Электромагнитная индукция — это… Что такое Электромагнитная индукция?

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

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа^{[источник не указан 100 дней]} 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.

Закон Фарадея

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

 — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,

 — число витков,

 — магнитный поток через один виток,

 — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

(в системе СИ)

или

(в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

(СИ)

или

(СГС)

Здесь  — напряжённость электрического поля,  — магнитная индукция,  — произвольная поверхность,  — её граница. Контур интегрирования подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

• В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно) ^[1].

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

• Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год^[2] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)^[3]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
• Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определенных ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчета мы ее рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

(в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

История

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

1. ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде
   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
2. ↑ М. Лившиц Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
3. ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Явление электромагнитной индукции тока: суть, кто открыл

Явление электромагнитной индукции представляет собой феномен, который заключается в возникновении электродвижущей силы или напряжения в теле, находящемся в магнитном поле, которое постоянно изменяется. Электродвижущая сила в результате электромагнитной индукции также возникает, если тело движется в статическом и неоднородном магнитном поле или же вращается в магнитном поле так, что его линии, пересекающие замкнутый контур, изменяются.

Индуцированный электрический ток

Под понятием «индукция» подразумевается возникновение какого-либо процесса в результате воздействия другого процесса. Например, электрический ток может быть индуцирован, то есть может появиться в результате воздействия особым образом на проводник магнитного поля. Такой электрический ток называется индуцированным. Условия образования электрического тока в результате явления электромагнитной индукции рассматриваются далее в статье.

Понятие о магнитном поле

Прежде чем начать изучение явления электромагнитной индукции, необходимо разобраться, что представляет собой магнитное поле. Говоря простыми словами, под магнитным полем подразумевают область пространства, в которой магнитный материал проявляет свои магнитные эффекты и свойства. Эта область пространства может быть изображена с помощью линий, которые называются линиями магнитного поля. Количеством этих линий изображают физическую величину, которая называется магнитным потоком. Линии магнитного поля являются замкнутыми, они начинаются на северном полюсе магнита и заканчиваются на южном.

Магнитное поле обладает способностью воздействовать на любые материалы, обладающие магнитными свойствами, например, на железные проводники электрического тока. Это поле характеризуется магнитной индукцией, которая обозначается B и измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция в 1 Тл — это очень сильное магнитное поле, которое действует с силой в 1 ньютон на точечный заряд в 1 кулон, который пролетает перпендикулярно линиям магнитного поля со скоростью 1 м/с, то есть 1 Тл = 1 Н*с/(м*Кл).

Кто открыл явление электромагнитной индукции?

Электромагнитная индукция, на принципе работы которой основаны многие современные приборы, была открыта в начале 30-х годов XIX века. Открытие явления электромагнитной индукции принято приписывать Майклу Фарадею (дата открытия — 29 августа 1831 года). Ученый основывался на результатах опытов датского физика и химика Ханса Эрстеда, который обнаружил, что проводник, по которому течет электрический ток, создает магнитное поле вокруг себя, то есть начинает проявлять магнитные свойства.

Фарадей, в свою очередь, открыл противоположное обнаруженному Эрстедом явление. Он заметил, что изменяющееся магнитное поле, которое можно создать, меняя параметры электрического тока в проводнике, приводит к возникновению разности потенциалов на концах какого-либо проводника тока. Если эти концы соединить, например, через электрическую лампу, то по такой цепи потечет электрический ток.

В итоге Фарадей открыл физический процесс, в результате которого в проводнике появляется электрический ток из-за изменения магнитного поля, в чем и заключается явление электромагнитной индукции. При этом для образования индуцированного тока не важно, что движется: магнитное поле или сам проводник. Это можно легко показать, если провести соответствующий опыт по явлению электромагнитной индукции. Так, расположив магнит внутри металлической спирали, начинаем перемещать его. Если соединить концы спирали через какой-либо индикатор электрического тока в цепь, то можно увидеть появление тока. Теперь следует оставить магнит в покое и перемещать спираль вверх и вниз относительно магнита. Индикатор также покажет существование тока в цепи.

Эксперимент Фарадея

Опыты Фарадея заключались в работе с проводником и постоянным магнитом. Майкл Фарадей впервые обнаружил, что при перемещении проводника внутри магнитного поля на его концах возникает разность потенциалов. Перемещающийся проводник начинает пересекать линии магнитного поля, что моделирует эффект изменения этого поля.

