – и с тех пор мир никогда не был прежним.
4. Он выступал против лженауки, которая в то время свирепствовала в Англии.
Подобно викторианскому предку Билла Ная, ученого, Фарадей обнаружил тревогу, что, несмотря на значительный научный прогресс, общественность все больше увлекалась спиритизмом.Домашние сеансы стали обычным явлением; люди утверждали, что могут разговаривать с умершими родственниками; появились привидения; столы вращались, а предметы летели. Ясновидящие и медиумы представляли на сценах огромной толпе. Некоторые выдающиеся ученые даже приветствовали спиритизм как новую физику. Фарадей видел во всем этом отказ от своих усилий по созданию более научно грамотного общества.
Несмотря на то, что Фарадей, как известно, избегал общественного внимания, он считал своим долгом раскрыть уловки спиритуалистов посредством лекций и демонстраций.Одним из таких приемов было «переворачивание стола». Получив письмо за письмом, в котором объяснялось, что это связано с духами, электричеством, магнетизмом или любым другим числом сил, Фарадей намеревался продемонстрировать, что за этим явлением не стояли никакие сверхъестественные силы. Перед аудиторией, состоящей из «очень благородных» людей, Фарадей построил чувствительный рычаг индикатора на столе, чтобы показать, что поворот стола не был результатом сверхъестественных сил, а просто непреднамеренного механического давления человеческих рук – он повернулся, потому что люди ожидали он повернулся и бессознательно заставил его себя.
Хотите внести свой вклад в развитие технологий? Обучение программированию – это один из способов начать! Попробуйте наш бесплатный семинар по программированию или изучите Ruby и изучите JavaScript бесплатно сегодня. Тогда решите для себя: стоит ли того?
Если вы думаете о новой карьере, но не знаете, как профинансировать свой учебный курс, прочтите «Как оплатить учебный курс по программированию» или посетите страницу «Обучение и финансирование».
BBC – История – Майкл Фарадей
Майкл Фарадей © Фарадей был британским химиком и физиком, внесшим значительный вклад в изучение электромагнетизма и электрохимии.
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года на юге Лондона. Его семья была небогатой, и Фарадей получил только базовое формальное образование. Когда ему было 14 лет, он поступил в ученики к местному переплетчику и в течение следующих семи лет учился, читая книги по широкому кругу научных предметов. В 1812 году Фарадей посетил четыре лекции, прочитанные химиком Хэмфри Дэви в Королевском институте. Впоследствии Фарадей написал Дэви, прося устроиться его помощником.Дэви отказал ему, но в 1813 году назначил его помощником химика в Королевском институте.
Год спустя Фарадея пригласили сопровождать Дэви и его жену в 18-месячное европейское турне, в котором они побывали во Франции, Швейцарии, Италии и Бельгии и встретились со многими влиятельными учеными. Вернувшись в 1815 году, Фарадей продолжил работать в Королевском институте, помогая Дэви и другим ученым проводить эксперименты. В 1821 году он опубликовал свою работу по электромагнитному вращению (принцип, лежащий в основе электродвигателя).В 1820-х годах, будучи занятым другими проектами, он не смог провести никаких дальнейших исследований. В 1826 году он основал Пятничные вечерние лекции Королевского института и в том же году Рождественские лекции, которые продолжаются и по сей день. Он сам прочитал много лекций, заслужив репутацию выдающегося научного лектора своего времени.
В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию, принцип, лежащий в основе электрического трансформатора и генератора. Это открытие сыграло решающую роль в превращении электричества из диковинки в новую мощную технологию.В оставшееся десятилетие он работал над развитием своих идей об электричестве. Отчасти он был ответственен за создание многих знакомых слов, включая «электрод», «катод» и «ион». Научные знания Фарадея использовались для практического использования на различных официальных должностях, в том числе на постах научного советника Тринити-хауса (1836–1865) и профессора химии в Королевской военной академии в Вулидже (1830–1851).
Однако в начале 1840-х годов здоровье Фарадея начало ухудшаться, и он стал меньше заниматься исследованиями.Он умер 25 августа 1867 года в Хэмптон-Корте, где ему предоставили официальное жилье в знак признания его вклада в науку. Он дал свое имя «фараду», первоначально обозначавшему единицу электрического заряда, но позже единицу электрической емкости.
