Содержание

в каком году, что позволило создать

Закон электромагнитной индукции объясняет, как механическая энергия генератора преобразуется в электричество. Данное явление представляет собой совокупность процессов, управляя которыми можно получать электроэнергию для работы оборудования и приборов, реализации разнообразных инженерных проектов.

Электромагнитная индукция — описание

Электромагнитной индукцией называется процесс, при котором ток возникает в проводящем контуре замкнутой конфигурации во время изменений магнитного потока, пронизывающего его.

Электромагнитная индукция наблюдается в двух случаях:

  1. Во время изменений параметров магнитного поля, воздействующего на проводник.
  2. В процессе перемещения материальной среды в магнитном поле.

Подобные действия приводят к возникновению электрического поля и электрической поляризации. По-другому, в проводнике, помещенном в магнитное поле, при воздействии внешней силы будет наблюдаться электродвижущая сила, обозначаемая ЭДС.

Важно отличать понятия электромагнитной индукции и магнитной индукции. В первом случае подразумевается некое явление, а во втором — векторная физическая величина с численным значением и определенным направлением.

Кто открыл явление

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа в 1831 году. Ученый обнаружил электродвижущую силу, которая возникает в замкнутом проводниковом контуре. Данная сила отличается пропорциональностью к скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную этим контуром.

Еще в 1820 году Ганс Христиан Эрстед продемонстрировал опыт, в котором магнитная стрелка отклонялась от цепи с электрическим током. Отсюда последовал вывод, что в случае порождения магнетизма электрическим током само появление электричества должно быть связано с магнетизмом. Данная теория была поддержана Майклом Фарадеем, который на протяжении многих лет ставил разнообразные опыты и пришел к открытию электромагнитной индукции.

Как было сделано открытие ЭМ индукции

В опыте Фарадея использовалась одна непроводящая основа, на которую были намотаны две катушки. Витки первой катушки были зафиксированы между витками второй. Первая катушка замыкалась на гальванометре, а вторая — подключалась к источнику тока.

Источник: i.pinimg.com

Основные этапы опыта:

  • когда ключ замыкался, и ток поступал на вторую катушку, на первой катушке можно было наблюдать импульс тока;
  • если ключ размыкался, то импульс тока сохранялся, однако менялось его направление течения по гальванометру на противоположное.

При подключении первой катушки к источнику электричества вторая катушка, соединенная с гальванометром, перемещалась относительно нее. Во время приближения или удаления катушки можно было фиксировать ток.

Опытным путем получилось выяснить зависимость индукционного тока от изменения линий магнитной индукции. Направление тока будет отличаться во время увеличения или уменьшения количества линий. Сила индукционного тока определяется скоростью изменения магнитного потока. Изменения происходят либо в самом поле, либо при перемещении контура в неоднородном магнитном поле.

Значение открытия в будущем использовании электричества

Благодаря открытию электромагнитной индукции функционируют многие двигатели и генераторы тока. Они обладают достаточно простым принципом действия, основанным на законе электромагнитной индукции. Магнитное поле изменяется в результате перемещения магнита.

При воздействии на магнит, расположенный в замкнутом контуре, в этой цепи появляется электричество. Таким образом работает генераторная установка. В обратной ситуации при пропускании электрического тока от источника по контуру магнит, который находится внутри цепи, придет в движение, на которое влияет магнитное поле, созданное электричеством. По такому принципу собирают электродвигатели.

С помощью генераторов тока механическая энергия преобразуется в электрическую. Существуют разные виды электростанций, которые в качестве механической энергии используют энергетические ресурсы:

  • уголь;
  • дизельное топливо;
  • ветер;
  • воду и другие источники.

Полученное электричество поступает по кабельным сетям к жилым комплексам и предприятиям. Достигнув потребителей, электрическая энергия преобразуется обратно в механическую в электродвигателях.

Источник: dr-sauber.ru

Что открытие ЭМ индукции позволило создать

На основе электромагнитной индукции создано огромное число машин и приборов. Наиболее яркими изобретениями считаются:

  • радиовещание;
  • магнитотерапия;
  • синхрофазотроны;
  • расходомеры, счетчики;
  • генераторы постоянного тока;
  • трансформаторы.

Благодаря великому научному открытию электромагнитной индукции человечеству удалось совершить огромный рывок в области развития электротехники. Закономерности, описанные данным явлением, позволяют создавать алгоритмы для получения электрической энергии. Практические опыты по теме электромагнитной индукции с электромагнитами часто ставят студенты специализированных вузов.

Если в процессе научных познаний и исследований возникают проблемы, всегда можно обратиться за помощью к сервису Феникс.Хелп.

Майкл Фарадей. – Закон электромагнитной индукции

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 в Лондоне. Скончался ученый 25 августа 1867, там же. Он является основоположником современной концепции поля в электродинамике, автором ряда фундаментальных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, один из первых исследователей воздействия магнитного поля на среды.

Детство и юность

Майкл Фарадей родился в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина, дожила до времени, когда ее сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им.

Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, и тринадцати лет он поступил учеником к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской, где ему предстояло пробыть 10 лет. Все это время Фарадей упорно занимался самообразованием — прочитал всю доступную ему литературу по физике и химии, повторял в устроенной им домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения; он также старался овладеть приемами ораторского искусства.

Начало работы в Королевском институте

Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, заметив интерес Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Гемфри Дэвив Королевском институте. Фарадей тщательно записал и переплел четыре лекции и вместе с письмом послал их лектору. Этот «смелый и наивный шаг», по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. В 1813 Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место ассистента в Королевский институт, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые в свою очередь обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации

После возвращения в 1815 в Королевский институт Майкл Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой все большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа.

В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился на Саре Бернард, дочери лондонского ювелира, которую знал еще девочкой. Вместе супруги прожили 46 лет.

В период до 1821 Майкл Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Гансом Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество».

Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

Избрание в Королевское общество. Профессура

В 1824 Майкл Фарадей был избран членом Королевского общества, несмотря на активное противодействие Дэви, отношения с которым стали у Фарадея к тому времени довольно сложными, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея». Последний также воздавал должное Дэви, называя его «великим человеком».

В 1825 г. Фарадей был назначен директором лаборатории института, а спустя два года получил здесь же профессорскую кафедру. На новом месте Майкл больше занимался физикой. Действуя чисто эмпирически, 17 октября 1831 г. он обнаружил явление электромагнитной индукции: возникновение в цепи электрического тока при изменении внешнего магнитного поля. Успех принес опыт, кажущийся сейчас тривиальным: вокруг металлического кольца обвивалось два отдельных витка провода.

По одному из них, соединенному с батареей, пропускался электрический ток. Целью ученого было выяснить, не возникнет ли ток в «мертвом» проводе под воздействием «живого». С прикладной точки зрения, была получена модель первой динамо-машины, которая через столетие полностью изменит облик Земли. Но эта сторона вопроса абсолютно его не интересовала. В течение последующих 25 лет он целенаправленно изучал только две вещи: способ, каким электрические и магнитные силы передаются в пространстве, и связь между этими силами и материей.

Закон электромагнитной индукции. Электролиз

В 1830, несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей решительно отказывается от всех побочных занятий, выполнения любых научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком посвятить себя научным изысканиям. Вскоре он добивается блестящего успеха: 29 августа 1831 открывает явление электромагнитной индукции — явление порождения электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженнейшей работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному — исследованию законов Природы.

Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею известность. Но Майкл по-прежнему был очень стеснен в средствах, так что его друзья были вынуждены хлопотать о предоставлении ему пожизненной правительственной пенсии. Эти хлопоты увенчались успехом лишь в 1835. Когда же у Фарадея возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к подачке ученому, он направил министру письмо, в котором с достоинством отказался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.

В 1833-34 Майкл Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти законы (Фарадея законы) впоследствии сыграли важную роль в становлении представлений о дискретных носителях электрического заряда. До конца 1830-х гг. Фарадей выполнил обширные исследования электрических явлений в диэлектриках.

Болезнь Фарадея. Последние экспериментальные работы

Постоянное огромное умственное напряжение подорвало здоровье Фарадея и вынудило его в 1840 прервать на пять лет научную работу. Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1848 открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (Фарадея эффект). По-видимому, сам Фарадей (взволнованно написавший, что он «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию») придавал этому открытию большое значение. И действительно, оно явилось первым указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Убежденность в глубокой взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений стала основой всего научного миропонимания Фарадея.

Другие экспериментальные работы Фарадея этого времени посвящены исследованиям магнитных свойств различных сред. В частности, в 1845 им были открыты явления диамагнетизма и парамагнетизма.

В 1855 болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он значительно ослабел, стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в лабораторный журнал все, вплоть до того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей; последнее, от чего он отказался, были лекции для детей.

Значение научных трудов

Даже далеко не полный перечень того, что внес в науку Фарадей, дает представление об исключительном значении его трудов. В этом перечне, однако, отсутствует то главное, что составляет громадную научную заслугу Фарадея: он первым создал полевую концепцию в учении об электричестве и магнетизме. Если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство, то Майкл Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле.

Об этом прекрасно написал Джеймс Клерк Максвелл, ставший его последователем, развивший далее его учение и облекший представления об электромагнитном поле в четкую математическую форму: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде».

Точка зрения на электродинамику с позиций концепции поля, основоположником которой был Фарадей, стала неотъемлемой частью современной науки. Труды Фарадея ознаменовали наступление новой эры в физике.

Информация взята с http://www.megabook.ru/Article.asp?AID=681485

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. История электротехники

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Большой вклад в современную электротехнику сделал английский ученый Майкл Фарадей, труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [1. 1; 1.6; 2.6].

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповторимая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.

Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г. за исследования в области химии и электромагнетизма М.Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начиная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести, и по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству», М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили М. Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король экспериментаторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.

Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также составляли эпоху (достаточно вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Рис. 2.11. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея)

1, 2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит; 4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее гальванических элементов; 7 — медный стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник 

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г. , стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника стоком? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. М. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.11. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Именно с этого момента, судя по всему, у М. Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение сформулированной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Рис. 2.12. Иллюстрация опыта Араго («магнетизма вращения»)

1 — проводящий немагнитный диск; 2 — стеклянное основание для крепления оси диска 

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим исследование М. Фарадеем явления, получившего тогда название «магнетизма вращения». За много лет до работ М. Фарадея мореплаватели замечали тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 г. Д.Ф. Араго (см. § 2.5) описал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущность явления состояла в следующем (рис. 2.12). Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый или медный диск, который также мог вращаться на оси, направление вращения которой совпадало с направлением вращения оси магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции помогло М. Фарадею объяснить явление Д.Ф. Араго и уже в самом начале исследования записать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества».

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797–1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания ученого, будущего президента американской Национальной академии наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея. Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц) (1821–1894 гг.).

Обратимся к главным опытам М. Фарадея. Первая серия опытов [2.6] закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-электрической» (по терминологии М. Фарадея) индукции (рис. 2.13, а — г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной 1 или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей (рис. 2.13, в), М. Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуцированного тока: внутрь спирали б, включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 7 (рис. 2.13, б), которая намагничивалась индуцированным током. Результат говорил о том, что индуцированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3.

Рис. 2.13. Схемы основных опытов, приведших к открытию электромагнитной индукции 

Заменив деревянный или картонный барабан 4, на который наматывались первичная и вторичная обмотки, стальным кольцом (рис. 2.13, г), М. Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь М. Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 2.13, д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция». В заключительных экспериментах (рис. 2.13, е, ж) демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в электрическую.

На основе новых представлений М. Фарадей и дал объяснение физической стороны опыта с диском Д.Ф. Араго. Кратко ход его рассуждений можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно представить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — радиальных проводников. При относительном движении магнита и диска эти спицы-проводники «перерезают магнитные кривые» (терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуцированный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже известно. В истолковании М. Фарадея обращает на себя внимание терминология и способ объяснения явления. Для определения направления индуктированного тока он вводит правило ножа, перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э.Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находящегося, в свою очередь, под влиянием идей М.В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем при исследовании диэлектриков и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а мы до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д.Ф. Араго М. Фарадей действительно сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, М. Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки.

Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Читая М. Фарадея, трудно отделаться от впечатления, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и вздрагивание мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах (открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда, остроумные опыты Фарадея не дали положительного результата, но это не поколебало его уверенности в наличии связи между этими явлениями.

Биографы М. Фарадея любят подчеркивать тот факт, что М. Фарадей избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни одной математической формулы. В связи с этим уместно привести высказывание соотечественника М. Фарадея великого физика Джеймса Кларка Максвелла (1831–1879 гг.): «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков».

«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать его законами электролиза или, например, формулировкой закона электромагнитной индукции: количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий. Достаточно представить себе последнюю формулировку в виде математических символов, и мы немедленно получаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое d?/dt, где ? — магнитное потокосцепление.

Д.К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи М. Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля [2.8] по достоинству оценили ученые конца XIX и начала XX в., когда на почве идей Фарадея — Максвелла начала развиваться радиотехника.

Для характеристики прозорливости М. Фарадея, его умения проникать в глубь сложнейших физических явлений важно напомнить здесь, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное 12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более 100 лет, а в нем были такие строки:

«Некоторые результаты исследований… привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным.

Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку, и является наиболее вероятным объяснением световых явлений.

По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято исполнением служебных обязанностей, что может вызвать продление опытов … я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие за собой определенной датой…» [1.1].

Поскольку эти идеи М. Фарадея оставались неизвестными, нет никаких оснований отказывать великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал строгую физико-математическую форму и фундаментальное значение.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

НАЧАЛА ФИЗИКИ


Майкл Фарадей (1791–1867) – великий английский физик. Автор ряда фундаментальных и прикладных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза (законы Фарадея), явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). В 1821 г. впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав первую лабораторную модель электродвигателя. 29 августа 1831 г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического поля при изменении магнитного поля. В последующем Фарадей всесторонне исследовал это явление, которое без преувеличения можно назвать краеугольным камнем современной электродинамики и ее практического приложения – электротехники. В 1835 г. открыл так называемые экстратоки, которые возникают при замыкании и размыкании электрической цепи, и установил их направление.