Ученый обнаружил, что положительный и отрицательный знаки возникающей разности потенциалов зависят от того, в каком направлении движется проводник. Например, если проводник поднимать в магнитном поле, то возникающая разность потенциалов будет иметь полярность +-, если же опускать этот проводник, то мы уже получим полярность -+. Эти изменения знака потенциалов, разность которых называется электродвижущей силой (ЭДС), приводят к возникновению в замкнутом контуре переменного тока, то есть такого тока, который постоянно изменяет свое направление на противоположное.

Особенности электромагнитной индукции, открытой Фарадеем

Зная, кто открыл явление электромагнитной индукции и почему возникает индуцированный ток, объясним некоторые особенности этого явления. Так, чем быстрее перемещать проводник в магнитном поле, тем будет больше значение силы индуцированного тока в контуре. Еще одна особенность явления заключается в следующем: чем больше магнитная индукция поля, то есть чем сильнее это поле, тем большую разность потенциалов она сможет создать при перемещении проводника в поле. Если же проводник находится в покое в магнитном поле, никакого ЭДС в нем не возникает, поскольку нет никакого изменения в пересекающих проводник линиях магнитной индукции.

Направление электрического тока и правило левой руки

Чтобы определить направление в проводнике электрического тока, созданного в результате явления электромагнитной индукции, можно воспользоваться так называемым правилом левой руки. Его можно сформулировать следующим образом: если левую руку поставить так, чтобы линии магнитной индукции, которые начинаются на северном полюсе магнита, входили в ладонь, а оттопыренный большой палец направить по направлению перемещения проводника в поле магнита, тогда оставшиеся четыре пальца левой руки укажут направление движения индуцированного тока в проводнике.

Существует еще один вариант этого правила, он заключается в следующем: если указательный палец левой руки направить вдоль линий магнитной индукции, а оттопыренный большой палец направить по направлению движения проводника, тогда повернутый на 90 градусов к ладони средний палец укажет направление появившегося тока в проводнике.

Явление самоиндукции

Ханс Кристиан Эрстед открыл существование магнитного поля вокруг проводника или катушки с током. Также ученый установил, что характеристики этого поля прямым образом связаны с силой тока и его направлением. Если ток в катушке или проводнике будет переменным, то он породит магнитное поле, которое не будет стационарным, то есть будет меняться. В свою очередь это переменное поле приведет к возникновению индуцированного тока (явление электромагнитной индукции). Движение тока индукции будет всегда противоположно циркулирующему по проводнику переменному току, то есть будет оказывать сопротивление при каждом изменении направления тока в проводнике или катушке. Этот процесс получил название самоиндукции. Создаваемая при этом разность электрических потенциалов называется ЭДС самоиндукции.

Отметим, что явление самоиндукции возникает не только при изменении направления тока, но и при любом его изменении, например, при увеличении за счет уменьшения сопротивления в цепи.

Для физического описания сопротивления, оказываемого любому изменению тока в цепи за счет самоиндукции, ввели понятие индуктивности, которая измеряется в генри (в честь американского физика Джозефа Генри). Один генри — это такая индуктивность, для которой при изменении тока за 1 секунду на 1 ампер возникает ЭДС в процессе самоиндукции, равная 1 вольт.

Переменный ток

Когда катушка индуктивности начинает вращаться в магнитном поле, то в результате явления электромагнитной индукции она создает индуцированный ток. Этот электрический ток является переменным, то есть он систематически изменяет свое направление.

Переменный ток является наиболее распространенным, чем постоянный. Так, многие приборы, которые работают от центральной электрической сети, используют именно этот тип тока. Переменный ток легче индуцировать и транспортировать, чем постоянный. Как правило, частота бытового переменного тока составляет 50-60 Гц, то есть за 1 секунду его направление изменяется 50-60 раз.

Геометрическим изображением переменного тока является синусоидальная кривая, которая описывает зависимость напряжения от времени. Полный период синусоидальной кривой для бытового тока приблизительно равен 20 миллисекундам. По тепловому эффекту переменный ток аналогичен току постоянному, напряжение которого составляет U_max/√2, где U_max — максимальное напряжение на синусоидальной кривой переменного тока.

Использование электромагнитной индукции в технике

Открытие явления электромагнитной индукции произвело настоящий бум в развитии техники. До этого открытия люди были способны производить электричество в ограниченных количествах только с помощью электрических батарей.

В настоящее время это физическое явление используется в электрических трансформаторах, в обогревателях, которые индуцированный ток переводят в тепло, а также в электрических двигателях и генераторах автомобилей.