Эксперимент Фарадея | Научный проект
Навести ток в проводе с помощью магнита.
Что произойдет, если пропустить сильный магнит через петлю из медной проволоки?
- Стержневой магнит
- Изолированный медный провод
- Гальванометр (токомер чувствительный)
- Картонное бумажное полотенце или трубка от туалетной бумаги
- Плотно оберните медный провод вокруг картонной трубки, чтобы образовался соленоид.Оберните столько раз, сколько сможете, и не забудьте оставить несколько дюймов на каждом конце для подключения к гальванометру.
- Подсоедините каждый свободный конец провода к положительной и отрицательной клеммам гальванометра.
- Включить гальванометр.
- Вставьте магнит в картонную трубку и переместите его. Что происходит? Запишите свои наблюдения.
- Попробуйте переместить магнит быстрее или медленнее. Что происходит?
- Выключите гальванометр и отсоедините одну из клемм.
- Уменьшите количество оборотов соленоида. Подключите и включите гальванометр.
- Вставьте магнит внутрь картонной трубки и снова поверните его. Что происходит? Запишите свои наблюдения. Влияет ли количество катушек на количество генерируемого тока?
Чем быстрее движется магнит, тем больше тока генерируется в контуре. То же самое и с катушками: чем больше катушек в соленоиде, тем больше генерируется ток.
В эксперименте Фарадея магнит действует на расстоянии (внутри трубки) и воздействует на электроны, перемещая их. С медной проволокой это легко сделать, потому что электроны движутся с небольшим сопротивлением (что объясняет, почему медь является таким отличным проводником). Важно, чтобы провод образовывал замкнутый контур (замкнутый контур), иначе это не сработает! Магнитное поле действует на все части петли немного по-разному из-за направления магнитного поля. Поле подталкивает ток в том или ином направлении, в зависимости от того, к какому полюсу магнита приближается.Это можно выяснить с помощью правила правой руки.
Движение «большой палец вверх» совершается управляющей рукой. Большой палец представляет направление магнитного поля, а изгиб пальцев представляет направление тока в петле.
Двигатели и генераторы используют магнитное движение для создания тока и отправки электричества для выполнения полезной работы в силовые машины. Полярные сияния в небе вызваны электрически заряженными частицами магнитным полем Земли.Электромагнетизм и полезен, и красив!
Заявление об отказе от ответственности и меры предосторожностиEducation.com предлагает идеи проекта Science Fair для информационных целей. только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают из-за этого. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.
Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. За Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.
Закон Фарадея – обзор
Пример 12.7Прямоугольная петля, протянутая через поле B →
В предыдущем примере рассматривалась ситуация, когда изменение потока происходит из-за изменения поля во времени. Здесь мы рассматриваем ситуацию, когда поле постоянно во времени, но поток изменяется, потому что контур перемещается в область поля, так что площадь в поле изменяется.Таким образом, как показано на рисунке 12.13 (a), рассмотрим прямоугольную петлю (наша вторичная обмотка) с сопротивлением R , длиной a вдоль x и длиной l вдоль y . Он движется вдоль + x с постоянной скоростью v в области нулевого магнитного поля, пока не достигнет области однородного поля B , которая указывает на бумагу (-z∩). См. Рисунок 12.13 (а). Для конкретности возьмем B = 0,005 T, v = 2 м / с, l = 0.1 м и R = 0,1 Ом. (Если бы петлю просто бросили в поле, по закону Ленца петля замедлилась бы, поэтому необходима сила, чтобы петля двигалась с постоянной скоростью.) Найдите (а) магнитный поток, (б) ЭДС, (c) магнитная сила, действующая на петлю, и (d) мощность, необходимая для того, чтобы тянуть петлю с постоянной скоростью.
Рисунок 12.13. (а) Та же ситуация, что и на рисунке 12.11, но более подробно. (b) Отношение цепи-нормальности для части (a).
Решение: Чтобы найти магнитную силу, мы должны решить одновременно и для тока, и для скорости.(a) Возьмите d A → = n∩d A из бумаги (чтобы ds → вращался против часовой стрелки, чтобы согласоваться с анализом ЭДС движения, показанным ранее), как на рисунке 12.13 (b). Тогда
(12,5) ΦB = ∫B → ⋅n∩dA = ∫ B → ⋅z∩dA = −B∫dA = −BA = −Blx
, когда петля входит в область поля. (b) Пусть v = dx / dt . Из-за движения скорость изменения потока определяется как(12,6) dΦBdt = −Blv,
, где v = dx / dt . Это приводит к ЭДС(12.7) ε− = dΦBdt = Blv
, который движется вдоль ds → :: против часовой стрелки, что согласуется с качественным анализом примера 12.4. Аналогичный анализ проводится при выходе петли из поля. Пока в поле поток остается на постоянном значении Bla , поэтому наведенная ЭДС отсутствует.Для наших значений B, l и v , (12,7) дает ε = (0,005 T) (0,1 м) (2 м / с) = 1,0 × 10 −3 В. Принимая (12,7 ), чтобы быть единственной действующей ЭДС, это вызывает ток
(12.8) I = εR = BlvR.
Для R = 0,1 Ом, (12,8) дает I = 1,0 × 10 −3 В / 0,1 Ом = 0,01 А. (c) Соответствующая магнитная сила F → на правом плече получается из
(12,9) F → = I ∫ ds → × B →.
(Напомним, что I – индуцированный ток, а B → – приложенное поле.) Из (12.9), F → указывает влево, а из (12.9) и (12.7) он имеет величину
(12.10 ) F = IlB = v (Bl) 2R.
В нашем случае F = (.01 A) (. 1 м) (. 006 T ) = 6,0 × 10 −6 Н. (d) Чтобы заставить петлю двигаться с постоянной скоростью v , внешняя сила (например, от нашей руки) величины F необходимо наносить в обратном направлении. Используя (12.10), эта внешняя сила обеспечивает мощность
(12.11) P = Fv = (vBl) 2R = (IR) 2R = I2R.
Это точно соответствует скорости джоулева нагрева. В нашем случае P = (0,01 A) 2 (0,1 Ом) = 1,0 × 10 −5 Вт. Таким образом, вся мощность, обеспечиваемая рукой ( Fv ), идет на нагрев ( I 2 R ) проволоки.Эта генерация электрического тока за счет механической энергии означает, что контур представляет собой электрический генератор . Наконец, обратите внимание, что на верхнее и нижнее плечо также действуют равные и противоположные силы, которые стремятся сжимать петлю, что согласуется с анализом закона Ленца в примере 12.4. См. Рисунок 12.13 (а).
Как двое мужчин революционизировали физику: Форбс, Нэнси, Махон, Бэзил: 9781616149420: Amazon.com: Книги
ВведениеЭто 1888 год. Представьте себе большую, мало обставленную комнату.Здесь крепкие деревянные столы и верстаки – своего рода лаборатория, – но нет реторт, бунзеновских горелок или бутылок с ярко окрашенной жидкостью. Вместо этого в комнате есть любопытные металлические устройства со странными названиями: катушки Рюмкорфа, спирали Кнохенгауэра, мосты Уитстона. Их цель – исследовать пути загадочного невидимого явления – электричества.
В комнате один-единственный житель, молодой человек, красивый, аккуратно одетый, темноволосый, с коротко подстриженной бородой и усами.Он ловко собирает какой-то аппарат на одном из длинных деревянных столов. На одном конце он построил цепь, которая будет производить электрические искры через узкий воздушный зазор между двумя металлическими сферами, соединенными с концами проводов в цепи. Обычно воздух не проводит электричество, но, если две сферы расположены близко друг к другу и напряжение достаточно высокое, через зазор будет прыгать искра, хотя на самом деле это серия очень быстрых искр, которые прыгают взад и вперед, или колеблются между сферами.К каждой сфере он прикрепил металлический стержень, соединенный с прямоугольной металлической пластиной – он узнал, что это изменит частоту колебаний. Он нажимает кнопку, чтобы активировать цепь, и яркие синие искры затрещают в промежутке между сферами.
Пока все хорошо; его первичный контур работает, как и накануне, и накануне. Он обращает свое внимание на отдельную часть устройства, которую он называет своим детектором – простую петлю из проволоки с очень маленьким зазором между ее концами, которую он может регулировать винтом.Он держит детектор близко к искрящейся первичной цепи, и в его собственном промежутке появляются слабые искры. Это происходит, рассуждает он, когда волны энергии проходят от первичного контура к детектору.
Все это ему знакомо, но следующие шаги еще не опробованы и, как он надеется, будут решающими. Выключив на время первичный контур, он поддерживает большой цинковый лист в вертикальном положении в дальнем конце стола. Его цель – действовать как отражатель, как зеркало.Он кладет детектор на стол между первичной цепью и цинковым отражающим листом, закрывает жалюзи, ждет, пока его глаза не привыкнут к темноте, и затем включает первичный контур. Поворачиваясь спиной к искрам, мерцающим между сферами, он ищет крошечные искры между выводами своего детектора. Они кажутся слабыми, но безошибочными. Теперь о шаге, который в случае успеха приведет к желаемому результату. Он смотрит, меняется ли яркость искр, когда он медленно перемещает детектор от первичной цепи к отражающему цинковому листу.В самом деле, это так. Искры гаснут до нуля, затем снова становятся яркими, и цикл повторяется. Он знает, что когда любая волна отражается обратно к своему источнику, она образует стоячую волну, которая, кажется, колеблется на месте, как струна гитары. Следовательно, волны генерируются первичной цепью и отражаются цинковым листом. Это именно то, что он хотел найти. Генрих Герц, профессор экспериментальной физики Высшей технической школы в Карлсруэ, сделал одно из величайших экспериментальных открытий в истории науки: он вне всяких сомнений доказал существование электромагнитных волн.
Как вскоре должны были показать Гульельмо Маркони и другие, коммерческая ценность открытия Герца была огромной. Но он не имел представления ни об этом, ни о каком-либо практическом применении. Что привлекло Герца и побудило его к поискам, так это соблазнительная, но странная научная идея – детище британского экспериментатора Майкла Фарадея в 1830-х годах, которое три десятилетия спустя было преобразовано в полноценную математическую теорию молодым шотландцем Джеймсом Клерком Максвеллом. Их идея настолько отличалась от всего, что было раньше, что многие ведущие деятели того времени отвергали ее как выдумку.Остальные были просто сбиты с толку; они не знали, что с этим делать. Но для Герца это была прекрасная идея, которая казалась правдой. Ему не хватало только физических доказательств, и его целью было предоставить экспериментальные доказательства, которые поставили бы этот вопрос вне всяких сомнений.
Со времен Ньютона ведущие ученые считали, что Вселенная управляется механическими законами: материальные объекты обладают энергией и взаимодействуют с силами. Для них окружающее пространство было не более чем пассивным фоном. Необычная идея, выдвинутая Фарадеем и Максвеллом, заключалась в том, что пространство само по себе действует как хранилище энергии и передатчик сил: оно является домом для чего-то, что пронизывает физический мир, но необъяснимо с точки зрения Ньютона – электромагнитного поля.
Первое представление Фарадея о силовых линиях, которое в то время сильно высмеивалось, превратилось в сложную математическую теорию Максвелла, которая предсказывала, что каждый раз, когда колеблется магнит или включается или выключается электрический ток, распространяется волна электромагнитной энергии. в космос, как рябь на пруду, меняя природу самого пространства. Максвелл вычислил скорость волн, исходя из элементарных свойств электричества и магнетизма, и оказалось, что это та самая скорость, с которой измерялся свет.Он предположил, что видимый свет – это всего лишь небольшая полоса в обширном спектре электромагнитных волн, движущихся с одинаковой скоростью, но с длинами волн, которые могут варьироваться от нанометров до километров. Все это оставалось лишь теорией, у которой больше скептиков, чем приверженцев, до тех пор, пока четверть века спустя Герц не подтвердил ее, произведя и обнаружив в своей лаборатории то, что мы теперь назвали бы коротковолновыми радиоволнами. Дверь в ранее невообразимые области научных знаний была открыта.
Практически невозможно переоценить масштабы достижений Фарадея и Максвелла по внедрению концепции электромагнитного поля в человеческую мысль. Он объединил электричество, магнетизм и свет в единую компактную теорию; изменили наш образ жизни, предоставив нам радио, телевидение, радары, спутниковую навигацию и мобильные телефоны; вдохновил специальную теорию относительности Эйнштейна; и представил идею уравнений поля, которая стала стандартной формой, используемой сегодняшними физиками для моделирования того, что происходит в бескрайних пространствах и внутри атомов.
Фарадей и Максвелл привлекли свою долю биографов, и это правильно. Помимо своего гения, оба были замечательными, щедрыми людьми, которые занимались своей наукой с заразительным энтузиазмом и источали то очарование, которое заставляло людей лучше относиться к себе и миру в целом. Но, возможно, даже более убедительным, чем их индивидуальные жизненные истории, является то, как двух мужчин из совершенно разных слоев общества – сына бедного кузнеца-самоучки и сына шотландского лэрда, получившего образование в Кембридже, – свело вместе их любопытство по поводу физический мир и их решимость выяснить, как он работает.Хотя они встретились только в конце жизни Фарадея, между ними возникла чрезвычайно прочная связь – их объединяла готовность бросить вызов укоренившимся научным обычаям и условностям. Теория электромагнитного поля – это их совместное творение, и у нее есть своя собственная история, переплетенная с их историей и со своим собственным набором разнообразных второстепенных персонажей. Вот, например, американский грабитель граф Рамфорд, который сыграл важную роль в основании Королевского института, давшего работу бедному молодому Фарадею; блестящий, но тщеславный Хэмфри Дэви, вдохновляющий наставник Фарадея; индивидуалист Оливер Хевисайд, который суммировал теорию Максвелла в четыре знаменитых «уравнения Максвелла»; и трудолюбивый Оливер Лодж, обнаруживший волны вдоль проводов, но обнаруживший, что Герц его полностью зачерпнул.
Добро пожаловать в историю электромагнитного поля.
Майкл Фарадей
Майкл Фарадей (1791-1867) был английским химиком и физиком, родившимся 22 сентября 1791 года в рабочем районе южного Лондона.
Фарадей был первым, кто создал электрический ток из магнитного поля, и он открыл и назвал «диамагнетизм», концепцию, которая описывает, почему некоторые вещества, такие как медь, реагируют противоположно магнитной силе, когда они сталкиваются с магнитным полем.Он открыл влияние магнетизма на свет и был изобретателем электрического генератора и электродвигателя. Ему также приписывают научную основу для большей части новаторских работ Джеймса Максвелла в области электромагнетизма.
Отец Фарадея был кузнецом, страдавший хроническими проблемами со здоровьем, которые часто затрудняли его труд. В результате у семьи Фарадея было мало денег, а Фарадей получил лишь минимальное формальное образование. Фактически, он и его братья и сестры иногда еле ели.Но у Фарадея было активное любопытство и решимость учиться. Подростком, работая в переплетной мастерской в Лондоне, он познакомился с широким спектром книг, включая учебники и энциклопедии, и прочитал все, что попадалось в руки. Благодаря обширному чтению Фарадей вскоре изучил множество научных дисциплин, и началась его жизнь как ученого.
В 1812 году Фарадей посетил четыре лекции в Королевском институте, которые читал известный химик по имени Хамфри Дэви.После этого Фарадей отправил Дэви письмо, в котором выразил живой интерес к предметам, затронутым в серии лекций, и предложил свои услуги в качестве ученика. Годом позже Дэви принял Фарадея своим лаборантом. Дэви также взял с собой Фарадея в длительное турне по Европе, где Фарадей встретился с некоторыми из самых влиятельных ученых того времени. Фарадей вернулся в Королевский институт в 1815 году после 18 месяцев путешествия, и там он помогал проводить эксперименты с Дэви и его коллегами.
Благодаря сотрудничеству с Дэви молодой Фарадей получил глубокое научное образование. Вскоре он начал проводить исследования и эксперименты с электричеством и сконструировал два механизма для генерации электромагнитного вращения, которое является силой, используемой для питания электродвигателей. В 1821 году он опубликовал академический доклад об электромагнитном вращении.
В том же году он женился на Саре Барнард, и они остепенились, пока он продолжал свою работу в Учреждении. Хотя в основном он тратил время на помощь Дэви, Фарадей начал проявлять себя как химик и ученый большой важности.Он начал часто читать лекции в Королевском институте, и вскоре его репутация одаренного лектора прочно и широко утвердилась. Он опубликовал больше исследовательских работ, в том числе очерки об оптической иллюзии, природе газовой конденсации и методах выделения химического бензола – химического вещества, которое он сам открыл. Ему также приписывают открытие других органических соединений, и он был первым ученым, который сжижил газ, который ранее считался существующим только в постоянном газообразном состоянии.
Когда его наставник Дэви вышел на пенсию в 1827 году, Фарадей занял его место в качестве главы химического факультета Королевского института. Приняв эту должность, он смог сосредоточиться на собственных исследованиях, и самая влиятельная и знаменитая работа Фарадея началась в 1830-х годах, когда он сосредоточился на экспериментах с электричеством.
В 1831 году он открыл электромагнитную индукцию – прорыв, открывший совершенно новую эру технологий. С открытием Фарадея стало возможным создавать такие вещи, как электрические генераторы и двигатели, и из-за практического характера его открытий он быстро получил правительственные гранты и должности, которые позволили ему продолжить свою работу с электричеством.
Следующие восемь лет Фарадей много работал в лаборатории, и напряжение его усилий в конечном итоге серьезно подорвало его здоровье. К концу десятилетия он был настолько слабым здоровьем, что ему пришлось сделать перерыв, и его исследования не возобновлялись всерьез до 1845 года. В 1846 году он прочитал лекцию, в которой изложил важные идеи о природе электричества, и эти позже вдохновил историческую работу Джеймса Максвелла, связанную с теорией электромагнитного поля.
В середине 1850-х годов Фарадей начал страдать слабоумием или дряхлостью, и, поскольку он постепенно терял способность заботиться о себе, он был вынужден уйти от своих научных занятий.Королева Виктория предложила ему рыцарство Фарадея, но он отказался от этого. Однако он принял предложение королевы о бесплатном проживании в Хэмптон-Корт, где и прожил остаток своих лет.
Майкл Фарадей умер в Хэмптон-Корт 25 августа 1867 года и похоронен на Хайгейтском кладбище в Лондоне.
Традиция рождественских лекций, которую Фарадей установил в Королевском институте, на тему огня и свечей, продолжает развлекать публику даже сегодня.Единица измерения емкости или «фарад» названа в его честь, а портрет Фарадея появился на британских банкнотах номиналом 20 фунтов стерлингов.
9 фактов о физике Майкле Фарадее, «отце электричества»
Ученый-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) преуспел в химии и физике и стал одним из самых влиятельных мыслителей в истории. Его называют «отцом электричества» (Никола Тесла и Томас Эдисон также носят эту корону), и его аппетит к экспериментам не знает границ.«Нет ничего слишком чудесного, чтобы быть правдой, если это согласуется с законами природы; и в таких вещах, как эти, эксперимент – лучшая проверка такой последовательности», – писал он. Фарадей открыл законы электромагнетизма, изобрел первый электродвигатель и построил первый электрический генератор, проложив путь для нашей механизированной эпохи. Читайте дальше, чтобы узнать больше фактов о Фарадеях.
1. ОН НИКОГДА НЕ ИМЕЛ ФОРМАЛЬНОГО НАУЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ.
Фарадей родился на юге Лондона в семье рабочего. Он получил элементарное образование в области чтения, письма и математики.Когда ему исполнилось 14, он был отдан в ученики лондонскому переплетчику на следующие семь лет. В свободное время Фарадей читал « Беседы по химии » Джейн Марсет, бестселлер 1806 года, в котором разъяснялись научные темы для широкой аудитории.
2. ОН БЫЛ САМОУСТАНОВЛЕННЫМ.
Как и Марсет, Фарадей был очарован работами сэра Хамфри Дэви, харизматичного химика, который прославился, испытав на себе действие закиси азота. (Он позволил другим, в том числе поэту Сэмюэлю Тейлору Кольриджу, вдыхать газ при условии, что они будут вести дневники своих мыслей и ощущений во время кайфа.Весной 1812 года покупатель переплетной мастерской подарил Фарадею билеты на предстоящие лекции Дэви. Фарадей собрал свои записи из лекций в переплетенный том (единственное преимущество его тяжелого труда в переплетчике) и отправил книгу Дэви с просьбой стать его помощником – неслыханная идея для торговца без высшего образования. Почувствовав его интеллект и драйв, Дэви обеспечил ему работу в Королевском институте, где Дэви руководил химической лабораторией.
3. ОН ИЗОБРЕЛ ДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТАМИ И РТУТЬЮ.
К 1820 году другие ученые показали, что электрический ток создает магнитное поле, а два наэлектризованных провода действуют друг на друга. Фарадей думал, что есть способ использовать эти силы в механическом устройстве. В 1822 году он построил устройство с использованием магнита, жидкой ртути (которая проводит электричество) и токоведущего провода, который преобразовал электрическую энергию в механическую – другими словами, первый электродвигатель. Фарадей отметил успех в своем журнале [PDF]: «Очень удовлетворительно, но сделайте более разумный аппарат.«
4. ОН ТАКЖЕ СОЗДАЛ ПЕРВЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР.
Спустя десять лет после своего открытия в области двигателя, Фарадей обнаружил, что движение провода через постоянное магнитное поле может вызвать электрический ток в проводе – принцип электромагнитной индукции. Чтобы продемонстрировать это, Фарадей построил машину, в которой медный диск вращался между двумя полюсами подковообразного магнита, производя собственную энергию. Машина, позже названная диском Фарадея, стала первым электрическим генератором.
5. ОН ПОКАЗАЛ ПРИСОЕДИНЕНИЕ МАГНИТНОЙ СИЛЫ.
В ходе блестяще простого эксперимента (воссозданного сегодня бесчисленным количеством школьников) Фарадей положил стержневой магнит на стол и накрыл его листом плотной бумаги. Затем он рассыпал намагниченную железную стружку по бумаге, которая сразу же образовала полукруглые дуги, исходящие от концов – северного и южного полюсов – магнита. В дополнение к обнаружению того, что магниты все еще действуют через препятствия, он визуализировал структуру магнитной силы в космосе.
6. ВЫ МОЖЕТЕ ПОСЕТИТЬ ЕГО МАГНИТНУЮ ЛАБОРАТОРИЮ В ЛОНДОНЕ.
Фарадей занимал ряд научных должностей в Королевском институте, организации, занимающейся продвижением прикладной науки. В конце концов, Фарадей был назначен фуллеровским профессором химии, что позволило ему проводить исследования и экспериментировать, сколько душе угодно. Его магнитная лаборатория 1850-х годов теперь точно воспроизведена в Музее Фарадея Королевского института. На нем представлены многие из его устройств, изменяющих мир, в том числе оригинальный диск Фарадея, один из его первых электростатических генераторов, его химические образцы и гигантский магнит.
7. ОН ПОПУЛЯРИЛ НОВУЮ НАУЧНУЮ ТЕРМИНОЛОГИЮ.
Работа Фарадея была настолько новаторской, что не существовало описания многих его открытий. Вместе со своим коллегой-ученым Уильямом Уэвеллом Фарадей придумал ряд футуристически звучащих названий для идентифицированных им сил и концепций, таких как электрод, анод, катод и ион. (Сам Уэуэлл придумал слово «ученый» в 1834 году после того, как термин «натурфилософ» стал слишком расплывчатым, чтобы описывать людей, работающих во все более специализированных областях.)
8. ПРИНЦ АЛЬБЕРТ ПОДАРИЛ ЕМУ СЛАДКОЕ НЕДВИЖИМОСТЬ.
В 1848 году принц-консорт, также известный как муж королевы Виктории принц Альберт, бесплатно подарил Фарадею и его семье комфортабельный дом в Хэмптон-Корт – не в королевском дворце, а рядом с ним – в знак признательности за его вклад в науку. Дом на Хэмптон-Корт-роуд, 37 был переименован в Дом Фарадея, пока он не умер там 25 августа 1867 года. Теперь он известен просто по адресу.
9. ОН БЫЛ УКАЗАНО НА ДОКУМЕНТЕ СОЕДИНЕННОГО КОРОЛЕВСТВА НА 20 ФУНТОВ.
Чтобы отметить роль Фарадея в развитии британской науки, Банк Англии 5 июня 1991 года представил банкноту в 20 фунтов с его портретом. Он присоединился к прославленной группе британцев с их собственными записями, включая Уильяма Шекспира, Флоренс Найтингейл и Исаак Ньютон. К моменту отзыва в феврале 2001 года банк подсчитал, что в обращении находилось около 120 миллионов банкнот Фарадея (это более 2 миллиардов фунтов стерлингов).
.