Однако главной заслугой Фарадея является разработка концепции электромагнитного поля (сам этот термин впервые употребил Фарадей). Если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство, то Фарадей последовательно развивал идею о том, что существует материальный переносчик этого взаимодействия – электромагнитное поле. Концепция поля является фундаментом современной физики. При этом Фарадей категорически не любил формулы – физику он понимал «на пальцах», видя за проводимыми им экспериментами взаимосвязи причин и явлений. Именно этот взгляд и позволил ему сформулировать концепцию электромагнитного поля (да и сам термин – поле – впервые употребил Фарадей).

Фарадей прославился не только многочисленными открытиями. Он был блестящим популяризатором науки. С 1826 г. и почти до самой кончины он читал научно-популярные публичные лекции. Одна из них – «История свечи с точки зрения химии» – стала самой известной научно-популярной лекцией в истории науки. Позже она была издана отдельной книгой и переведена на многие языки (в том числе и русский).

ЭДС (29.2) называют ЭДС индукции. С законом электромагнитной индукции можно связать определенное правило знаков, т.е. и поток и ЭДС считать алгебраическими величинами (тогда в формуле (29.2) должен быть знак «минус»). В этом случае закон (29.2) автоматически даст направление ЭДС (направление индукционного тока). Можно, однако, считать все величины в законе (29.2) положительными, а направление индукционного тока определять независимо из правила Ленца.

446/597

Закон электромагнитной индукции. Кто открыл явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Майлом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превратить магнетизм в электричество. Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.

Открытие электромагнитной индукции

Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Наверное, должна существовать возможность с помощью магнита получить электрический ток.

Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных относительно друг друга проводниках. При возникновении в одной из них тока в другой катушке тоже индуцировался ток. Причем в дальнейшем он пропадал, и появлялся снова лишь при выключении питания одной катушки.

Через некоторое время Фарадей на опытах доказал, что при перемещении катушки без тока в цепи относительно другой, на концы которой подается напряжение, в первой катушке тоже будет возникать электрический ток.

Следующим опытом было введение в катушку магнита, и при этом тоже в ней появлялся ток. Данные опыты показаны на следующих рисунках.

Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.

Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.

Формулировка закона

Подведем краткий итог. Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения тока в замкнутом контуре, при изменении магнитного поля в котором находится этот контур.

Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая бы характеризовала магнитное поле – поток вектора магнитной индукции.

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции обозначается буквой B. Он будет характеризовать магнитное поле в любой точке пространства. Теперь рассмотрим замкнутый контур, ограничивающий поверхность площадью S. Поместим его в однородное магнитное поле. 2, которая расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции.

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать – дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами.

Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока.

Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики – он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.

Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела.

На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой – с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.

Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), – индукция, и новый вид этой энергии – индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились.

Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?

Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.

Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая – вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи – на этот раз: уже под влиянием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит – приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.

В то время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824 году Араго и не находившее объяснения, несмотря на; то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель.

Дело состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним.

В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного.

Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом.

И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток.

Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал основы в 1831 году магнитным кривым название «линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление.

Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы.

Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точки зрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока.

Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток.

Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения.

Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток.

И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя».

Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение, – отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. – Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции даланглийский физик Джемс Клерк Максвелл – творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл.

При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь – возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток – это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле.

Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым».

Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения. А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века – на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…

Источник информации: Самин Д. К. «Сто великих научных открытий»., М.:«Вече», 2002 г.

Ответ:

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 – 1867).

Фарадей, будучи еще моло дым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил злектричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если “электричество создает магнетизм” , то и наоборот, “магнетизм должен создавать электричество”. И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: “Обратить магнетизм в электричество”. В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее – открыл явление электромагнитной индукции.

во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.

наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных явлениях.

Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им по могло открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 – 1865) правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: “Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении”.

Это правило очень удобно для определения направления ицдукционного тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько иначе, с упогребпением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в атом правиле устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов. Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому установление этой связи на первых порах дало возможность определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Самоиндукция – возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока – убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Созданию первого реле предшествовало изобретение в 1824 г. англичанином Стардженом электромагнита – устройства, преобразующего входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось (обнаруживалось) своим воздействием на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного перемещения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических устройств электросвязи (телеграфии и телефонии), электротехники, электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж. Генри в 1831 г.

До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле – движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическим и магнитным полями, которые меняются со временем.

Самый важный факт, который удалось обнаружить, – это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно является на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий был сделан основоположником представлений об электромагнитном поле – Фарадеем. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы и др. – дают ничтожную долю вырабатываемой энергии.)

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон пытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением

убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Оно было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем:

«На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая – с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи» (Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству», 1-я серия).

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг

относительно друга. Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит – это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита. В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции.

В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею элементов и достаточно чувствительный гальванометр.

В установке, изображенной на рисунке 238, индукционный ток возникает в одной из катушек при замыкании или размыкании электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой. В установке на рисунке 239 с помощью реостата меняется сила тока в одной из катушек. На рисунке 240, а индукционный ток появляется при движении катушек друг относительно друга, а на рисунке 240, б – при движении постоянного магнита относительно катушки.

Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь неподвижного проводящего контура вследствие изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 241).

Вектор магнитной индукции \(~\vec B\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, зависящую от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эту величину называют потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком .

Выделим в магнитном поле настолько малый элемент поверхности площадью ΔS , чтобы магнитную индукцию во всех его точках можно было считать одинаковой. Пусть \(~\vec n\) – нормаль к элементу, образующая угол α с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).

Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \(~\vec B\) на площадь ΔS и косинус угла α между векторами \(~\vec B\) и \(~\vec n\) (нормалью к поверхности):

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

Произведение B ∙cos α = В n представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. Поэтому

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

Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от значения угла α .

Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S равен:

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

Поток магнитной индукции наглядно может быть истолкован как величина, пропорциональная числу линий вектора \(~\vec B\) , пронизывающих данную площадку поверхности.

Вообще говоря, поверхность может быть замкнутой. В этом случае число линий индукции, входящих внутрь поверхности, равно числу линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то положительной нормалью к поверхности принято считать внешнюю нормаль.

Линии магнитной индукции замкнуты, что означает равенство нулю потока магнитной индукции через замкнутую поверхность. (Выходящие из поверхности линии дают положительный поток, а входящие – отрицательный.) Это фундаментальное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то и электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.

Электромагнитная индукция

Открытие электромагнитной индукции

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время взаимосвязь этих явлений обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного: только меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или же сама катушка должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал Фарадей это явление, было сделано 29 августа 1831 г. Вот краткое описание первого опыта, данное самим Фарадеем. «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута (фут равен 304,8 мм), и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая – с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометр, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, не смотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга (рис. 3).

Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит – это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита (рис. 4).

В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью вскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 5).

Правило Ленца

Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает ин-дукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело – неплохой проводник.

Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 6, а), а во втором случае – уменьшается (рис. 6, б). Причем в первом случае линии индукции В ’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 6 изображены штрихом.

Рис. 6

Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции \(~\vec B”\) этого поля направлен против вектора индукции \(~\vec B\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \(~\vec B”\) , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865).

Согласно правилу Ленца

возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое на-правление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток.

индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине его вызывающей.

В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях.

Закон электромагнитной индукции

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \(~\vec B\) , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.

Магнитный поток наглядно истолковывается как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S . Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время Δt магнитный поток меняется на ΔФ , то скорость изменения магнитного потока равна \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

Поэтому утверждение, которое вытекает непосредственно из опыта, можно сформулировать так:

сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

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

Известно, что в цепи возникает электрический ток в том случае, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим ее буквой E i .

Закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы тока. При такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящую от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.

Согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ)

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

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

Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рисунке 7 изображен замкнутый контур. Будем считать положительным направление обхода контура против часовой стрелки. Нормаль к контуру \(~\vec n\) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т. е. удельной работы, зависит от направления сторонних сил по отношению к направлению обхода контура. Если эти направления совпадают, то E i > 0 и соответственно I i > 0. В противном случае ЭДС и сила тока отрицательны.

Пусть магнитная индукция \(~\vec B\) внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда Ф > 0 и \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) > 0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток Ф ’ B ’ магнитного поля индукционного тока изображены на рисунке 7 штрихом. Следовательно, индукционный ток I i направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:

\(~E_i = – \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используют для установления единицы магнитного потока. Эту единицу называют вебером (Вб).

Так как ЭДС индукции E i выражают в вольтах, а время в секундах, то из закона ЭМИ вебер можно определить следующим образом:

магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 1 В:

1 Вб = 1 В ∙ 1 с.

Вихревое поле

Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле . К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем – это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле . Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \(~\vec F = q \vec E\) , где \(~\vec E\) – напряженность вихревого поля. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r 0 (рис. 8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \(~\vec B\) , и представляют собой окружности. В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции \(~\left (\frac{\Delta B}{\Delta t} > 0 \right)\) линии напряженности \(~\vec E\) образуют левый винт с направлением магнитной индукции \(~\vec B\) .

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет. Закон электромагнитной индукции – это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны. Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т.д.

Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, – бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Литература

  1. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 10-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн.: Нар. асвета, 2001. – 319 с.
  2. Мякишев, Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл. : учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – 476 с.

Рекомендуем также

Явление э/м индукции.

Магн. поток. Закон э/м индукции
  • Явление электромагнитной индукции

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

  • Магнитный  поток
Замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле

Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком. Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла  между вектором В и нормалью к поверхности:  Φ = BS cos α.   Единица магнитного потока Ф — вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

  • Закон электромагнитной индукции

Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:   Эта формула носит название закона Фарадея.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

  • Правило Ленца

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим  магнитным  полем противодействует тому изменению  магнитного потока, которым он вызван.  Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что    всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея).

Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Кто открыл явление электромагнитной индукции?

Прежде, чем ответить на вопрос о том, кто открыл явление электромагнитной индукции, рассмотрим какая ситуация сложилась в то время в научном мире в соответствующей области знаний. Открытие в 1820 г. Х.К. Эрстедом магнитного поля вокруг проволоки с током вызвало широкий резонанс в научных кругах. Было проведено много экспериментов в области электричества. Идею электромагнитного вращения около проводника с током предложил Волластон. М. Фарадей к этой идее пришел сам и создал первую модель электродвигателя  в 1821 г. Ученый обеспечил действие тока на один полюс магнита, при помощи ртутного контакта реализовал непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Именно тогда М. Фарадей в своем дневнике сформулировал следующую задачу: превратить магнетизм в электричество. На решение данной задачи ушло почти десять лет. Только в ноябре 1831 М. Фарадей начал системно публиковать результаты своих исследований на эту тему. Классическими опытами Фарадея по обнаружению явления электромагнитной индукции стали:
Первый опыт:
Берется гальванометр, который замкнут на соленоид. В соленоид вдвигают или выдвигают постоянный магнит. При движении магнита наблюдают отклонение стрелки гальванометра, который показывает появление тока индукции. При этом, чем выше скорость движения магнита относительно катушки, тем больше отклонение стрелки. Если полюса магнита поменять, то изменится направление отклонения стрелки гальванометра. Надо сказать, что в разновидности данного опыта магнит можно сделать неподвижным и передвигать соленоид относительно магнита.
Второй опыт:
Имеются две катушки. Одна вставлена в другую. Концы одной катушки присоединяются к гальванометру. Через другую катушку пропускают электрический ток. Стрелка гальванометра отклоняется в моменты включения (выключения) тока, его изменения (увеличения или уменьшения) или при движении катушек по отношению друг к другу. При этом направление отклонения стрелки гальванометра противоположны при включении и выключении тока (уменьшении — увеличении).
Проведя обобщение своих экспериментов, М. Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется всегда, когда поток магнитной индукции, сцепленный с контуром, изменяется. Кроме того, было получено, что величина тока индукции не зависит от способа, каким происходит изменение магнитного потока, а определена скоростью его изменения. В своих экспериментах М. Фарадей показывал, что угол отклонения стрелки гальванометра зависит от скорости движения магнита (или скорости изменения силы тока, или скорости движения катушек). И так, результаты экспериментов Фарадея в этой области можно свести к следующему:
Электродвижущая сила индукции появляется при изменении магнитного потока  (см. подробнее страничку «В чем заключается явление электромагнитной индукции»).
Установленную М. Фарадеем связь между электричеством и магнетизмом Максвелл записал в математическом виде. В настоящее время эту запись мы знаем как закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) (стр.«В чем заключается явление электромагнитной индукции» ).

Объяснение: Майкл Фарадей и электромагнитная индукция. трансформаторы, катушки индуктивности и генераторы.

Кем был Майкл Фарадей и как он открыл электромагнитную индукцию?

Майкл Фарадей считается одним из величайших ученых Англии XIX века, внесшим новаторский вклад как в химию, так и в электромагнетизм.

Родившийся в 1791 году в значительной бедности, Фарадей не получил формального образования. Он научился читать и писать в воскресной церкви. Фарадей начал работать в возрасте 14 лет у книготорговца в Лондоне и обнаружил свою склонность к науке, читая книги, которые его работодатель переплетал.

В 1812 году Фарадей поступил в ученики к легендарному химику сэру Хамфри Дэви, изобретателю лампы Дэви. В конце этой ассоциации Фарадей начал свою блестящую карьеру ученого.Первые годы были обеспечены успехами в химии; в 1825 году Фарадей открыл бензол.

Однако главными интересами Фарадея были электричество и магнетизм. Помимо электромагнитной индукции, Фарадей также открыл диамагнетизм, электролиз и влияние магнетизма на свет.

Эксперимент с железным кольцом Фарадея

Фарадей обернул толстое железное кольцо двумя витками изолированного провода, по одному с каждой стороны кольца. Одна катушка была подключена к батарее, а другая к гальванометру.Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей увидел на гальванометре мгновенное отклонение. Аналогичное мгновенное отклонение, но в противоположном направлении, наблюдалось при размыкании цепи батареи.

Это наблюдение привело к открытию того, что изменение магнитного поля создает электродвижущую силу и ток в близлежащей цепи. Это явление, называемое электромагнитной индукцией, позже было математически смоделировано Джеймсом Клерком Максвеллом и стало известно как закон Фарадея.

Основа, заложенная Фарадеем, помогла Максвеллу в дальнейшем исследовать теорию электромагнитного поля, и вклад последнего значительно повлиял на физику 20-го века.

Фарадей и электромагнитная теория света

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 – 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, своим вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он был ответственным за введение концепции поля в физику для описать электромагнитное взаимодействие. Но, возможно, не так хорошо известно, что он также внес фундаментальный вклад в электромагнитную теорию света .

В 1845 году, всего 170 лет назад, Фарадей открыл, что магнитное поле влияет на поляризованный свет — явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Точнее, он обнаружил, что плоскость колебаний луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, поворачивается, когда магнитное поле прикладывается в направлении распространения луча. Это было одно из первых указаний на то, что электромагнетизм и свет связаны. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью «Мысли о лучевых вибрациях» , пророческую публикацию, в которой он предположил, что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

Майкл Фарадей (1791-1867) / Кредиты: Википедия

Случай Фарадея не является обычным в истории физики: хотя его образование было очень базовым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени обязаны экспериментальным открытиям Фарадея, чем любому другому ученому. Он открыл электромагнитной индукции , что привело к изобретению динамо-машины, предшественника электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также ввел такие понятия, как поле , и силовые линии, , которые не только были фундаментальными для понимания электрических и магнитных взаимодействий, но и легли в основу дальнейших достижений в физике.

Майкл Фарадей родился в Южном Лондоне в скромной семье. Единственное базовое формальное образование, которое он получил в детстве, заключалось в чтении, письме и арифметике. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетной мастерской. Его страсть к науке пробудилась после описания электричества , которое он прочитал в экземпляре Британской энциклопедии , который он связывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. Фарадей был принят на работу 1 марта 1813 г. в качестве лаборанта Гемфри Дэви в Королевский институт в Лондоне, где он был избран членом в 1824 г. и где проработал до своей смерти в 1867 г., сначала помощником Дэви, затем его сотрудником и, наконец, , после смерти Дэви, как его преемник.Фарадей произвел на Дэви такое впечатление, что, когда последнего спросили о его величайшем открытии, Дэви ответил: «Моим величайшим открытием был Майкл Фарадей». В 1833 году он стал первым фуллерианским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также известен как великий популяризатор науки. В 1826 году Фарадей учредил в Королевском институте пятничные вечерние беседы, которые являются каналом общения между учеными и мирянами. В следующем году он запустил «Рождественские лекции для молодежи», которые теперь ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой — представить науку широкой публике.Сам Фарадей читал многие из этих лекций. Оба они продолжаются и по сей день.

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 году / Кредиты: Википедия

Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 году. ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечным рядом круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял за отправную точку работу Эрстеда и Ампера о магнитных свойствах электрических токов и в 1831 году получил электрический ток от изменяющегося магнитного поля, явление, известное как электромагнитная индукция . Он обнаружил, что когда через катушку пропускают электрический ток, в соседней катушке генерируется еще один очень короткий ток. Это открытие стало важной вехой в прогрессе не только науки, но и общества , и сегодня оно используется для производства электроэнергии в больших масштабах на электростанциях.Это явление открывает кое-что новое об электрических и магнитных полях. В отличие от электростатических полей, создаваемых покоящимися электрическими зарядами, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, соответствующая индуцированной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, границей которой является проволочная петля ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, так что Фарадея без всякого сомнения можно назвать отцом электротехники .

Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел понятия поля и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как ньютоновские действия на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его самым важным вкладом и было описано Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно дало электричеству, магнетизму и оптике общую структуру физических теорий.Однако силовые линии Фарадея не были приняты до тех пор, пока несколько лет спустя не появился Джеймс Клерк Максвелл.

Как отмечалось в начале этой статьи, другим и, возможно, менее известным эффектом, открытым Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не довольствовался простым открытием связи между электричеством и магнетизмом. Он также хотел определить, влияют ли магнитные поля на оптические явления. Он верил в единство всех сил природы, в особенности света, электричества и магнетизма. 13 сентября 1845 он обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда этот свет проходит через материал, к которому приложено сильное магнитное поле в направлении распространения света. Фарадей написал в параграфе № 7504 своей книги Dairy :

.

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, проводя их по разным телам (прозрачным в разных направлениях) и одновременно пропуская через них поляризованный луч света (…) производилось воздействие на поляризованный луч, и, таким образом, магнитное было доказано, что сила и свет имеют отношение друг к другу».

Это, безусловно, было первым четким указанием на то, что магнитная сила и свет связаны друг с другом, а также показало, что свет связан с электричеством и магнетизмом. В отношении этого явления Фарадей также писал в том же абзаце:

«Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным для исследования обоих состояний естественной силы».

Он не ошибся. Этот эффект является одним из краеугольных камней электромагнитной теории света.

Вращение поляризации из-за эффекта Фарадея / Кредиты: адаптировано из Википедии

В выступлении Королевского института в пятницу вечером, произнесенном в апреле 1846 года , Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . Правда в том, что именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту у Уитстона случился приступ страха перед сценой, и поэтому Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше времени, он заполнил оставшиеся минуты, раскрыв свои мысли о природе света . Рассуждение Фарадея было опубликовано в том же году в Philosophical Magazine под названием Thoughts on Ray-Vibrations . Фарадей даже осмелился подвергнуть сомнению существование светоносного эфира — научная ересь в то время — который должен был быть средой для распространения света, как изящно описал Френель в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть результатом не колебаний эфира, а колебаний физических силовых линий. Фарадей пытался исключить эфир, но оставил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свою статью, заявляя:

.

«Я думаю, что, вероятно, я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже мне самому мои идеи по этому вопросу кажутся лишь тенью спекуляции ».

Однако эта идея Фарадея была воспринята с большим скептицизмом и всеми отвергнута до тех пор, пока в 1865 году не была опубликована статья Максвелла под названием Динамическая теория электромагнитного поля .В этой статье Максвелл не только описывает свою основополагающую электромагнитную теорию света — одну из вех, отмеченных в 2015 году Международным годом света, — но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, размышлениям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, которая всегда отличала Максвелла, он ссылается на статью Фарадея 1846 года следующим образом:

«Концепция распространения поперечных магнитных возмущений за исключением нормальных четко изложена профессором Фарадеем в его «Мыслях о лучевых колебаниях».Электромагнитная теория света, предложенная им [Фарадеем], по существу такая же, как та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для вычисления скорости распространения».

И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также ссылается на магнитооптический эффект, заявляя:

«Фарадей обнаружил, что когда плоскополяризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении магнитных силовых линий, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации начинает вращаться».

Всего Майкл Фарадей цитируется шесть раз и трижды упоминается в статье Максвелла 1865 года. Однако это неудивительно, учитывая, что большая часть работ Максвелла основана на работах Фарадея, а Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея в области электромагнетизма в теорию, которую мы знаем сегодня.

Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих размышлениях о лучевых колебаниях , и которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, были наконец получены в лаборатории Герцем в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно и то, что Фарадей дал Максвеллу некоторые ключи, которыми он пользовался.

В 1676 г. Ньютон отправил своему сопернику Гуку письмо, в котором писал: «Если я и видел дальше, то только стоя на плечах гигантов» (*). Двести пятьдесят лет спустя, во время одного из визитов Эйнштейна в Кембридж, Великобритания, кто-то заметил: «Вы сделали великие дела, но вы стоите на плечах Ньютона». Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».Если бы кто-нибудь сказал то же самое Максвеллу, он, вероятно, сказал бы, что стоит на плечах Фарадея .

(*) Хотя эта фраза интерпретируется некоторыми авторами как саркастическое замечание, направленное на горбатую внешность Гука, в настоящее время эта фраза обычно используется в положительном ключе. Комментарий Ньютона — это заявление о том, что наука представляет собой серию постепенных достижений, досягаемость которых строится на ранее достигнутых (см., например, книгу Стивена Хокинга под названием « На плечах гигантов »).

Аугусто Белендес

Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Испанского королевского физического общества

Библиография

  • А. Диас-Хеллин, Фарадей: El gran cambio en la Física (Нивола. Мадрид, 2001).
  • Ордоньес, В. Наварро и Х. М. Санчес Рон, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
  • Форбс и Б. Махон, Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека произвели революцию в физике (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
  • Зайонц, Ловля света: история переплетения света и разума (издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк, 1995)
  • Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Филадельфия, 2002)
  • Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (издательство Кембриджского университета, Кембридж, 2002 г.)

 

комментарий к Фарадею (1832 г.) «Экспериментальные исследования в области электричества»

Philos Trans A Math Phys Eng Sci.2015 13 апреля; 373(2039): 20140208.

Факультет физики, Университет Суррея, Гилфорд, Суррей, Великобритания

© 2015 The Authors. Опубликовано Королевским обществом в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, которая разрешает неограниченное использование при условии указания оригинального автора и источника.

Abstract

История науки полна примеров ключевых открытий и прорывов, которые были опубликованы в виде важных текстов или журнальных статей и по которым можно проследить происхождение целых дисциплин.К таким публикациям, меняющим парадигму, относятся «De Revolutionibus orbium coelestium» Коперника (1543 г. ), «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Исаака Ньютона (1687 г.) и статьи Альберта Эйнштейна по теории относительности (1905 и 1915 гг.). Статья Майкла Фарадея 1832 года об электромагнитной индукции гордо стоит среди этих работ и в некотором смысле может рассматриваться как имеющая почти немедленный эффект в преобразовании нашего мира в самом реальном смысле больше, чем любая из перечисленных выше. Здесь мы рассмотрим статус предмета — взаимосвязь между магнетизмом и электричеством как до, так и после работы Фарадея, и углубимся в детали ключевых экспериментов, которые он провел в Королевском институте, четко описав, как он открыл процесс электромагнитной индукции, посредством которого электрический ток можно заставить течь по проводнику, находящемуся в изменяющемся магнитном поле.Его идеи не только позволили Максвеллу в дальнейшем развить его теорию классического электромагнетизма, но и непосредственно привели к разработке электрического динамо-машины и электродвигателя, двух технологических достижений, которые являются самой основой современного мира. Этот комментарий был написан в ознаменование 350-летия журнала Philosophical Transactions of the Royal Society .

Ключевые слова: электромагнетизм, индукция, динамо, электродвигатель

1.Электромагнетизм до Фарадея

Начало девятнадцатого века было захватывающим временем для экспериментальной физики. Это было также время большой путаницы в отношении природы электричества. Работа двух итальянцев, Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, посвященная характеристикам биоэлектричества, привела Вольта к изобретению батареи в 1799 году. ) надежный и гораздо более полезный источник электричества, чем лейденские банки или все более сложные электростатические машины, и превратил предмет из интеллектуального любопытства в настоящую науку.В самом прямом смысле оно гальванизировало науку, что, конечно же, является источником этого повседневного слова.

В частности, именно запутанная связь между электричеством и магнетизмом так очаровала многих ученых. Действительно, некоторые утверждали, что между этими двумя явлениями вообще нет никакой связи, хотя с середины восемнадцатого века было известно, что, например, удары молнии создают определенные магнитные эффекты.

Затем, в 1820 году, датский ученый Ганс Кристиан Эрстед провел эксперимент, благодаря которому ему приписывают открытие электромагнетизма.21 апреля 1820 года он заметил, готовясь к лекции, что, когда он пропускал электрический ток по проводу, ближайшая стрелка компаса временно отклонялась от своего устойчивого положения, указывающего на магнитный север. Это происходило в момент включения тока от батареи, а затем снова при ее выключении, подтверждая тем самым прямую связь между электричеством и магнетизмом, а именно то, что изменение электрического тока (от отсутствия до протекания и наоборот ) производил временный магнитный эффект поблизости.

Отчет об открытии Эрстеда содержится в письме, которое его коллега Кристофер Ханстин написал Майклу Фарадею много лет спустя:

Эрстед попытался поместить провод своей гальванической батареи перпендикулярно (под прямым углом) к магнитной стрелке, но не заметил заметного движения. Однажды, после окончания своей лекции, так как он использовал сильную гальваническую батарею для других опытов, он сказал: «Давайте теперь один раз, пока батарея находится в действии, попробуем расположить проволоку параллельно игле».Когда это было сделано, он пришел в замешательство, увидев, что стрелка совершает сильное колебание (почти под прямым углом к ​​магнитному меридиану). Тогда он сказал: «А теперь обратим направление тока», и стрелка отклонилась в противоположную сторону. 2

Первоначальная интерпретация Эрстеда заключалась в том, что магнитные эффекты, создаваемые током через провод, излучаются наружу так же, как тепло или свет. Но после дальнейших экспериментов он показал, что на самом деле создаваемое магнитное поле вращается вокруг провода (хотя, конечно, никто еще не думал в терминах полей).

Через несколько месяцев после открытия Эрстеда французский физик и математик Андре-Мари Ампер показал, что два провода с током, расположенные параллельно близко друг к другу, генерируют магнитные силовые линии, заставляющие провода притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от того, текут ли токи в одном и том же или в противоположных направлениях. Ампер впоследствии помог основать область классического электромагнетизма, и в его честь была названа единица измерения электрического тока в системе СИ.

Ампер и Эрстед показали, что каким-то образом электричество можно превратить в магнетизм, но им и другим не удалось сделать обратное: создать электричество из магнетизма.

Не менее известный (в то время, хотя и менее известный сегодня) французский физик по имени Франсуа Араго затем провел эксперимент, который полностью сбил с толку большинство ученых того времени и послужил одним из главных мотивов великой работы Фарадея. В 1824 году Араго продемонстрировал, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.Этот результат был замечательным по двум причинам. Во-первых, к медному диску не подавался внешний электрический ток, а во-вторых, хотя медь и является проводником, она не магнитится. И все же здесь было магнитное поле, которое, по-видимому, создавалось только вращением этого диска, влияющего на стрелку компаса. Потребовались бы гениальность и изобретательность Майкла Фарадея, чтобы описать происходящее, и в серии тщательно и четко описанных экспериментов в период с августа по ноябрь 1831 года он изменил бы лицо науки таким образом, что это повлияло бы на всю нашу жизнь. и по сей день.

2.  Молодость

Майкл Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон Баттс, ныне на юге Лондона, но тогда не более чем в деревне в сельской местности графства Суррей. Он был сыном кузнеца, который переехал из Камбрии на северо-западе Англии незадолго до рождения Майкла. Его семья была небогатой, и Фарадей получил типичное образование рабочего класса, которое он компенсировал тем, что читал все книги, до которых мог дотянуться, страсть, которую он питал, став учеником переплетчика и книготорговца в возрасте 14 лет. .Его растущее увлечение наукой привело в 1812 году к событию, которое изменило его жизнь и ход человеческой истории: любезный покупатель книжного магазина предложил юному Фарадею билеты на серию лекций, прочитанных великим Гемфри Дэви в Королевский институт, основанный несколькими годами ранее. Когда он представил Дэви многочисленные записи, которые он делал во время лекций, великий человек был настолько впечатлен, что взял его в качестве своего лаборанта. 3 В следующем году Фарадей путешествовал с Дэви по Европе, где он мог бы увидеть и услышать многих ведущих мыслителей того времени [4].Когда в 1820 году он услышал об эксперименте Эрстеда, он решил провести собственные исследования природы электромагнетизма.

То, чего Фарадею не хватало в формальной научной подготовке, особенно в области математики, он компенсировал своим исключительным талантом экспериментатора. И хотя изначально он с недоверием относился к математике, считая ее препятствием, а не помощью нашему пониманию работы Природы, в более позднем возрасте он изменит свою точку зрения в свете работы Джеймса Клерка Максвелла.На самом деле, сам Максвелл считал Фарадея превосходным теоретиком и утверждал, что именно поэтому ему удалось изложить теории Фарадея на языке аналитической математики. Важно отметить, что на самом деле в исследованиях Фарадея есть три понятия, которые неразрывно связаны между собой: электрический ток, магнитное поле и механическое движение, и взаимодействие между этими тремя понятиями является постоянной темой всей его работы. В сентябре 1821 года он построил устройство, которое можно считать самым первым электродвигателем.Он показал, что подвешенная проволока, свободно висящая в сосуде с ртутью с постоянным магнитом в центре, будет вращаться вокруг магнита, как только через нее пройдет электрический ток (с проводящей ртутью, замыкающей цепь).

С помощью этой прекрасно простой установки Фарадей продемонстрировал то, что он назвал «электромагнитными вращениями» — он использовал как электричество, так и магнетизм для создания движения, обобщение принципа Эрстеда — и открыл принцип работы электродвигателя [5].Идея заключалась в том, что ток через провод создавал магнитное поле вокруг него, которое взаимодействовало с полем магнита, толкая провод круговым движением все время, пока протекал ток.

Это раннее открытие так взволновало Фарадея, что он провел следующее десятилетие, время от времени пытаясь понять физику электромагнетизма. В то время он описал в своем дневнике ряд неудачных экспериментов, в которых пытался продемонстрировать то, что он назвал «электромагнитной индукцией». 4 Но его исследования, последовавшие за работами Эрстеда, Ампера и Араго, были временно приостановлены между 1825 и 1830 годами, когда он по указанию Дэви занялся поиском способов улучшить качество оптического стекла, используемого для линз. . Все изменилось во второй половине 1831 года, кульминацией которого стала статья, которую мы можем теперь описать. Создав непрерывное механическое движение из магнетизма и электричества (электродвигатель), сцена была настроена на генерирование электричества из механического движения и магнетизма (электрическая динамо-машина или генератор) — открытие, которое изменило наш мир.

Вспомним, что основной мотивацией Фарадея было «преобразование магнетизма в электричество» [6], и именно диск Араго стал стартовой площадкой для его прекрасных экспериментов. Что делает его работы такими замечательными для чтения сегодня, так это ясность и точность его описаний. Уильям Генри Брэгг, который намного позже станет директором Исследовательской лаборатории Дэви-Фарадея в Королевском институте в 1923 году, написал в предисловии к книге о Фараде, посвященной столетию его открытия:

Фарадей имел обыкновение подробно и подробно описывать каждый эксперимент в тот день, когда он был проведен.Во многих записях обсуждаются последствия, которые он мог бы извлечь из того, что он наблюдал. В других случаях они описывают предполагаемый ход исследования, которое должно быть предпринято. Таким образом, Дневник — это гораздо больше, чем каталог результатов. Читатель может продвигаться вперед, шаг за шагом, к окончательным и фундаментальным выводам. Он видит формирование идеи, ее экспериментальную реализацию и использование в качестве плацдарма для следующего продвижения. [7]

3. Экспериментальные исследования электричества

Статья, которой посвящена эта статья, является первой и самой известной из серии из тридцати статей, написанных Фарадеем и опубликованных в журнале Королевского общества Philosophical Transactions между 1832 и 1856 под названием Experimental Research in Electricity , каждое из которых продолжается с того места, где остановилось предыдущее. Первый был прочитан в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. задержал появление статьи Фарадея в печати на несколько месяцев, к своему большому разочарованию [8].

14 января 1832 г., обеспокоенный тем, что французы избили его, он написал секретарю Королевского общества, убеждая его попытаться ускорить процесс публикации, «иначе эти философы могут получить некоторые из моих фактов в разговоре». , повторить их и опубликовать от своего имени, прежде чем я уйду». 6 Хотя точная дата появления статьи в печати неизвестна, самым ранним имеющимся у нас свидетельством является 9 апреля 1832 года. сложность, что ток может индуцироваться все время, пока существует относительное движение между проводником и магнитным полем. Оглядываясь назад и используя соответствующий язык, который мы используем сегодня, мы говорим, что ток индуцируется в проводнике, когда он находится внутри изменяющегося магнитного поля.Для этого не имеет значения, движется ли на самом деле проводник или объект, создающий магнитное поле (будь то постоянный магнит или другой провод, по которому течет электрический ток).

Первый эксперимент, который Фарадей обсуждает в статье, демонстрирует простую индукцию и заслуживает описания здесь. Сначала 26 футов медной проволоки были намотаны на деревянный цилиндр в виде спирали. Изоляция отдельных шпилей и предотвращение их соприкосновения друг с другом с помощью тонкой промежуточной бечевки.Затем проволочная катушка была покрыта слоем муслина (плотной хлопчатобумажной ткани, также называемой бязью — название, обычно используемое в то время, в том числе Фарадеем). Затем поверх этого был намотан второй медный провод. Этот процесс повторялся до тех пор, пока у него не было 12 катушек провода, изолированных друг от друга. Затем он соединил свободные концы всех четных витков в одну непрерывную длину, и то же самое с нечетными витками. Теперь у него было две спирали, концы одной из которых он соединил с гальванометром (прибор, изобретенный несколькими годами ранее для обнаружения наличия электрического тока), а другой — с гальванической батареей.

Сначала Фарадей не увидел отклика гальванометра при включении батареи, но, экспериментируя с более длинными скрученными проводами, другими материалами для токопроводящих проводов и более мощными батареями, он, наконец, смог вызвать небольшую реакцию в стрелке гальванометра, отклоняясь в одну сторону при включении аккумулятора и в другую при его отключении. Теперь мы знаем этот эффект как электромагнитную индукцию — в том смысле, что изменения электрического тока в первом проводе и, следовательно, создаваемого им магнитного поля вызывали временное течение тока во втором проводе.

Затем он нашел гораздо более эффективный способ изменения магнитного поля: перемещая два провода, один из которых подключен к батарее, а другой к гальванометру, по направлению друг к другу или от них. Стрелка гальванометра колебалась то в одну, то в другую сторону в соответствии с движением проводов вперед и назад. Но как только они останавливались, то же самое делала и стрелка гальванометра, показывая, что ток через второй провод больше не течет, хотя он продолжал непрерывно течь через первый.

Стоит отметить, что на тот момент Фарадей, как и другие исследователи того времени, еще не понимал природу самого электричества. Он называет электричество, протекающее по проводу из-за гальванической батареи, гальваническим электричеством , а действие, которое оно оказывает на второй провод, вольта-электрическая индукция . Он отличает это от электрического разряда из лейденской банки как электричество напряжения или обычное электричество .Только когда он построил первую клетку Фарадея в 1836 году, он начал думать об электричестве как о силе, а не о жидкости.

Затем он переходит к гораздо более эффективной версии своего первого эксперимента, в котором он пытается индуцировать ток в катушке провода за счет включения и выключения тока в другой катушке. На этот раз он использовал ненамагниченное железное кольцо вместо оригинального деревянного цилиндра. Он намотал две катушки проволоки на противоположные стороны кольца, очень тщательно изолировав их от самого кольца и отделив каждый виток провода от соседних изолирующей нитью.Затем он подключил одну катушку к батарее, а другую катушку к гальванометру. В том случае, когда включалась батарея, «гальванометр подвергался немедленному воздействию, причем в степени, значительно превышающей описанную» ([9], § 28), и снова сильно отклонялся при выключении батареи. Ясно, что во втором проводе генерировался временный ток каждый раз, когда он подключал и отключал аккумулятор. Можно почти ощутить волнение, как пишет Фарадей:

При использовании мощности ста пар пластин [для создания как можно более мощной батареи из его вольтова столба] с этим кольцом импульс на гальванометре, когда контакт замыкался или размыкался, был настолько велик, что игла быстро обернулась четыре или пять раз, прежде чем воздушный и земной магнетизм смогли свести ее движение к простым колебаниям.([9], §31)

Индукционное кольцо Фарадея было, по сути, самым первым электрическим трансформатором. Он сохранился до наших дней и выставлен в музее Королевского института (). Нет сомнения, что это остается одним из важнейших научных объектов истории науки.

Индукционное кольцо Фарадея (1831 г.). Изображение предоставлено Королевским обществом/Библиотекой изображений науки и общества.

Затем Фарадей заметил, что при замене железного кольца медным индуцированный ток был намного слабее и был подобен тому, когда спиральные провода вообще ни на что не наматываются. Очевидно, разница здесь в том, что железное кольцо помогало создавать гораздо более сильный электромагнит, чего не могла сделать немагнитная медь.

Следующий шаг был очень важным. Фарадей понял, что должен был иметь место «какой-то специфический эффект, происходящий во время образования магнита, а не просто его виртуальное приближение, возбуждающее мгновенный индуцированный ток» ([9], § 39). Он провел эксперимент, который и по сей день известен в любом классе естественных наук в мире.Он заменил проволочную спираль, соединенную с батареей и генерирующую магнитное поле, на простой постоянный стержневой магнит. Затем он взял полую катушку проволоки, концы которой соединил с гальванометром. Быстро вставив магнит в катушку, я увидел, как стрелка гальванометра отклонилась. Обратный процесс путем вытягивания магнита заставлял стрелку отклоняться в противоположном направлении. Затем, постоянно перемещая стержневой магнит внутрь и наружу катушки, он мог заставить стрелку гальванометра колебаться из стороны в сторону в фазе с движением магнита.

Фарадей продолжал экспериментировать с более мощными постоянными магнитами и электромагнитами разной силы, но основной принцип оставался тем же. Он торжествующе заявляет, что «различные эксперименты… доказывают, я думаю, наиболее полно производство электричества из обычного магнетизма» ([9], §57). Он решает сослаться на «действие, оказываемое таким образом обычными магнитами» как магнитоэлектрическая индукция , чтобы отличить его от вольтаэлектрической индукции , производимой полем провода с током.Что касается второго провода, который подвергается этой индукции, он описывает его как находящийся «в своеобразном состоянии» сопротивления образованию в нем электрического тока и называет его находящимся в электротоническом состоянии. Но здесь он признает, что ему еще предстоит понять свойства материи, пока она остается в этом состоянии, особенно потому, что он экспериментирует с различными проводящими материалами, такими как медь и серебро, которые сами по себе не обладают магнитными свойствами.

Фарадей понял, что ему нужно найти способ создания изменяющегося магнитного поля, и приступил к разработке улучшенной версии эксперимента Араго с диском.Он установил медный диск на латунные оси так, чтобы он мог свободно вращаться между двумя полюсами постоянного магнита. Затем он соединил диск с гальванометром, прикрепив один провод к его центру, а другой касаясь его края (как в ).

Вращающийся диск Фарадея — генерирующий непрерывный электрический ток в проводящем диске, вращающемся между двумя полюсами мощного постоянного магнита. Эта диаграмма взята из оригинальной статьи Фарадея [9]. Авторское право Королевского общества.

Затем, когда диск вращался, гальванометр зарегистрировал непрерывный ток, который явно должен был проходить через диск в радиальном направлении.Изменение направления вращения диска вызывало отклонение стрелки гальванометра в противоположном направлении, что означало изменение направления электрического тока.

Фарадей классно заметил, что «Здесь, таким образом, было продемонстрировано производство постоянного тока электричества обычными магнитами ([9], § 90)». чтобы разрезать магнитную кривую, приводится в действие сила, стремящаяся пропустить через нее электрический ток» ([9], § 256). 8

С помощью этого эксперимента Фарадей смог показать, как магнитное поле и непрерывное механическое движение производят непрерывный электрический ток. Он изобрел электрический генератор.

Затем он прикрепляет два провода, которые соединяются с гальванометром, к разным точкам на ободе вращающегося диска и понимает, что индуцированный ток всегда направлен под прямым углом к ​​движению диска и что в этом случае поток электричества в радиальном направлении.

Затем Фарадей делает интересную и довольно замечательную попытку описать на более микроскопическом уровне то, что может происходить внутри металлов, проводящих индуцированный электрический ток: «В электротоническом состоянии однородные частицы материи, по-видимому, приняли регулярное, но вынужденное электрическое расположение в направлении тока… этого вынужденного состояния может быть достаточно для того, чтобы элементарная частица покинула свою спутницу, с которой она находится в стесненном состоянии, и соединилась с соседней такой же частицей, по отношению к которой она в более естественном состоянии» ([9], §76). Обратите внимание, что здесь он принимает теорию электрического тока Ампера, но с точки зрения современной физики нельзя не восхищаться его проницательностью; поскольку его описание более чем на полвека предшествовало атомной теории Больцмана и открытию электрона Дж. Дж. Томсоном, не говоря уже о понимании природы электричества как потока электронов.

Конечно, мы можем видеть, как далеко Фарадей и другие были в то время от понимания истинной природы электрического тока, по тому, как он до сих пор относится к различным видам электричества.Он определяет пять различных типов: гальваническое электричество (вырабатываемое батареей), обычное электричество (например, разряд заряженного тела, подобного лейденской банке), магнитоэлектричество (под которым он подразумевает индуцированный ток), термоэлектричество. Электричество и Электричество Животных (такие, которые, как известно, производятся некоторыми существами, такими как электрический угорь).

Здесь следует упомянуть, что американский ученый Джозеф Генри (1797–1878), чья жизнь, начиная с бедного и скромного начала, во многом отражала жизнь Майкла Фарадея, также работал (независимо) над электро- магнетизм по другую сторону Атлантики, хотя к 1830-м годам интерес к этому предмету, безусловно, распространился по всей Атлантике. Важно отметить, что Генри фактически опередил Фарадея в открытии индуктивности на несколько месяцев в 1831 году, но именно Фарадей опубликовал его первым, и поэтому, несмотря на задержки, которые его так разочаровали, ему приписывают это открытие.

4. Ошибка Фарадея

Сегодня каждый школьник и школьница знает о правилах левой и правой руки Флеминга. Эти полезные визуальные мнемоники были разработаны английским инженером Джоном Амброузом Флемингом (1849–1945) в конце девятнадцатого века и дают простой способ определить направление движения электродвигателя (правило левой руки) и направление движения. тока в генераторе (правило правой руки).Например, в правиле левой руки указательный, средний и большой пальцы можно удерживать направленными в трех взаимно ортогональных направлениях, чтобы представить магнитное поле (указательный палец), электрический ток (второй палец) и толчок или движение ( большой палец). Читая статью Фарадея, поражаешься, насколько просты эти мнемоники и насколько полезными они были бы, если бы он знал о них. Пытаясь описать направление индуцированного тока, Фарадей утверждает: «Отношение, существующее между магнитным полюсом, движущимся проводом или металлом и направлением возникшего тока, т.е.е. закон, управляющий развитием электричества посредством магнитоэлектрической индукции, очень прост, хотя и довольно трудновыразим ([9], § 114)». провода сближены, индуцированный ток был в направлении , противоположном направлению индукционного тока. По мере удаления проводов индуцированный ток был в том же 90 105 направлении, что и индуцирующий ток ([9], § 19). первое действие индуцирующего тока было в направлении, противоположном последнему, но что ток, произведенный прекращением индуцирующего тока, был в том же направлении ([9], § 26).’

Но Фарадей понял это с другой стороны [10]. показывает отрывок из его дневника (лабораторной тетради), написанный 26 марта 1832 г., что было всего за несколько дней до того, как его статья была опубликована, и, следовательно, было слишком поздно для внесения в нее каких-либо изменений. Мы даже видим интересную первую попытку рисования диаграммы. Тот, что ниже, изображает правильную взаимную ортогональность электричества, магнетизма и движения и считается одним из самых значительных рисунков в его блокноте. 9

Это страница из блокнота Фарадея, написанная 26 марта 1832 года (RI MS F/2/C, p.147). Он гласит: «Взаимоотношения электричества, магнетизма и движения могут быть представлены тремя линиями, расположенными под прямым углом друг к другу, каждая из которых может представлять любую из этих точек, а две другие линии — другие точки. Тогда, если в одной линии определяется электричество, а в другой — движение, то в третьей разовьется магнетизм; или если в одной линии определить электричество, а в другой магнетизм, то в третьей произойдет движение. Или, если сначала определить магнетизм, то движение будет производить электричество или движение электричества.Или, если движение будет первой определяемой точкой, Магнетизм разовьет электричество или электрический магнетизм». Воспроизведено с любезного разрешения Королевского института Великобритании.

5. Влияние открытия Фарадея

Нет сомнений в том, что эксперименты, описанные в статье Фарадея, не только заложили основу для истинного понимания природы электричества, но и для его практического применения способами, которые изменят наш мир. В течение нескольких месяцев многие изобретатели заинтересовались этими чудесными потенциальными приложениями, и все же многие из них не понимали или даже не интересовались физикой, лежащей в основе электромагнитной индукции.Действительно, настоящая математическая теория не могла появиться до работы Джеймса Клерка Максвелла в 1865 году.

Применение открытий Фарадея быстро стало очевидным, когда другие ученые, инженеры и изобретатели начали работать над созданием все более сложных электрических генераторов, которые могли бы найти практическое применение [11]. Например, французский производитель инструментов Ипполит Пикси (1808–1835) построил грубый электрический генератор еще в 1832 году, непосредственно основываясь на идеях Фарадея об индукции. Устройство состояло из ручного вращающегося магнита над катушкой с железным сердечником внутри. Импульс тока в катушке создавался каждый раз, когда над ней проходил один из двух полюсов магнита. Однако то, что производилось, было переменным (AC) током, поскольку направление индуцированного тока менялось с каждым полуоборотом магнита. Поскольку в то время не было реального применения для переменного тока (его преимущества станут очевидными только позже), необходимо было найти средства для преобразования его в постоянный (постоянный) ток.Предложение Ампера и других привело к введению коммутатора — поворотного переключателя, который меняет направление соединения с внешней цепью, когда ток меняется на противоположное, давая пульсирующий постоянный ток вместо переменного. Вскоре после изобретения Pixii другие начали производить свои собственные подобные устройства. Следует отметить двух лондонских производителей инструментов: американца Джозефа Саксона и англичанина Джозефа Кларка. К середине 1830-х годов такие машины производили целый ряд различных эффектов индуцированных электрических токов, от химического разложения до искр, и все это путем поворота ручки, которая вращала магнит.

Однако первым важным практическим применением открытия Фарадея был не электрический генератор, а телеграф. Основанное на способности управлять магнитом на расстоянии, это изобретение сделало возможной связь на большие расстояния, которая соединила бы мир. И это было основано на очень простой идее: движение проводящей катушки над магнитом в одном месте индуцирует ток, который передается в другое место, где воздействует на гальванометр. Идея была реализована почти сразу после того, как мир узнал о работах Фарадея, в частности, Павла Шиллинга, Карла Фридриха Гаусса и Вильгельма Вебера.Через несколько лет он был коммерциализирован Куком и Уитстоном в Великобритании (1837 г.) и Морсом и Вейлом в США (1838 г.). Коммерческое крупномасштабное применение открытия Фарадея было сделано гальванотехниками Бирмингема еще в 1844 году. Там по крайней мере две компании использовали его метод извлечения электричества из магнетизма в больших масштабах [12].

Затем в 1850-х годах темпы изобретательства ускорились, когда в преддверии коммерческого применения электрического света были разработаны конструкции все более мощных генераторов (известных как «магнитоэлектрические машины»). Но эти ранние генераторы были невероятно громоздкими и, конечно же, требовали источника энергии для создания механического движения. Первое экспериментальное развертывание магнитоэлектрической машины с паровым двигателем произошло на британском маяке. Устройство весом 2 тонны было изобретено англичанином Фредериком Х. Холмсом и впервые опробовано на знаменитом экспериментальном маяке Боу-Крик на Тринити-Буй-Уорф на реке Темзе в Лондоне в мае 1857 г. под руководством Фарадея [13]. 10 В следующем году он был впервые установлен и использован на маяке Южного Форленда на Дуврских скалах. Таким образом, Южный Форленд стал первым местом в мире, где производилась электроэнергия для практического обеспечения энергией. И после 2000 лет использования магнитов для навигации, начиная с грубых китайских компасов, использующих подвешенные магниты, магниты, наконец, стали помогать морякам другим способом: генерируя мощные электрические огни, которые безопасно уводили их от коварных скал.

К середине 1860-х годов несколько ученых и изобретателей разрабатывали практические проекты динамо-электрической машины. Эти устройства использовали катушки электромагнитного поля с автономным питанием вместо постоянных магнитов, чтобы впервые обеспечить гораздо большую выработку энергии. Таким образом, они привели к первому крупному промышленному использованию электроэнергии и были первыми генераторами, способными вырабатывать достаточную мощность для промышленности.

После открытия генератора переменного тока, теперь известного как генератор переменного тока, слово динамо стало ассоциироваться исключительно с коммутируемым электрическим генератором постоянного тока.К 1880-м годам так называемая «война токов» была в полном разгаре между теми, кто, например, Томас Эдисон, предпочитал постоянный ток для выработки электроэнергии, и теми, кто во главе с Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой считал, что переменный ток является путь вперед. Последние двое в конечном итоге решительно выиграли эту ожесточенную войну. Развитие передачи электроэнергии переменного тока с использованием трансформаторов (происхождение которых связано с простым индукционным кольцом Фарадея) для передачи энергии при высоком напряжении и с малыми потерями позволило центральным электростанциям стать экономически практичными.

Сегодня генератор переменного тока доминирует в крупномасштабной энергетике и использует жидкость, обычно пар, который действует как промежуточный энергоноситель для привода турбин и выработки электроэнергии. На атомных и угольных электростанциях тепло, выделяемое при ядерном делении и химическом сжигании углерода, соответственно, используется для превращения воды в пар. В некотором смысле все электростанции можно грубо рассматривать как гигантские котлы.

Джеймс Кларк Максвелл (1831–1879) родился всего за несколько месяцев до того, как Фарадей провел свои знаменитые эксперименты, и заинтересовался работами по электромагнитной индукции и, в частности, тем, что Фарадей начал называть «силовыми линиями» для описания влияние электрических и магнитных полей. Молодой Максвелл регулярно посещал лекции Фарадея в Королевском институте и уже в 1856 году опубликовал статью, озаглавленную «О силовых линиях Фарадея », из которой интересно процитировать следующее:

«Я попытался донести до ума в удобной и удобной форме те математические идеи, которые необходимы для изучения явления электричества. Методы, как правило, подсказаны в процессе рассуждения, обнаруженного в исследованиях Фарадея и которые, хотя и были математически интерпретированы проф.Томсон и другие, как правило, имеют неопределенный и нематематический характер по сравнению с теми, которыми пользуются мнимые математики. С помощью метода, который я использую, я надеюсь сделать очевидным, что я не пытаюсь установить какую-либо физическую теорию науки, в которой я почти не провел ни одного эксперимента, и что предел моего замысла состоит в том, чтобы показать, как путем При строгом применении идей и методов Фарадея связь самых различных порядков явлений, которые он открыл, может быть ясно поставлена ​​перед математическим умом.

Несколькими годами позже, в 1861–1862 гг., Максвелл опубликовал знаменитую статью из четырех частей, озаглавленную « О силовых линиях физики », за которой в 1865 г. последовала его величайшая работа [14] «Динамическая теория». электромагнитного поля» [15], в которой он объединил электрические и магнитные поля в одно понятие: волна, бегущая в пространстве со скоростью света, и в которой он впервые изложил свои знаменитые уравнения (хотя еще не в форме из четырех уравнений, носящих его имя и знакомых каждому студенту-физику).Это объединение света и электричества считается одним из ключевых достижений в истории науки, благодаря которому теории Фарадея обрели математическую плоть.

Книга Максвелла [16] заложила основы не только последующего открытия радиоволн, но и большей части современной физики, включая работу Эйнштейна по специальной теории относительности и развитие квантовой теории в первые десятилетия двадцатого века. Это, в свою очередь, привело к множеству замечательных достижений, которые сформировали наш современный электронный век, от телевидения до компьютеров и смартфонов. Когда мы смотрим вокруг себя сегодня, мы не можем не видеть всеохватывающего влияния, которое работа Фарадея оказала на нашу жизнь, и которое не собирается ослабевать.

На протяжении всей своей жизни Фарадей был гораздо больше заинтересован в понимании лежащих в основе физических основ электромагнетизма и электромагнитной индукции, чем многие другие ученые его возраста, которые были более одержимы практическим применением его открытий. Сегодня мы по-прежнему используем Фарадея как лучший пример научного исследования, основанного на любопытстве и проводимого ради самого исследования.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить профессора Фрэнка Джеймса из Королевского института Великобритании за его помощь в предоставлении многих полезных комментариев для улучшения этой рукописи.

Footnotes

1 Многие историки науки сочли бы использование термина «ученый» по отношению к естествоиспытателям или химикам (включая самого Фарадея) анахронизмом. Однако в дальнейшем в этой статье мы все же будем использовать этот современный термин, тем более что между работой Фарадея и изобретением этого слова кембриджским историком и философом Уильямом Уэвеллом в 1834 году всего два года.

2 Ханстин Фарадею, 30 декабря 1857 г., в [1, vol. 5, письмо 3374].

3 О жизни Фарадея см. [2,3].

4 Фарадей. 1825 Дневник 1 , 279.

5 Фактически 24 ноября была прочитана только первая часть газеты. Остаток был зачитан еще два раза, 8 и 15 декабря.

6 Фарадей — Роже, 14 января 1832 г., в [1], т. 2, письмо 531.

7 Фарадей Гудзону, 9 апреля 1832 г., в [1], т. 2, литер 566.

8 Обратите внимание, что если номер серии не указан, то мы обозначаем первую статью, которая, безусловно, является предметом этой статьи.

9 Фрэнк Джеймс из Королевского института в настоящее время готовит электронное издание лабораторного журнала Фарадея, в котором описаны его эксперименты по индукции.

10 Самая ранняя машина Холмса для постоянного тока включала 120 постоянных магнитов подковообразной формы, каждый весом 50 фунтов, а также 160 катушек; последующие версии были несколько меньше.

Профиль автора

Джим Аль-Халили — физик, писатель и телеведущий из Университета Суррея, где он в настоящее время преподает и проводит исследования в области квантовой физики. В 1989 году он получил докторскую степень по теоретической ядерной физике и опубликовал множество публикаций о структуре и реакциях экзотических ядер. Он активен в качестве научного коммуникатора и написал ряд научно-популярных книг, переведенных более чем на двадцать языков. Его книга «Следопыты» по истории средневековой арабской науки вошла в шорт-лист премии Уорвика в 2013 году.Его последняя книга — «Жизнь на грани: взросление квантовой биологии». Он регулярно ведет научно-популярные телевизионные документальные фильмы, в том числе номинированные на премию Bafta «Химия: неустойчивая история» и «Шок и трепет: история электричества» для BBC. В течение последних трех лет он ведет очень успешную еженедельную программу BBC Radio 4 «The Life Scientific». В 2007 году он получил медаль Майкла Фарадея Королевского общества за научную коммуникацию.

Ссылки

1. Джеймс ФЭЙЛ.2012. Переписка Майкла Фарадея (6 томов, Лондон, 1991–2012 гг.). [Google Академия]2. Джеймс ФАЙЛ. 2010. Майкл Фарадей: очень краткое введение. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. [Google Академия]3. Рассел КА. 2001. Майкл Фарадей: наука и вера (Oxford University Press;). [Google Академия]4. Бауэрс Б., Саймонс Л. 1991. Любопытство полностью удовлетворено: путешествие Фарадея по Европе 1813–1815 гг. Лондон, Великобритания: Peter Peregrinus Ltd совместно с Музеем науки. [Google Академия]5.Гудинг Д. 1991. Эксперимент и создание смысла: человеческий фактор в научном наблюдении и эксперименте. Дордрехт, Нидерланды: Kluwer. [Google Академия]6. Туини Р.Д., Гудинг Д. 1991. «Химические заметки, намеки, предложения и объекты исследования» Майкла Фарадея 1822 г. , стр. 70–71. Лондон, Великобритания. [Google Академия]7. Сартон Г. 1934. Рецензия на «Дневник Фарадея Майкла Фарадея» Томаса Мартина. Исида 20, 472–474. (10.1086/346808) [CrossRef] [Google Scholar]8. Андерсон Р. 1993. Оценка рецензентов «Работы Фарадея об электромагнитной индукции 1831 года».Примечания Рек. Р. Соц. Лонд. 47, 243–256. (10.1098/rsnr.1993.0031) [CrossRef] [Google Scholar]9. Фарадей М. 1832. Экспериментальные исследования в области электричества. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд. 122, 125–162. (10.1098/rstl.1832.0006) [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ромо Дж., Донсель М.Г. 1994. Первоначальная ошибка Фарадея относительно направления наведенных токов и рукопись I серии его исследований». Арка История Точная наука. 47, 291–385. (10.1007/BF00374741) [CrossRef] [Google Scholar] 11. Джеймс ФАЙЛ.1999. Талант инженера-строителя: Майкл Фарадей, наука, инженерия и служба английских маяков, 1836–1865 гг. Транс. Ньюкомен Соц. 70, 153–160. [Google Академия] 12. Томас Дж.М. 1991. Майкл Фарадей и Королевский институт: гений человека и места (Издательство IOP, впоследствии опубликованное Тейлором и Фрэнсисом), стр. 51. [Google Академия]13. Холмс ФХ. 1863 г. О магнитоэлектричестве и его применении в маячных целях. Инженер 16, 337–338. [Google Академия] 14. Нивен ВД. (ред.).1965 год. Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла, Dover Publications, по специальной договоренности с Cambridge University Press, p. 157. [Google Академия] 15. Максвелл Дж. 1865 г. Динамическая теория электромагнитного поля. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд. 155, 459–512. (10.1098/rstl.1865.0008) [CrossRef] [Google Scholar] 16. Максвелл Дж. 1873 г. Трактат об электричестве и магнетизме, 2 тома Оксфорд, Великобритания: Clarendon Press. [Google Scholar]

Электромагнитная индукция – MagLab

В 1831 году Майкл Фарадей провел многочисленные эксперименты, чтобы доказать, что электричество может быть получено из магнетизма.Он не только продемонстрировал электромагнитную индукцию, но и разработал хорошее представление о вовлеченных процессах.

В 1831 году Майкл Фарадей провел многочисленные эксперименты, пытаясь доказать, что электричество может быть получено из магнетизма. В течение нескольких недель великий экспериментатор не только ясно продемонстрировал это явление, известное теперь как электромагнитная индукция , но и разработал хорошее представление о связанных с ним процессах.В одном из экспериментов, проведенных Фарадеем в этот важный год, использовались постоянный магнит и гальванометр, соединенные с катушкой проволоки, намотанной на бумажный цилиндр, подобно тем, что показаны в этом руководстве.

Чтобы имитировать эксперимент Фарадея, щелкните и перетащите -стержневой магнит вперед и назад внутри катушки. Обратите внимание, что вольтметр , соединенный с катушкой, показывает наличие тока только тогда, когда магнит действительно находится в движении, и что его стрелка отклоняется в одном направлении, когда магнит перемещается в катушку, и в противоположном направлении, когда его перетаскивают. из катушки.Также обратите внимание на линий магнитного поля , изображенных синим цветом, исходящих от магнита, и на то, как направление тока (указано черными стрелками) меняется в зависимости от того, в какую сторону движется магнит. Как вы можете заметить, когда северный конец магнита входит в катушку, индуцируется ток, который проходит вокруг катушки в направлении против часовой стрелки; когда магнит затем вытягивается из катушки, направление меняется на по часовой стрелке.

Также обратите внимание, что создаваемый ток сильнее, когда магнит перемещается быстро, а не постепенно.Отрегулируйте ползунок число витков и снова перемещайте магнит внутрь и наружу катушки, чтобы определить взаимосвязь между витками провода в катушке и током, индуцируемым в этой катушке. Как показывает вольтметр, большее напряжение может индуцироваться в катушках, состоящих из большего числа витков провода.

Используйте синюю кнопку флип-магнита , чтобы увидеть, как все меняется, когда южный конец магнита, демонстрирующий разные силовые линии, взаимодействует с катушками проволоки.

В этой демонстрации электромагнитной индукции механическая энергия движущегося магнита преобразуется в электричество, потому что движущееся магнитное поле, входя в проводник, индуцирует ток в проводнике. Что также происходит (хотя и не показано в этом руководстве), так это то, что ток, который был наведен в проводе, в свою очередь, создает другое магнитное поле вокруг провода. Это поле противодействует полю движущегося магнита, что объясняется законом Ленца .

Электромагнитная индукция – тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

Электромагнитная индукция — это когда напряжение создается при прохождении проводника через магнитное поле.

Рисунок 45. Магнитные полюса и индукция

Величина напряжения может варьироваться в зависимости от трех факторов:

  1. Размер магнитного поля. Чем больше линий магнитного потока, тем больше линий магнитного потока может перерезать проводник.Сила потока прямо пропорциональна индуцированному напряжению.
  2. Активная длина проводника. Активная длина означает часть проводника, которая фактически проходит через поле. Активная длина прямо пропорциональна наведенному напряжению.
  3. Скорость, с которой проводник проходит через поле. Чем быстрее проводник проходил через поле, тем больше индуцируемое напряжение. Скорость прямо пропорциональна наведенному напряжению.

Эти отношения к напряжению можно разбить на следующую формулу: e = βlv.

Где:

e = пиковое напряжение, индуцируемое в катушке индуктивности (вольты)

B = напряженность поля между полюсами (Тесла)

l = активная длина проводника (метры)

v = скорость проводника через поле (м/сек)

Вот пример.

Проводник, имеющий активную длину 4 метра, проходит через поле 5 тесла со скоростью 15 метров в секунду. Определить пиковое напряжение, индуцируемое на этом проводнике.

(4 м)(5 Тл)(15 м/сек) = 300 вольт пик

Это безумие! Кто это обнаружил?

Открытие электромагнитной индукции приписывают Майклу Фарадею, который обнаружил, что при пропускании магнитного поля через проводник по нему потечет ток.

Пока существует движение между полем и проводником, может индуцироваться напряжение. Это может означать, что проводник проходит через поле или поле проходит через проводник.

Далее: Генератор

Закон электромагнитной индукции. Кто открыл явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превращения магнетизма в электричество.Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.

Открытие электромагнитной индукции

Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Вероятно, должна быть возможность использования магнита для получения электрического тока.

Впервые Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в проводниках, неподвижных друг относительно друга. При появлении тока в одной из них в другой катушке также индуцировался ток.Более того, в дальнейшем он пропадал, и вновь появлялся только при отключении питания на одну катушку.

Через некоторое время Фарадей экспериментально доказал, что при перемещении одной катушки без тока в цепи относительно другой, на концах которой приложено напряжение, в первой катушке также появится электрический ток.

Следующим экспериментом было введение магнита в катушку, и в ней тоже появился ток. Эти эксперименты показаны на следующих рисунках.

Фарадей сформулировал основную причину появления тока в замкнутом контуре. В замкнутой проводящей цепи ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих эту цепь.

Чем больше это изменение, тем сильнее индукционный ток. Как бы мы ни добивались изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать, перемещая контур в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки.А мы можем, например, изменить силу тока в катушке, примыкающей к контуру, и магнитное поле, создаваемое этой катушкой, изменится.

Редакция закона

Подведем краткий итог. Явление электромагнитной индукции — это явление возникновения тока в замкнутом контуре, при изменении магнитного поля, в котором этот контур находится.

Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая характеризовала бы магнитное поле – поток вектора магнитной индукции.

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции обозначается буквой В. Он будет характеризовать магнитное поле в любой точке пространства. Теперь рассмотрим замкнутый контур, ограничивающий поверхность S. Поместим его в однородное магнитное поле.

Между вектором нормали к поверхности и вектором магнитной индукции будет некоторый угол a. Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называется физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру.2, который перпендикулярен вектору магнитной индукции.

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь нужно было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эта задача была блестяще решена Фарадеем.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одном из беднейших его районов. Его отец был кузнецом, а мать была дочерью арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, выбранный Фарадеем здесь, был очень узким и сводился только к обучению чтению, письму и основам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находился книжный магазин, в котором также был переплетчик. Вот куда попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда встал вопрос о выборе для него профессии. Михаилу на тот момент было всего 13 лет. Уже в юном возрасте, когда Фарадей только начал свое самообразование, он стремился опираться исключительно на факты и сверять сообщения других с собственным опытом.

Эти стремления господствовали над ним всю жизнь как основные черты его научной деятельности. Фарадей начал ставить физические и химические опыты еще мальчиком при самом первом знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций великого английского физика Хамфри Дэви.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отправил Дэви. Он был настолько поражен, что пригласил Фарадея работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея.За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий в мире. С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд небольших заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыт своих предшественников и сочетая несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл опубликовал «Историю успеха в области электромагнетизма».Уже в это время он составил совершенно правильное представление о сущности явления отклонения магнитной стрелки током.

Добившись такого успеха, Фарадей на десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя изучению ряда объектов разного рода. В 1823 году Фарадей сделал одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа, а заодно установил простой, но действенный способ превращения газов в жидкости. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего, он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей вновь обращается от физики к химии, и результатом его работы в этой области становится открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат об особом виде оптической иллюзии, который послужил основой для красивого и любопытного оптического снаряда, названного «хромотропным».В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинах». Многие из этих произведений сами по себе могли бы увековечить имя своего автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный раздел физики, объясняющий явления электромагнетизма и индукционного электричества и имеющий сейчас такое огромное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

К тому времени, когда Фарадей полностью посвятил себя исследованиям в области электричества, было обнаружено, что в обычных условиях присутствия наэлектризованного тела достаточно, чтобы его воздействие возбудило электричество в любом другом теле. В то же время было известно, что провод, по которому течет ток и который также представляет собой наэлектризованное тело, не оказывает никакого воздействия на другие провода, расположенные рядом с ним.

Почему это исключение зависело? Это вопрос, который интересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества.Как обычно, Фарадей начал серию опытов, которые должны были прояснить суть дела.

Фарадей намотал два изолированных провода параллельно друг другу на одну и ту же деревянную скалку. Концы одного провода он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другого — с чувствительным гальванометром. Когда по первому проводу пустили ток,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая от колебаний заметить появление тока во втором проводе.Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат тот же. Фарадей повторял этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.

Любой другой на его месте оставил бы эксперименты, убедившись, что ток, проходящий по проводу, не действует на соседний провод. Но Фарадей всегда старался извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и поэтому, не получив прямого действия на провод, подключенный к гальванометру, стал искать побочные эффекты.

Сразу же заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным при прохождении тока, начинает колебаться при замыкании самой цепи и при ее размыкании, оказалось, что в момент пропускания тока в первый провод, и также, когда эта передача прекратилась, второй провод также возбуждает ток, имеющий в первом случае направление, противоположное первому току, и то же самое с ним во втором случае и длящийся только одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызванные влиянием первичных, были названы Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними до сих пор.Будучи мгновенными, мгновенно исчезающими после своего появления, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способа с помощью хитроумного устройства (переключателя) прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи, по первому проводу, поэтому что второй провод непрерывно возбуждается все новыми и новыми индуктивными токами, становясь, таким образом, постоянным. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трение и химические процессы), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей далее обнаружил, что достаточно просто поднести провод, скрученный в замкнутую кривую, к другому проводу, по которому течет гальванический ток, чтобы индуцировать индуктивный ток в направлении, противоположном гальваническому току в нейтральном проводе , так что удаление нулевого провода снова возбуждает индуктивный ток уже того же направления, что и гальванический ток, протекающий по неподвижному проводу, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только при приближении и удалении провода к ток гальванического проводника, и без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко ни находились провода друг к другу.

Таким образом, было обнаружено новое явление, подобное описанному выше явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия, в свою очередь, повлекли за собой новые. Если можно индуцировать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат при намагничивании и размагничивании железа?

Работы Эрстеда и Ампера уже установили связь магнетизма и электричества. Было известно, что железо становится магнитом, когда вокруг него наматывается изолированный провод и через него протекает гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.

Исходя из этого, Фарадей изобрел такой опыт: два изолированных провода были намотаны на железное кольцо; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая вокруг другой. По одному проводу пропускали ток от гальванической батареи, а концы другого присоединяли к гальванометру. Итак, когда ток замыкался или прекращался, и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, т. е. в нейтральном проводе возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи – это время: уже под действием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизм превратился в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал использовать железную полосу. Вместо возбуждения магнетизма в железе гальваническим током он намагнитил железо, прикоснувшись к нему постоянным стальным магнитом. Результат был тот же: всегда в железной обмотке! ток возбуждался в момент намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей ввел в проволочную спираль стальной магнит – приближение и удаление последнего вызывало индукционные токи в проволоке.Одним словом, магнетизм в смысле возбуждающих индукционных токов действовал точно так же, как и гальванический ток.

В то время физики были сильно озабочены одним загадочным явлением, открытым в 1824 году Араго и не находящим, несмотря на это, объяснения; что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабай и Гершель.

Дело было в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро останавливается, если поднести под нее кружок из немагнитного металла; если затем вращать круг, магнитная стрелка начинает двигаться за ним.

В спокойном состоянии невозможно было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелой, при этом тот же круг, находящийся в движении, притягивал не только легкую стрелу, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной тайной, чем-то запредельным.

На основании своих вышеизложенных данных Фарадей сделал предположение, что круг из немагнитного металла под действием магнита при вращении окружается индуктивными токами, которые воздействуют на магнитную стрелку и притягивают ее за магнитом.

Действительно, введя край круга между полюсами большого подковообразного магнита и соединив центр проволоки и край круга гальванометром, Фарадей получил постоянный электрический ток при вращении круга.

После этого Фарадей остановился на другом явлении, вызвавшем тогда всеобщее любопытство. Как известно, если насыпать на магнит железные опилки, они сгруппируются вдоль определенных линий, называемых магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал в 1831 г. основание для магнитных кривых название «линии магнитной силы», вошедшее впоследствии во всеобщее употребление.

Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для наведения индукционных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно известным образом пересечь магнитные силовые линии.

Дальнейшие работы Фарадея в указанном направлении приобрели, с точки зрения его современности, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 г. он продемонстрировал устройство, в котором индуктивные токи возбуждались без помощи магнита или гальванического тока.

Устройство состояло из железной полосы, помещенной в проволочную катушку. При обычных условиях этот прибор не подавал ни малейшего признака появления в нем токов; но как только ему придавали направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проводе возбуждался ток.

Затем Фарадей задавал положение магнитной стрелки одной катушке и затем вводил в нее полоску железа: снова возбуждался ток. Причиной, вызвавшей ток в этих случаях, был земной магнетизм, который вызывал индуктивные токи подобно обычному магниту или гальваническому току.Чтобы яснее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, полностью подтвердивший его соображения.

Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например из меди, вращаясь в положении, в котором он пересекает магнитные силовые линии соседнего магнита, дает индуктивный ток, то такой же круг, вращающийся в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен давать индуктивный ток.

Действительно, медный круг, вращаясь в горизонтальной плоскости, давал индуктивный ток, который вызывал заметное отклонение стрелки гальванометра. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей завершил открытием, сделанным в 1835 г., «индуцирующего действия тока на самого себя».

Он обнаружил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самом проводе, служащем проводником для этого тока, возбуждаются мгновенные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или замедляет индукционно-индуцирующее движение», — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. – Например, когда катушка приближается к магниту, наведенный индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита.В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца следует из закона сохранения и преобразования энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то работа создавалась бы из ничего. После небольшого толчка катушка устремится к магниту, и в то же время индукционный ток будет выделять в ней тепло. На самом деле индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал физик Джеймс Клерк Максвелл из Даланга, который является создателем полной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизана переменным магнитным полем, перпендикулярным плоскости катушки. В катушке естественно возникает индукционный ток.Максвелл истолковал этот эксперимент чрезвычайно смело и неожиданно.

При изменении магнитного поля в пространстве, по Максвеллу, возникает процесс, для которого наличие проволочной петли не имеет значения. Главное здесь — появление замкнутых круговых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля электроны приходят в движение, и в катушке возникает электрический ток. Катушка — это всего лишь устройство, позволяющее обнаружить электрическое поле.

Суть явления электромагнитной индукции заключается в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихрем.

Исследования в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать уже в 1832 г. идею телеграфа, которая затем легла в основу этого изобретения. Вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям 19 века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока по всему миру…

Источник информации: Самин Д.К. «Сто великих научных открытий». М.: «Вече», 2002.

.

Ответ:

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции было открыто английским физиком Майклом Фарадеем (1791 – 1867).

Фарадей, еще молодой ученый, как и Эрстед, думал, что все силы природы взаимосвязаны и, более того, что они способны переходить друг в друга.Интересно, что Фарадей высказал эту мысль еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, что, говоря образным языком, он превратил электричество в магнетизм. Размышляя над этим открытием, Фарадей пришел к выводу, что если «электричество создает магнетизм», то, наоборот, «магнетизм должен создавать электричество». А в 1823 году он записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Восемь лет Фарадей работал над решением проблемы.Долго его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 году он решился – открыл явление электромагнитной индукции.

впервые Фарадей открыл явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или исчезает электрический ток в результате присоединения к ней гальванической батареи или отключения от нее, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток регистрируется гальванометром, который подключен ко второй катушке.

Затем Фарадей также установил наличие индукционного тока в катушке при приближении или удалении от нее катушки, в которой протекал электрический ток.

наконец, третий случай электромагнитной индукции, открытый Фарадеем, заключался в том, что в катушке возникал ток, когда в нее вводили или удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также занялись изучением особенностей явления электромагнитной индукции.Следующей задачей было установить общий закон электромагнитной индукции. Необходимо было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит величина электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Эта задача была сложной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках разработанного ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, придерживавшиеся обычной для того времени теории дальнодействия в теории электрических и магнитных явлений.

Кое-что удалось сделать этим ученым. Более того, они могли бы открыть правило нахождения направления индукционного тока в различных случаях электромагнитной индукции, открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 – 1865). Ленц сформулировал это так: «Если металлический проводник движется вблизи гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы этот проводник был неподвижен, то ток мог бы заставить его двигаться в противоположном направлении. направление; предполагается, что покоящийся проводник может двигаться только по ходу движения или в обратном направлении.

Это правило очень удобно для определения направления индукционного тока. Мы используем его и сейчас, только теперь он формулируется несколько иначе, с использованием понятия электромагнитной индукции, которым Ленц не пользовался.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль о том, как подойти к определению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в правиле атома устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействия токов.Вопрос о взаимодействии токов был решен еще Ампером. Поэтому установление этой связи позволило вначале определить выражение ЭДС индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы уже говорили, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи при изменении проходящего через нее магнитного потока.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что вызывает изменение потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Самоиндукция – это возникновение индукции ЭДС в замкнутой проводящей цепи при изменении тока, протекающего по цепи.

При изменении тока в цепи пропорционально изменяется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этой цепью. Изменение этого магнитного потока в силу закона электромагнитной индукции приводит к возбуждению в этой цепи ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимной индукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому увеличению (направлена ​​против тока), а при уменьшении тока уменьшается (со -направление по течению). По этому свойству ЭДС самоиндукции аналогична инерции.

Созданию первого реле предшествовало изобретение в 1824 году англичанином Стургеном электромагнита – устройства, преобразующего входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и снаружи этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось (детектировалось) по его воздействию на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

В дальнейшем эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного движения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических устройств связи (телеграфии и телефонии), электротехники и электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж.Генри в 1831 году.

До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, которые не меняются во времени. Выяснилось, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле создается движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическими и магнитными полями, которые меняются во времени.

Важнейшим обнаруженным фактом была теснейшая связь между электрическими и магнитными полями. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы таким огромным, как оно есть на самом деле. Не было бы ни радиоволн, ни света.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделал основоположник представлений об электромагнитном поле – Фарадей. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, преобразующих механическую энергию в энергию электрического тока.(Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы и т.п. – дают незначительную долю вырабатываемой энергии.)

Электрический ток, утверждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Мог ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Долгое время это соединение не могло быть найдено. Трудно было думать о главном, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.

Какие несчастные случаи могли помешать открытию, показывает следующий факт.Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон пытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он использовал гальванометр, световая магнитная стрелка которого помещалась внутрь катушки прибора. Чтобы магнит не воздействовал непосредственно на стрелку, концы катушки, в которую Колладон затолкал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнее помещение и соединены там с гальванометром. Вставив в катушку магнит, Колладон прошел в соседнюю комнату и с досадой

убедился, что гальванометр не показывает ток.Если бы ему пришлось все время следить за гальванометром и просить кого-нибудь взяться за магнит, он сделал бы замечательное открытие. Но этого не произошло. Магнит, покоящийся относительно катушки, не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в появлении электрического тока в проводящей цепи, которая либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих схема меняется.Он был открыт 29 августа 1831 года. Редкий случай, когда так точно известна дата нового замечательного открытия. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем:

«На широкую деревянную катушку был намотан медный провод длиной 203 фута, а между его повороты. Одна из этих спиралей была подключена к гальванометру, а другая к сильной батарее, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи можно было заметить внезапное, но крайне слабое воздействие на гальванометр, и такое же вещь была замечена, когда ток остановился.При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще индукционного действия на другую спираль, несмотря на то, что нагрев всей спирали, связанной с батареей и яркость искры, проскальзывающей между углями, указывала на заряд батареи» (Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству», 1-я серия).

Итак, изначально индукция была обнаружена в проводниках, неподвижных относительно друг друга при замыкании и размыкании цепи.Затем, отчетливо понимая, что приближение или удаление проводников с током должно приводить к такому же результату, как замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении витков каждые

родственник друга. Знакомый с работами Ампера, Фарадей понимал, что магнит представляет собой совокупность малых токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как было записано в его лабораторном журнале, в катушке был обнаружен индукционный ток при введении (или выдвижении) магнита.В течение одного месяца Фарадей экспериментально открыл все существенные черты явления электромагнитной индукции.

В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого необходимо иметь две катушки, магнит, батарею ячеек и достаточно чувствительный гальванометр.

В установке, показанной на рис. 238, индукционный ток возникает в одной из катушек при замыкании или размыкании электрической цепи другой катушки, стационарной относительно первой.В установке на рис. 239 с помощью реостата изменяется сила тока в одной из катушек. На рисунке 240 индукционный ток возникает при движении катушек друг относительно друга, а на рисунке 240, б – при движении постоянного магнита относительно катушки.

Уже сам Фарадей уловил то общее, что определяет появление индукционного тока в опытах, выглядящих по-разному.

В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром.И чем быстрее изменяется количество линий магнитной индукции, тем больше индуцируемый ток. Причем совершенно безразлична причина изменения числа линий магнитной индукции. Это может быть как изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь неподвижной проводящей цепи вследствие изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), так и изменение числа линий индукции за счет движения контура в неоднородном магнитном поле, плотность линий которого меняется в пространстве (рис.241).

Вектор магнитной индукции \(~\vec B\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, которая зависит от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эта величина называется потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком .

Выберем в магнитном поле такой малый элемент поверхности площадью Δ S , чтобы магнитную индукцию во всех точках можно было считать одинаковой.Пусть \\ (~ \\vec n \\) — нормаль к элементу, образующему угол α   с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).

Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью Δ S   называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \\ (~ \vec B \\) на площадь Δ S и косинус угла α между векторами \\(~\vec n\) и \(~\vec n\) (нормаль к поверхности):

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

Состав B ∙ cos α = IN n — проекция вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. поэтому

  \(~\Delta\Phi=B_n\cdot\Delta S\).

Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от угла α .

Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S   равен:

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

Поток магнитной индукции однозначно можно интерпретировать как величину, пропорциональную числу линий вектора \(~\vec B\), пронизывающих эту площадь поверхности.

Вообще говоря, поверхность можно закрыть. В этом случае количество линий индукции, входящих в поверхность, равно количеству линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то внешней нормалью считается положительная нормаль к поверхности.

Линии магнитной индукции замкнуты, значит, поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.(Линии, выходящие из поверхности, дают положительный поток, а входящие — отрицательный. ) Это основное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.

Электромагнитная индукция

Открытие электромагнитной индукции

В 1821 году Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратите магнетизм в электричество». Через 10 лет эта проблема была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но связь этих явлений долгое время обнаружить не удавалось. Трудно было сообразить главное: только изменяющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или катушка сама должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал это явление Фарадей, было сделано 29 августа 1831 года. Вот краткое описание первого эксперимента, данное самим Фарадеем.«На широкую деревянную катушку (фут равен 304,8 мм) был намотан медный провод длиной 203 фута, а между его витками намотан провод такой же длины, но изолированный от первой хлопчатобумажной нити. Одна из этих спиралей была подключена к гальванометру, а другая к сильной батарее, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи было замечено внезапное, но крайне слабое воздействие на гальванометр, и то же самое было замечено когда течение прекратилось. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще индукционного действия на другую спираль, несмотря на то, что нагрев всей спирали, связанной с батареей и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовала о заряде батареи.

Итак, индукция первоначально была обнаружена в проводниках, неподвижных относительно друг друга при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что приближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей доказал экспериментально установлено, что ток возникает при движении катушек друг относительно друга (рис. 3).

Знакомый с работами Ампера, Фарадей понял, что магнит представляет собой совокупность малых токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как было записано в его лабораторном журнале, в катушке был обнаружен индукционный ток при введении (или выдвижении) магнита (рис. 4).

В течение одного месяца Фарадей экспериментально открыл все существенные черты явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью раскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, что определяет появление индукционного тока в опытах, внешне выглядящих по-разному.

В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее изменяется количество линий магнитной индукции, тем больше генерируемый ток. Причем совершенно безразлична причина изменения числа линий магнитной индукции. Это может быть как изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник, за счет изменения силы тока в соседней катушке, так и изменение числа линий за счет движения контура в неоднородном магнитном поле, плотность линий которых меняется в пространстве (рис. 5).

Правило Ленца

Возникающий в проводнике индукционный ток сразу начинает взаимодействовать с током или магнитом, его породившим. Если магнит (или катушку с током) приблизить к замкнутому проводнику, то возникающий индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Чтобы сблизить магнит и катушку, нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило строго соблюдается.Представьте, что ситуация была бы другой: вы прижали магнит к катушке, а он рванул бы внутрь нее. В этом случае закон сохранения энергии будет нарушен. Ведь увеличилась бы механическая энергия магнита и одновременно возник бы ток, что само по себе требует затрат энергии, потому что ток тоже может выполнять работу. Наведенный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, замедляет вращение якоря.Только поэтому, чтобы повернуть якорь, нужно совершить работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы возникает индукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и очень неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия наведенного в теле тока с это поле. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и в то же время были бы очень теплыми.Ни самолеты, ни ракеты не могли летать. Человек не мог быстро двигать руками или ногами, так как человеческое тело — хорошее средство передвижения.

Если катушка, в которой индуцируется ток, неподвижна относительно соседней катушки переменного тока, как, например, у трансформатора, то в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. Чем отличаются два опыта: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 6, а), а во втором случае уменьшается (рис.6, б). При этом в первом случае индукционной линии В «Магнитное поле, создаваемое индукционным током, возникающим в катушке, выходит из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот , он входит в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рис. 6 показаны штрихом.

Рис. 6

Теперь переходим к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует росту магнитного потока через витки катушки.Ведь вектор индукции \(~\vec B\) этого поля направлен против вектора индукции \(~\vec B\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \(~\vec B”\\), увеличивая магнитный поток через витки катушки.

В этом суть общее правило определения направления индукционного тока, применимое во всех случаях.Это правило установил русский физик Э. X. Ленц (1804-1865).

В соответствии с правилом lenz

индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать изменению потока, порождающего этот ток.

индукционный ток имеет направление, исключающее причину его возникновения.

В случае сверхпроводников компенсация изменений внешнего магнитного потока будет полной.Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, совершенно не меняется ни при каких условиях.

Закон электромагнитной индукции

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I  i в проводящей цепи пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \(~\vec B\), пронизывающих поверхность ограничен этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.

Магнитный поток четко интерпретируется как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность S . Следовательно, скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за короткое время Δ t магнитный поток изменится на Δ F , то скорость изменения магнитного потока будет \).

Поэтому утверждение, вытекающее непосредственно из опыта, можно сформулировать так:

индукционный ток пропорционален скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

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

Известно, что электрический ток возникает в цепи при действии внешних сил на свободные заряды. Работа этих сил при перемещении одиночного положительного заряда по замкнутому контуру называется электродвижущей силой. Поэтому при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в ней возникают внешние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим его буквой E   i.

Закон электромагнитной индукции сформулирован именно для ЭДС, а не для силы тока.При такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящего от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.

Согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ)

Индукция ЭДС в замкнутом контуре по величине равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

   \\ (~ | E_i | = | \ frac (\ Дельта\Фи) (\Дельта t)|\).

Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рис. 7 показан замкнутый контур. Положительным считаем направление обхода цепи против часовой стрелки. Нормаль к контуру \(~\vec n\) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т. е. удельная работа, зависит от направления внешних сил по отношению к направлению обхода цепи.Если эти направления совпадают, то E i > 0 и, соответственно, I i > 0. В противном случае ЭДС и ток отрицательны.

Пусть магнитная индукция \(~\vec B\) внешнего магнитного поля направлена ​​по нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда F  >>0 и \(~\frac(\Delta\Phi)(\Delta t)\)>0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток F ‘B’ Магнитное поле индукционного тока показано штрихом на рисунке 7.Следовательно, индукционный ток I   i направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода), а ЭДС индукции отрицательна. Следовательно, закон электромагнитной индукции должен иметь знак минус:

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

В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используется для определения единицы магнитного потока. Эта единица называется Вебером (Вб).

Так как ЭДС индукции E   i выражаются в вольтах, а время в секундах, то из закона электромагнитного излучения Вебера можно определить следующим образом:

магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб если при равномерном уменьшении этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции, равная 1 В:

1 Вб = 1 В ∙ 1 с.

Вихревое поле

Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле . К такому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в ней — процесс генерации электрического поля магнитным полем. При этом наличие токопроводящего контура, например катушки, сути дела не меняет. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаруживать возникающее электрическое поле.Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым проявляет себя. Суть явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в появлении электрического поля, приводящего в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совершенно иную структуру, чем электростатическое. Он не имеет прямого отношения к электрическим зарядам, и его линии натяжения не могут начинаться и заканчиваться на них. Они вообще нигде не начинаются и не заканчиваются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле . Может возникнуть вопрос: почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q   так же, как и электростатическое, и это мы считали и считаем основным свойством поля.Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \(~\vec F = q\vec E\), где \(~\vec E\) – напряженность вихревого поля. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сосредоточенным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r 0 (рис. 8), то из симметрии очевидно, что линии электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \ \(~\vec B\\) и являются окружностями. В соответствии с правилом Ленца при увеличении магнитной индукции \(~\влево (\frac(\Delta B) (\Delta t)>0\вправо)\) линии натяжения \( ~\vec E\) образуют левый винт с направлением магнитной индукции \(~\vec B\).

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Действительно, при движении заряда по замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и движение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, как и магнитное поле, не является потенциальным.

Работа вихревого электрического поля по перемещению одиночного положительного заряда по замкнутому неподвижному проводнику численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. А вам не кажется, что одного заявления недостаточно? Хотелось бы узнать, каков механизм этого процесса. Можно ли объяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И здесь ваше природное любопытство не может быть удовлетворено. Здесь просто нет механизма. Закон электромагнитной индукции является фундаментальным законом природы, а значит, основным, первичным. Его действием можно объяснить многие явления, но само оно остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых оно вытекало бы как следствие.Во всяком случае, такие законы сейчас неизвестны. Это все основные законы: закон всемирного тяготения, закон Кулона и т.д.

Конечно, мы вольны задавать природе любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему причинность вообще существует, бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Литература

  1. Жилко В.В. Физика: Учебник.надбавка за 10 класс. общее образование. школа с русским языком обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн.: Нар. света, 2001. – 319 с.
  2. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл. : учебник. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – 476 с.

Закон индукции Фарадея для чайников

Закон индукции Фарадея был открыт в результате экспериментов, проведенных Майклом Фарадеем в Англии в 1831 году и Джозефом Генри в Соединенных Штатах примерно в то же время.
Несмотря на то, что Фарадей опубликовал свои результаты первым, что дает ему приоритет открытия, единица измерения индуктивности в СИ называется генри (аббревиатура H) . С другой стороны, единица измерения емкости в системе СИ, как мы видели, называется 90 105 фарад (сокращение F) 90 106 .
В главе, посвященной колебаниям в емкостно-индуктивных цепях, мы видим, как уместно связывать имена этих двух талантливых современников в едином контексте.

*Помимо их независимого одновременного открытия закона индукции, Фарадей и Генри имеют несколько других сходств в их жизнях.Оба были учениками в раннем возрасте. Фарадей в возрасте 14 лет поступил в ученики к лондонскому переплетчику. Генри в возрасте 13 лет поступил в ученики к часовщику в Олбани, штат Нью-Йорк. В последующие годы Фарадей был назначен директором королевского учреждения в Лондоне, основанием которого в значительной степени обязан американец Бенджамин Томсон (граф Румфорд). Генри, с другой стороны, потому что секретарь Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия, который был найден благодаря пожертвованию англичанина Джеймса Смитсона.

Фарадей заметил, что если магнит перемещать к катушке с проволокой (соленоиду), соединенной последовательно с гальванометром, в токе возникает электрический ток. При перемещении магнита к соленоиду гальванометр показывает отклонение в одном направлении, а при удалении магнита от соленоида гальванометр показывает отклонение в противоположном направлении. Когда магнит неподвижен, в гальванометре нет отклонения. Аналогичные результаты получаются, когда магнит остается неподвижным, а катушка перемещается.При перемещении магнита отклонение в гальванометре велико, а при медленном перемещении — отклонение мало. Было также обнаружено, что если в непосредственной близости находятся две замкнутые цепи, одна из которых содержит батарею, а другая – гальванометр, и цепь батареи замыкается нажатием кнопки К, а затем размыкается, то гальванометр во вторичной цепи показывает отклонение сначала в одну сторону, а затем в другую.

Замечено, что в гальванометре не происходит отклонения, если ток в первичной цепи течет непрерывно. Отклонение в гальванометре производится только при включении или отключении тока в первичной цепи. Фарадей суммировал эти экспериментальные результаты в виде следующих законов:

  • 1: Всякий раз, когда происходит изменение магнитных силовых линий или магнитного потока, в цепи возникает индуцированный ток.
  • 2:Индуцированный ток или ЭДС существует только в течение того времени, в течение которого силовые линии или магнитный поток действительно изменяются.
  • 3: Величина индуцированной ЭДС зависит от скорости изменения магнитных силовых линий или магнитного потока.

На рисунке (1) показана катушка провода как часть цепи, содержащей амперметр. Обычно мы ожидаем, что амперметр не покажет ток в цепи, потому что электродвижущая сила отсутствует. Однако если мы подтолкнем стержневой магнит к катушке так, чтобы его северный полюс был обращен к катушке, произойдет замечательная вещь. Пока магнит движется, амперметр отклоняется, показывая, что в катушке установился ток. Если мы удерживаем магнит неподвижно относительно катушки, амперметр не отклоняется.Если мы отодвинем магнит от катушки, счетчик снова отклонится, но уже в другую сторону, а значит, ток в катушке будет противоположного направления. Если мы используем конец магнита с северным полюсом вместо конца с северным полюсом, эксперимент работает, как описано, но отклонения меняются на противоположные. Чем быстрее перемещается магнит, тем больше показания счетчика. Дальнейшие эксперименты показывают, что имеет значение относительное движение магнита и катушки. Нет никакой разницы, перемещаем ли мы магнит к катушке или катушку к магниту.

 формула закона индукции Фарадея

«ЭДС индукции в цепи равна отрицательному значению скорости, с которой магнитный поток через цепь меняется со временем». Математически это записывается как:

Объяснение:

Эксперимент Фарадея показал, и как помогает нам визуализировать техника линий поля Фарадея, именно изменение числа силовых линий, проходящих через петлю цепи, индуцирует ЭДС в петле. В частности, именно скорость изменения числа силовых линий, проходящих через петлю, определяет ЭДС индукции.

Чтобы сделать это утверждение количественным, мы вводим магнитный поток Φ B , который определяется как «Число магнитных силовых линий, проходящих нормально через определенную область, называется магнитным потоком». Он обозначается как Φ B. Это скалярная величина, и ее единицей СИ является Вебер (Вб). Он измеряется произведением напряженности магнитного поля на составляющую площади вектора, параллельную магнитному полю.Математически это представляется как:

Φ B = B.A

Φ B =BA cosθ

Где A — вектор, величина которого представляет собой площадь элемента и направление которого проходит по нормали к поверхности элемента, θ — угол между направлениями векторов B и A.

Когда магнит приближается к петле, стрелка амперметра отклоняется в одном направлении, как показано на рисунке (а). Когда магнит останавливается и удерживается неподвижно относительно фигуры петли (b), отклонения не наблюдается. При удалении магнита от петли игла отклоняется в противоположную сторону, как показано на рисунке (в). Наконец, если магнит удерживать неподвижно, а петлю перемещать либо к нему, либо от него, игла отклоняется. Из этих наблюдений мы делаем вывод, что петля обнаруживает, что магнит движется относительно нее, и связываем это обнаружение с изменением магнитного поля.Таким образом, кажется, что существует связь между текущим и изменяющимся магнитным полем.

Эти результаты весьма примечательны, учитывая тот факт, что ток устанавливается, даже если в цепи нет батарей. Мы называем такой ток индукционным током, который создается ЭДС индукции. Это явление называется электромагнитной индукцией.


На нашем веб-сайте есть и другие связанные темы:
1: Закон Ленца
2: Электромагнитная индукция
3: Трансформатор
4: Магнетизм
Внешние источники

  • https://en.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.