Электромагнитная индукция — Википедия

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле

[1]. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года^[2]. Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы 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.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

E=−dΦBdt,{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt},}

где

E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

ΦB{\displaystyle \Phi _{B}} =∬SB→⋅dS→{\displaystyle =\iint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot d{\vec {S}}} — магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

E=−NdΦBdt=−dΨdt,{\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}=-{{d\Psi } \over dt},}

где

E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — электродвижущая сила,

N{\displaystyle N} — число витков,

ΦB{\displaystyle \Phi _{B}} — магнитный поток через один виток,

Ψ{\displaystyle \Psi } — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

rotE→=−∂B→∂t{\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СИ)

или

rotE→=−1c∂B→∂t{\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{1 \over c}{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

∮∂S⁡E→⋅dl→=−∂∂t∫SB→⋅ds→{\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}}(СИ)

или

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

Здесь E→{\displaystyle {\vec {E}}} — напряжённость электрического поля, B→{\displaystyle {\vec {B}}} — магнитная индукция, S {\displaystyle S\ } — произвольная поверхность, ∂S{\displaystyle \partial S} — её граница. Контур интегрирования ∂S{\displaystyle \partial S} подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

• В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)^[3].

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство E=−dΦ/dt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к ∮⁡E→⋅dl→{\displaystyle \oint {\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}} (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула остаётся справедливой, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

• Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год^[4] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле E=−dΦ/dt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)^[5]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
• Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определённых ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединённым к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчёта, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчёта, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчёта мы её рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

E→=−∂A→∂t{\displaystyle {\vec {E}}=-{\partial {\vec {A}} \over \partial t}} (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

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

Подробнее

Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается через векторный потенциал так:

B→=rot A→≡∇×A→,{\displaystyle {\vec {B}}=rot\ {\vec {A}}\equiv \nabla \times {\vec {A}},}

то можно подставить это выражение в

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

получая

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

и, поменяв местами дифференцирование по времени и пространственным координатам (ротор):

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

Отсюда, поскольку ∇×E→{\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}} полностью определяется правой частью последнего уравнения, видно, что вихревая часть электрического поля (та часть, которая имеет ротор, в отличие от безвихревого поля ∇φ{\displaystyle \nabla \varphi }) полностью определяется выражением

−∂A→∂t.{\displaystyle -{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

То есть в случае отсутствия безвихревой части можно записать

E→=−∂A→∂t,{\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}},}

а в общем случае

E→=−∇φ−dA→dt.{\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\frac {d{\vec {A}}}{dt}}.}

История

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 году в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 года наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, состояла из кольца из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром. На каждой половине кольца было намотано много витков медной проволоки. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

1. ↑ Миллер М. А., Пермитин Г. В. Электромагнитная индукция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 537—538. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
2. ↑ Faraday, Michael. The philosopher’s tree: a selection of Michael Faraday’s writings / Michael Faraday, Day. — CRC Press, 1999-02-01. — P. 71. — ISBN 978-0-7503-0570-9.
3. ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде

   ∮∂S⁡E→⋅dl→=−∫S∂B→∂t⋅ds→{\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-\int _{S}{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}\cdot {\vec {ds}}}

   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
4. ↑ М. Лившиц. Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
5. ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Электромагнитная индукция — Википедия. Что такое Электромагнитная индукция

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле^[1]. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года^[2]. Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы 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.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

E=−dΦBdt,{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt},}

где

E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

ΦB{\displaystyle \Phi _{B}} =∬SB→⋅dS→{\displaystyle =\iint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot d{\vec {S}}} — магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

E=−NdΦBdt=−dΨdt,{\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}=-{{d\Psi } \over dt},}

где

E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — электродвижущая сила,

N{\displaystyle N} — число витков,

ΦB{\displaystyle \Phi _{B}} — магнитный поток через один виток,

Ψ{\displaystyle \Psi } — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

rotE→=−∂B→∂t{\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СИ)

или

rotE→=−1c∂B→∂t{\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{1 \over c}{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

∮∂S⁡E→⋅dl→=−∂∂t∫SB→⋅ds→{\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}}(СИ)

или

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

Здесь E→{\displaystyle {\vec {E}}} — напряжённость электрического поля, B→{\displaystyle {\vec {B}}} — магнитная индукция, S {\displaystyle S\ } — произвольная поверхность, ∂S{\displaystyle \partial S} — её граница. Контур интегрирования ∂S{\displaystyle \partial S} подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

• В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)^[3].

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство E=−dΦ/dt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к ∮⁡E→⋅dl→{\displaystyle \oint {\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}} (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула остаётся справедливой, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

• Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год^[4] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле E=−dΦ/dt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)^[5]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
• Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определённых ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединённым к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчёта, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчёта, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчёта мы её рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

E→=−∂A→∂t{\displaystyle {\vec {E}}=-{\partial {\vec {A}} \over \partial t}} (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

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

Подробнее

Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается через векторный потенциал так:

B→=rot A→≡∇×A→,{\displaystyle {\vec {B}}=rot\ {\vec {A}}\equiv \nabla \times {\vec {A}},}

то можно подставить это выражение в

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

получая

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

и, поменяв местами дифференцирование по времени и пространственным координатам (ротор):

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

Отсюда, поскольку ∇×E→{\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}} полностью определяется правой частью последнего уравнения, видно, что вихревая часть электрического поля (та часть, которая имеет ротор, в отличие от безвихревого поля ∇φ{\displaystyle \nabla \varphi }) полностью определяется выражением

−∂A→∂t.{\displaystyle -{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

То есть в случае отсутствия безвихревой части можно записать

E→=−∂A→∂t,{\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}},}

а в общем случае

E→=−∇φ−dA→dt.{\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\frac {d{\vec {A}}}{dt}}.}

История

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 году в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 года наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, состояла из кольца из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром. На каждой половине кольца было намотано много витков медной проволоки. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

1. ↑ Миллер М. А., Пермитин Г. В. Электромагнитная индукция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 537—538. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
2. ↑ Faraday, Michael. The philosopher’s tree: a selection of Michael Faraday’s writings / Michael Faraday, Day. — CRC Press, 1999-02-01. — P. 71. — ISBN 978-0-7503-0570-9.
3. ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде

   ∮∂S⁡E→⋅dl→=−∫S∂B→∂t⋅ds→{\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-\int _{S}{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}\cdot {\vec {ds}}}

   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
4. ↑ М. Лившиц. Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
5. ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Электромагнитная индукция

Если электрический ток создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Первым нашел ответ на этот вопрос Майкл Фарадей.

В 1831 г. он обнаружил, что в проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который назвали индукционным током.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки, а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку. Индукционный ток также возникает при движении контура в постоянном магнитном поле.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или возникновении ЭДС индукции. Для определения ЭДС индукции введем физическую величину – магнитный поток.

Закон электромагнитной индукции

Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается следующим образом:

.

Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из n одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в n раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре:

На основе закона электромагнитной индукции в Международной системе единиц определяются единицы магнитного потока и индукции магнитного поля. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В:

Для однородного магнитного поля на основании формулы следует, что его магнитная индукция равна 1 Тл, если магнитный поток через контур площадью 1 м² равен 1 Вб:

Возникновение электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, на свободные электрические заряды в контуре действуют силы. Провод контура неподвижен, неподвижными можно считать свободные электрические заряды в нем. На неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле. Следовательно, при любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в контуре, создавая индукционный электрический ток. Электрическое поле, возникающее при изменениях магнитного поля, называют вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого поля по перемещению электрических зарядов и является работой сторонних сил, т. е. источником ЭДС индукции. При перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника она численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического тем, что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.

Рассмотрим причину возникновения ЭДС индукции в проводниках, движущих в неизменном магнитном поле. В этом случае магнитный поток через контур меняется за счет движения проводников контура. Причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.

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.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. Максвелл

ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество.

Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.

Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон — в Женеве.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет.

Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:

— Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон.

И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение — он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.

Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.

Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки — все было в порядке.

Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо — во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле!

Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?

Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера — связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?

На следующий день, 30 августа, — новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.

Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.

23 сентября он пишет своему другу Р.Филиппсу:

«Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».

К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно.

Следующий эксперимент — 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу — к двум обмоткам: одной с током, другой — подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом — отсутствие стального кольца — сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее.

Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.

Эксперимент триумфальный — 17 октября.

Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.

«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».

Секрет — в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!

Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!

28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой — на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу — настолько была истощена его нервная система…

Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения…

Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект — «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность.

Фарадея тоже поначалу смущала мимолетность эффекта, но он больше доверял фактам, чем теориям, и в конце концов пришел к закону электромагнитной индукции. Этот закон казался тогда физикам ущербным, уродливым, странным, лишенным внутренней логики.

Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?

Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.

Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.

Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.

Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко— и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >