Электромагнитную индукцию открыл: в каком году, что позволило создать

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.

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

Явление электромагнитной индукции открыл в 1831 году. Магнитная индукция

1.3. ОТКРЫТИЕ НОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА Одним из первых, кто, познакомившись с книгой В. Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был известный изобретатель воздушного насоса и опыта с полушариями магдебургский бургомистр Отто фон Герике

автора Шнейберг Ян Абрамович

2.4. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Наибольший интерес из всех работ В.В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого

Из книги автора

2.6. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов . В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770–1831 гг.), занимаясь

Из книги автора

3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и

Из книги автора

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации Открытие действия «электрического конфликта» на магнитную стрелкуВ июне 1820 г. в Копенгагене была издана на латинском языке небольшая брошюра


В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.
Открытие Фарадея
Не случайно первый и самый важный 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. Вскоре после открытия Эрстеда он писал: «…представляется весьма необычным, чтобы, с одной стороны, всякий электрический ток сопровождался магнитным действием соответствующей интенсивности, направленным под прямым углом к току, и чтобы в то же время в хороших проводниках электричества, помещенных в сферу этого действия, совсем не индуцировался ток, не возникало какое-либо ощутимое действие, эквивалентное по силе такому току». Упорный труд в течение десяти лет и вера в успех привели Фарадея к открытию, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальва-нические элементы, аккумуляторы, термо- и фотоэлементы — дают ничтожную долю вырабатываемой электрической энер-гии.)
Долгое время взаимосвязь электрических и магнитных 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. Редкий случай, когда столь точно известна дата нового замечательного открытия. Вот краткое 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 хлоп-чатобумажной 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, несмо- Рис. 5.1
тря 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. 5.1). 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. 5.2). В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существен- ные особенности явления электромагнитной индукции. Оста-валось 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. 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, прони-зывающих 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. 5.3).
Фарадей не только открыл явление, но и первым сконструировал несовершенную пока еще модель генератора электрического тока, превращающего механическую энергию вращения в ток. Это был массивный медный диск, вращающийся между полюсами сильного магнита (рис. 5.4). Присоединив ось и край диска к гальванометру, Фарадей обнаружил откло-
В
\

\
\
\
\
\
\
\L

S нение стрелки. Ток был, правда, слаб, но найденный принцип позволил впоследствии построить мощные генераторы. Без них электричество и по сей день было бы мало кому доступной роскошью.
В проводящем замкнутом контуре возникает электрический ток, если контур находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном во времени поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Новый период в развитии физической науки начинается с гениального открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Именно в этом открытии ярко проявилась способность науки обогащать технику новыми идеями. Уже сам Фарадей предвидел на основе своего открытия существование электромагнитных волн. 12 марта 1832 г. он запечатал конверт с надписью «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». Этот конверт был вскрыт в 1938 г. Оказалось, что Фарадей вполне ясно представлял, что индукционные действия распространяются с конечной скоростью волновым способом. «Я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции»,- писал Фарадей. При этом он указывал, что «на распространение магнитного воздействия требуется время, т. е. при воздействии 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 колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха».

Фарадей понимал всю важность своей идеи и, не имея возможности проверить ее экспериментально, решил с помощью этого конверта «закрепить открытие за собой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой своего открытия». Итак, 12 марта 1832 г. человечество впервые пришло к идее существования электромагнитных волн. С этой даты начинается история открытия радио.

Но открытие Фарадея имело важное значение не только в истории техники. Оно оказало огромное влияние и на развитие научного миропонимания. С этого открытия в физику входит новый объект — физическое поле. Таким образом, открытие Фарадея принадлежит к тем фундаментальным научным открытиям, которые оставляют заметный след во всей истории человеческой культуры.

Сын лондонского кузнеца переплетчик родился в Лондоне 22 сентября 1791 г. Гениальный самоучка не имел возможности даже закончить начальную школу и проложил путь в науку сам. Во время учения переплетному делу он читал книги, в особенности по химии, сам проделывал химические опыты. Слушая публичные лекции знаменитого химика Дэви, он окончательно убедился в том, что его призвание — наука, и обратился к нему с просьбой принять на работу в Королевский институт. С 1813 г., когда Фарадей был принят в институт лаборантом, и до самой смерти (25 августа 1867 г.) он жил наукой. Уже в 1821 г., когда Фарадей получил электромагнитное вращение, он поставил своей целью «превратить магнетизм в электричество». Десять лет поисков и напряженного труда увенчались открытием 29 августа 1871 г. электромагнитной индукции.

«Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были изолированы в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами. При замыкании контакта наблюдалось временное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей». Так описал Фарадей свои первый опыт по индукции токов. Он назвал этот вид индукции вольта-электрической индукцией. Далее он описывает свой основной опыт с железным кольцом — прототипом современного трансформатора.

«Из круглого брускового мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи восьмым дюйма, а наружный диаметр кольца — шести дюймам. На одну часть этого кольца были намотаны три спирали содержащие каждая около двадцати четырех футов медной проволоки, толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга…, занимая приблизительно девять дюймов по длине кольца Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А. На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, которая образовывала спираль В, имевшую одинаковое направление со спиралями А, но отделенную от них на каждом конце на протяжении приблизительно полудюйма голым железом.

Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенном на расстоянии трех футов от железа. Отдельные спирали соединялись концы с концами так, что образовывали общую спираль, концы которой соединялись с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, и притом значительно сильнее чем это наблюдалось, как описано выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью, но без железа; однако, несмотря на сохранение контакта, действие прекращалось. При размыкании контакта с батареей стрелка снова сильно отклонялась, но в направлении, противоположном тому, которое индуцировалось в первом случае».

Фарадей исследовал далее непосредственным опытом влияние железа, внося внутрь полой катушки железный стержень, в этом случае «индуцированный ток оказывал на гальванометр очень сильное действие». «Подобное действие было затем получено при помощи обыкновенных магнитов «. Фарадей назвал это действие магнитоэлектрической индукцией, полагая, что природа вольта-электрической и магнитоэлектрической индукции одинакова.

Все описанные опыты составляют содержание первого и второго разделов классического труда Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству», начатого 24 ноября 1831 г. В третьем разделе этой серии «О новом электрическом состоянии материи» Фарадей впервые пытается описать новые свойства тел, проявляемые в электромагнитной индукции. Он называет это обнаруженное им свойство «электротоническим состоянием». Это первый зародыш идеи поля, сформировавшейся позднее у Фарадея и впервые точно сформулированной Максвеллом. Четвертый раздел первой серии посвящен объяснению явления Араго. Фарадей правильно причисляет это явление к индукционным и пытается с помощью этого явления «получить новый источник электричества». При движении медного диска между полюсами магнита он получил ток в гальванометре при помощи скользящих контактов. Это была первая динамомашина. Фарадей резюмирует результаты своих опытов следующими словами: «Этим было показано, таким образом, что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенного магнита». Из своих опытов по индукции в движущихся проводниках Фарадей вывел зависимость между полюсностью магнита, движущимся проводником и направлением индуцированного тока, т. е. «закон, управляющий получением электричества посредством магнитоэлектрической индукции». В результате своих исследований Фарадей установил, что «способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается» * .

* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 57. )

Другими словами, вокруг переменного магнитного потока возникает вихревое электрическое поле, подобно тому как вокруг электрического тока возникает вихревое магнитное поле. Этот фундаментальный факт был обобщен Максвеллом в виде его двух уравнений электромагнитного поля.

Изучению явлений электромагнитной индукции, в особенности индукционного действия магнитного поля Земли, посвящена также вторая серия «Исследований», начатая 12 января 1832 г. Третью серию, начатую 10 января 1833 г., Фарадей посвящает доказательству тождества различных видов электричества: электростатического, гальванического, животного, магнитоэлектрического (т. е. получаемого посредством электромагнитной индукции). Фарадей приходит к выводу, что электричество, получаемое различными способами, качественно одинаково, разница в действиях только количественная. Этим был нанесен последний удар концепции различных «флюидов» смоляного и стеклянного электричества, гальванизма, животного электричества. Электричество оказалось единой, но полярной сущностью.

Весьма важна пятая серия «Исследований» Фарадея, начатая 18 июня 1833 г. Здесь Фарадей начинает свои исследования электролиза, приведшие его к установлению знаменитых законов, носящих его имя. Исследования эти были продолжены в седьмой серии, начатой 9 января 1834 г. В этой последней серии Фарадей предлагает новую терминологию: полюса, подводящие ток в электролит, он предлагает называть электродами, положительный электрод называть анодом, а отрицательный — катодом, частицы отлагаемого вещества, идущие к аноду он называет анионами, а частицы, идущие к катоду,- катионами . Далее, ему принадлежат термины электролит для разлагаемых веществ, ионы и электрохимические эквиваленты. Все эти термины прочно удержались в науке. Фарадей делает правильный вывод из найденных им законов, что можно говорить о каком-то абсолютном количестве электричества, связанном с атомами обычной материи. «Хотя мы ничего не знаем о том, что такое атом,- пишет Фарадей,- но мы невольно представляем себе какую-то малую частичку, которая является нашему уму, когда мы о ней думаем; правда, в таком же или в еще большем неведении мы находимся относительно электричества, мы даже не в состоянии сказать, представляет ли оно собою особую материю или материи, или же просто движение обыкновенного вещества, или еще вид какой-то силы или агента; тем не менее имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, а в том числе своим химическим сродством друг к другу» * .

* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 335. )

Таким образом, Фарадей отчетливо высказал идею «электрификации» материи, атомного строения электричества, причем атом электричества, или, как выражается Фарадей, «абсолютное количество электричества», оказывается «столь же определенным по своему действию, как любое из тех количеств, которые, оставаясь связанными с частицами материи, сообщают им их химическое сродство». Элементарный электрический заряд, как показало дальнейшее развитие физики, действительно может быть определен из законов Фарадея.

Весьма важное значение имела девятая серия «Исследований» Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции, об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что «экстраток тождествен с… индуцированным током» * . В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции. В одиннадцатой серии своих исследований, начатой 30 ноября 1837 г., он утверждает: «Индукция играет самую общую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по-видимому, в каждом из них, и носит в действительности черты первейшего и существенного начала» ** . В частности, по мнению Фарадея, всякий процесс зарядки есть процесс индукции, смещения противоположных зарядов: «вещества не могут быть заряжены абсолютно, а только относительно, по закону, тождественному с индукцией. Всякий заряд поддерживается индукцией. Все явления напряжения включают начало индукций» *** . Смысл этих утверждений Фарадея тот, что всякое электрическое поле («явление напряжения» — по терминологии Фарадея) обязательно сопровождается индукционным процессом в среде («смещением» — по позднейшей терминологии Максвелла). Этот процесс определяется свойствами среды, ее «индуктивной способностью», по терминологии Фарадея, или «диэлектрической проницаемостью», по современной терминологии. Фарадей опытом со сферическим конденсатором определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ по отношению к воздуху. Эти эксперименты укрепили Фарадея в мысли о существенной роли среды в электромагнитных процессах.

* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 445. )

** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 478. )

*** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 487. )

Закон электромагнитной индукции был существенно развит русским физиком Петербургской Академии Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). 29 ноября 1833 г. Ленц доложил Академии наук свое исследование «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Ленц показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами Ампера. «Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: 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» * .

* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 148-149. )

Этот принцип Ленца раскрывает энергетику индукционных процессов и сыграл важную роль в работах Гельмгольца по установлению закона сохранения энергии. Сам Ленц из своего правила вывел хорошо известный в электротехнике принцип обратимости электромагнитных машин: если вращать катушку между полюсами магнита, она генерирует ток; наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Электродвигатель можно обратить в генератор и наоборот. Изучая действие магнитоэлектрических машин, Ленц открывает в 1847 г. реакцию якоря.

В 1842-1843 гг. Ленц произвел классическое исследование «О законах выделения тепла гальваническим током» (доложено 2 декабря 1842 г., опубликовано в 1843 г.), начатое им задолго до аналогичных опытов Джоуля (сообщение Джоуля появилось в октябре 1841 г.) и продолженное им несмотря на публикацию Джоуля, «так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это было уже показано нашим коллегой г-ном акад. Гессом» * . Ленц измеряет величину тока с помощью тангенс-буссоли — прибора, изобретенного гельсингфорским профессором Иоганном Нервандером (1805-1848), и в первой части своего сообщения исследует этот прибор. Во второй части «Выделение тепла в проволоках», доложенной 11 августа 1843 г., он приходит к своему знаменитому закону:

    »
  1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.
  2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока» ** .

* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 361. )

** (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 441. )

Закон Джоуля — Ленца сыграл важную роль в установлении закона сохранения энергии. Все развитие науки об электрических и магнитных явлениях подводило к идее единства сил природы, к идее сохранения этих «сил».

Почти одновременно с Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797-1878). Генри изготовил большой электромагнит (1828), который, питаясь от гальванического элемента с малым сопротивлением, поддерживал груз в 2000 фунтов. Об этом электромагните упоминает Фарадей и указывает, что с его помощью можно при размыкании получить сильную искру.

Генри впервые (1832) наблюдал явление самоиндукции, и его приоритет отмечен наименованием единицы самоиндукции «генри».

В 1842 г. Генри установил колебательный характер разряда лейденской банки. Тонкая стеклянная игла, с помощью которой он исследовал это явление, намагничивалась с различной полярностью, тогда как направление разряда оставалось неизменным. «Разряд, какова бы ни была его природа,- заключает Генри,- не представляется (пользуясь теорией Франклина.- П. К.) единичным переносом невесомого флюида с одной обкладки на другую; обнаруженное явление заставляет нас допустить существование главного разряда в одном направлении, а затем несколько странных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающееся до тех пор, пока не наступит равновесие».

Индукционные явления становятся ведущей темой в физических исследованиях. В 1845 г. немецкий физик Франц Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона индукции, обобщив исследования Фарадея и Ленца.

Электродвижущая сила индукции выражалась у Неймана в виде производной по времени от некоторой функции, индуцирующей ток, и взаимной конфигурации взаимодействующих токов. Эту функцию Нейман назвал электродинамическим потенциалом. Он нашел также выражение для коэффициента взаимной индукции. В своем сочинении «О сохранении силы» в 1847 г. Гельмгольц выводит неймановское выражение для закона электромагнитной индукции из энергетических соображений. В этом же сочинении Гельмгольц утверждает, что разряд конденсатора представляет собой «не… простое движение электричества в одном направлении, но… течение его то в одну, то в другую сторону между двух обкладок в виде колебаний, которые делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммою сопротивлений».

В 1853 г. Уильям Томсон (1824-1907) дал математическую теорию колебательного разряда конденсатора и установил зависимость периода колебаний от параметров колебательного контура (формула Томсона).

В 1858 г. П. Блазерна (1836-1918) снял экспериментально резонансную кривую электрических колебаний, изучая действие индуцирующего разрядкой контура, содержащего батарею конденсаторов и замыкающий проводники на побочный контур, с переменной длиной индуцируемого проводника. В том же 1858 г. Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал искровой разряд лейденской банки во вращающемся зеркале, а в 1862 г. он сфотографировал изображение искрового разряда во вращающемся зеркале. Тем самым колебательный характер разряда был установлен с полной очевидностью. Вместе с тем экспериментально была проверена формула Томсона. Так шаг за шагом создавалось учение об электрических колебаниях, составляющее научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.

В начале 19-го века учёным М.Фарадеем при проведении опытов с проводящими материалами был открыт интересный феномен, который заключался в следующем. При размещении в магнитном поле проводящей рамки наблюдалось протекание тока в ней, величина которого возрастала по мере увеличения скорости её перемещения. Этот эффект был назван явлением электромагнитной индукции, а создаваемое проводником собственное поле – индуцированным.

Таким образом, явление электромагнитной индукции наблюдается всегда, когда замкнутый на нагрузку проводник перемещается во внешнем магнитном поле. Аналогичное явление можно было наблюдать, если оставить рамку неподвижной, а изменять величину внешнего магнитного поля электромагнитной индукции (подносить постоянный магнит к рамке или отодвигать его).

Обоснование явления

В качестве теоретического обоснования того, в чем состоит явление электромагнитной индукции, открывшим его учёным М.Фарадеем была предложена следующая трактовка:

  • При размещении рамки в поле магнита её начинают пронизывать линии, перпендикулярные её плоскости или направленные под определённым углом к ней;
  • При её вращении число этих линий или напряжённость магнитного поля (его поток) изменяется, что приводит к появлению ЭДС на концах проводника;
  • Величина этой силы прямо пропорциональна скорости перемещения проводящей рамки, а знак определяется направлением её вращения.

Изменять напряженность поля допускается и при неподвижной рамке, но для получения того же эффекта в этом случае придётся перемещать около неё сам магнит.

Для количественного представления открытого явления и оценке действующей магнитной силы учёным было введено понятие потока через заданную поверхность с общей площадью S. Оно вычисляется следующим образом:

Обратите внимание! Вектор индукции магнитного поля всегда совпадает по направлению с указателем стрелки компаса, помещённого между полюсами.

Для оценки величины индукции «В» введена специальная единица измерения, имеющая в системе СИ наименование Тесла (по фамилии знаменитого естествоиспытателя). На основании всех приведённых ранее выкладок индукция определяется таким образом:

Сравните её с приведённой выше формулой.

Направление действия магнитного поля

Согласно проверенному на практике правилу (его называют правилом буравчика), определить направление действия вектора поля можно очень просто, если воспользоваться следующим простым пояснением.

Если вворачивать мнимый буравчик в сторону протекания тока в проводе, то вращающий импульс укажет искомое направление (эту закономерность называют иногда правилом «правой руки»).

Для данного эффекта справедливо и обратное утверждение: если правой рукой вращать буравчик в сторону действия магнитного потока, то вектор его вворачивания укажет направление потока электронов, который инициируется этим полем.

Ещё одна трактовка этой закономерности касается определения вектора силовых линий индуцированного током поля в соленоиде (обычной катушке с намотанной на сердечнике обмоткой). Это правило, подобно предыдущим, может быть представлено следующим образом.

Если сердечник обхватывается правой кистью так, чтобы пальцы ладони были направлены в сторону перемещения потока электронов, то большой палец укажет на вектор действия поля внутри катушки.

Общие положения

Помимо того, что в замкнутой рамке или проводнике при изменении магнитного потока появляется ЭДС, учёными был обнаружен ещё один эффект. Последний проявляется в том, что протекающий в рамке (витке) ток порождает собственное э/м поле, действующее в направлении, противоположном порождающему его полевому образованию. Это явление впервые было открыто российским учёным Э. X. Ленцем (1804-1865), предложившим ему следующую трактовку:

  • Под действием поля магнита в витке провода возникает так называемый «наведённый» ток;
  • Сила индукционного тока и его направление определяются согласно рассмотренным выше правилам;
  • Создаваемое током собственное магнитное поле, линии которого действуют через очерченную контуром или витком поверхность, всегда препятствует изменению породившего его поля.

Важно! Полученное в эксперименте явление было названо законом Ленца, являющегося прекрасным подтверждением принципа сохранения энергии.

Простыми словами открытие Ленца описывается следующим образом:

  • При перемещении рамки определённой длины в магнитном поле с фиксированной индукцией на её провод воздействует ЭДС, которая разделяет подвижные электрические заряды;
  • Вследствие этого в рамочном проводнике образуется рассчитываемая по закону Максвелла электродвижущая сила индукционного тока;
  • Протекающий под её воздействием ток вызывает появление ещё одной ЭДС, направленной в противоположном направлении. При этом она препятствует изменению вызвавшего её тока.

Описанному выше явлению и было присвоено название самоиндукции, в простейшем выражении состоящей в появлении дополнительного поля.

Основные величины и наименования измеряемых единиц

Наведённый в витках катушки магнитный поток пронизывает её строго перпендикулярно и имеет величину, пропорциональную силе тока в ней. Величину, выражаемую как отношение потока поля к силе тока в исследуемом контуре, принято называть его индуктивностью.

За её единицу в классической системе СИ договорились принимать 1 генри. Иными словами, 1 Гн представляет собой индуктивность такого витка или обмотки, в которых при изменении тока на 1 Ампер за 1 секунду наводится ЭДС самоиндукции, по своей величине равная одному Вольту.

В последующие за открытиями М. Максвелла и Х. Ленца годы учёными предпринималось множество попыток объяснения всей совокупности обнаруженных э\м явлений и получения единой теории поля.

Общая теория электромагнитного поля

Фундаментальные основания

По итогам проведённых исследований Дж. Максвеллом было сформулировано следующее основополагающее предположение, позволяющее разобраться с тем, в чем заключается явление электромагнитной индукции:

  • Изменение во времени параметров магнитного поля порождает соответствующий этим переменам электрический полевой эффект;
  • Такое образование имеет структуру, отличную от электростатического поля, создаваемого неподвижными зарядами;
  • Линии напряженности порождённого током электрического образования (подобно тем же характеристикам для всех известных полей) являются замкнутыми;

Обратите внимание! В ряде источников это поле называют «вихревым», что при изучении материала не так важно для понимания его истинной сути.

  • Оно воздействует на свободные электрические заряды подобно электростатическому полю, а сила индукционного тока в нём зависит от показателя напряжённости (E).

Работа, производимая силами в вихревом поле

В отличие от всех других электрических полевых образований, работа такого поля на всём протяжении замкнутого контура из проводников не равна нулю. Она имеет вполне конкретное положительное значение, вследствие чего его принято относить к потенциальным полевым структурам.

Величина такой работы в простейшем случае может быть представлена как результат действия наведённой в замкнутом контуре ЭДС.

В заключение несколько слов о значимости рассмотренных выше открытий, позволяющих понять, что такое электромагнитная индукция. Рассмотренные феномены и явления широко применяются в практической электротехнике и позволяют изготавливать такие полезные для любого человека приборы, какими являются электродвигатели, генераторы и трансформаторы. Этот перечень может быть дополнен большим количеством наименований агрегатов и приборов, работающих за счёт рассмотренных ранее эффектов.

Видео

Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1831 г.

Для демонстрации этого явления возьмем неподвижный магнит и проволочную катушка, концы которой соединим с гальванометром. Если катушку приблизить к одному из полюсов магнита, то во время движения стрелка гальванометра отклоняется – в катушке возбуждается электрический ток. При движении катушки в обратном направлении направление тока меняется на противоположное. То же самое происходит, если повернуть магнит на 180 градусов, не меняя направления движения катушки.

Возбуждение электрического тока при движении проводника в магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающий при движении проводника.

Рассмотрим случай, когда два параллельных провода АВ и CD замкнуты, справа – разомкнуты. Вдоль проводов может свободно скользить проводящий мостик BC. Когда мостик движется вправо со скоростью v, вместе с ним движутся электроны и положительные ионы. На каждый движущий заряд в магнитном поле действует сила Лоренца . На положительные ион она действует вниз, на отрицательные вверх. В результате электроны начнут перемещаться по мостику вверх, т.е. по нему потечет электрический ток, направленный вниз. Перераспределившись заряды создадут электрическое поле, которое возбудит токи и в остальных участках контура ABCD.

Сила Лоренца F в опыте играет роль сторонней силы, возбуждающей электрический ток.

02. Электродвижущая сила индукции (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока.

Знак минус поставлен потому, что стороннее поле направлено против положительного обхода контура.

Величина lv есть приращение площади контура ABCD в единицу времени, или скорость приращении этой площади. Поэтому равна

Основной закон электромагнитной индукции.(Дифференциальная форма закона электромагнитной индукции)

При движении замкнутого провода в магнитном поле в нем возбуждается электродвижущая сила, пропорциональная скорости приращения магнитного потока, пронизывающего контур провода.

03. Правило Ленца (принцип Ле Шателье)

Индукционный ток всегда имеет такой направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающий этот ток.

Возьмем в магнитном поле замкнутый проволочный виток, положительное направление обхода которого составляет с направлением поля правовинтовую систему. Допустим, что магнитный поток Ф возрастает. Тогда, согласно формуле
, величина будет отрицательна, а индукционный ток в витке потечет в отрицательном направлении. Такой ток, ослабляя внешнее магнитное поле, будет препятствовать возрастанию магнитного потока.

Пусть теперь магнитный поток Ф убывает. Тогда величина станет положительной, а индукционный ток в витке потечет в положительном направлении и будет препятствовать убыванию магнитного поля и магнитного потока.

04. Индуктивность проводов.

Рассмотрим тонкий замкнутый провод, по которому течет постоянный ток I. Внутри провода параллельно его оси проведем произвольный замкнутый математический контур s и установим на нем положительное направление. Если в пространстве нет ферримагнитных тел, то величина B(магнитное поле тока) и Ф(магнитный поток) будут пропорционально току.

здесь — сила тока в гауссовской системе единиц, а — сила тока в системе СГСМ.

    Самоиндукция, или коэффициент самоиндукции провода. Он не зависит от силы тока, определяется только размерами и конфигурацией самого провода.

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

Открытый урок «Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Закон Ленца»

Задачи урока:

  • изучить явление электромагнитной индукции и условия его возникновения;
  • рассмотреть историю вопроса о связи магнитного поля и электрического;
  • показать причинно-следственные связи при наблюдении явления электромагнитной индукции, раскрыть отношения явления и его сущности при постановке опытов;
  • продолжить формирование изменений, наблюдать, выделять главное, объяснять увиденное.

Оборудование: разборный школьный трансформатор, гальванометр, постоянный магнит, аккумулятор, источник переменного тока, реостат, ключ, замкнутый виток с низковольтной лампой, соединительные провода, стержень с двумя алюминиевыми кольцами на концах, одно из которых сплошное, другое с разрезом, портрет М. Фарадея, телевизор, в/ф «Явление электромагнитной индукции», карточки-задания, кроссворды, ребус, криптограмма, оборудование для опытов.

I. Оргмомент.

II. Мотивация учебной деятельности

Учитель. Мы с вами прошли тему «Электромагнетизм». Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле, будет совершенствовать умения объяснять магнитные явления. Раскроем особенные и общие черты магнитного и электрического полей, проведем контроль знаний, продолжим формирование умений наблюдать, обобщать, синтезировать изученное.

III. Практическая работа -КМД-

Класс делится на 4 группы. Они работают так:

Первая группа – пишет физический диктант. (Приложение 1.)
Вторая группа – решает кроссворд. (Приложение 2.)
Третья группа – решает качественные задачи. (Приложение 3. )

И получают баллы за каждую работу. Потом обмениваются между собой заданиями.

Четвертая группа – четверо играют в карты.

Пока они готовятся, желающие получить жетоны, правильно отвечают на поставленные вопросы:

– В каком месте Земли магнитная стрелка обоими концами показывает на юг? (На северном географическом полюсе)

– Если поднести несколько раз к часам сильный магнит, то показания часов будут неправильными. Как объяснить это? (Стальная пружина и другие стальные детали часов, намагничиваясь, взаимодействуют друг с другом, вследствие чего правильный ход часов нарушается)

– Где ошибка?

– Правильно ли указано направление тока?

Учитель. А вот, что написал о магнитных явлениях Д.И. Менделеев, мы сможем сказать, если расшифруем, что здесь написано. (Приложение 3). К доске идет…

Решение задач.

IV. Изучение нового материала

Учитель. Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей? Впервые явление, вызванное переменным магнитным полем, наблюдал в 1831году М.Фарадей. Он решал ПРОБЛЕМУ: может ли магнитное поле вызвать появление электрического тока в проводнике? А теперь посмотрим опыты и послушаем объяснение их.

По итогам зачета объявляются оценки и комментируются.

Учитель. А сейчас переходим к изучению новой темы. Цель урока мы узнаем, если разгадаем ребус. (Приложение 2) Да, да! Именно эти слова записал Майкл Фарадей в своем дневнике в 1822 году. «Превратить магнетизм в электричество». После открытия Эрстедом в 1820 году магнитного поля, было установлено, что магнитное поле и эл.ток всегда существуют одновременно. Фарадей, зная о тесной связи между током и магнитном полем, был уверен, что с помощью магнитного поля можно создать в замкнутом проводнике эл.ток. Он провёл многочисленные опыты и доказал это, открыв в 1831году явление электромагнитной индукции.
С биографией М.Фарадея нас познакомит студент …

V. Демонстрация опытов Фарадея.

Учитель. Рассмотрим опыты Фарадея, с помощью которых он открыл явление электромагнитной индукции.

1. Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром (рис. 1), и будем вдвигать в него постоянный магнит. Оказывается, что при движении магнита стрелка гальванометра отклоняется. Если же магнит останавливается, то стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. То же самое получается при выдвижении магнита из соленоида или при надевании соленоида на неподвижный магнит. Такие опыты показывают, что индукционный ток возникает в соленоиде только при относительном перемещении соленоида и магнита.

Рис. 1

2. Будем опускать в соленоид В катушку с током А (рис. 2). Оказывается, что и в этом случае в соленоиде В возникает индукционный ток только при относительном перемещении соленоида В и катушки А.

Рис. 2

3. Вставим катушку А в соленоид В и закрепим их неподвижно (рис. 3). При этом тока в соленоиде нет. Но в моменты замыкания или размыкания цепи катушки А в соленоиде В появляется индукционный ток. То же самое

Рис. 3

Рис. 4

получается в моменты усиления или ослабления тока в катушке А с помощью изменения сопротивления R.
В дальнейшем цепь катушки А, соединенную с источником электрической энергии, будем называть первичной, а цепь соленоида В, в которой возникает индукционный ток, – вторичной. Эти же названия будем применять и к самим катушкам.

4. Включим первичную катушку в сеть переменного тока, а вторичную катушку соединим с лампой накаливания (рис. 4). Оказывается, лампа непрерывно горит, пока в первичной катушке течет переменный ток.
Нетрудно заметить, что общим для всех описанных опытов является изменение магнитного поля в соленоиде, которое и создает в нем индукционный ток.
Выясним теперь, всякое ли изменение магнитного поля вокруг замкнутого контура наводит в нем индукционный ток. Возьмем плоский контур в виде рамки, соединенной с гальванометром. Поместим рядом с рамкой магнит так, чтобы его линии индукции не проходили внутри рамки, а находились в ее плоскости (рис. 5а).

Рис. 5

Оказывается, что при перемещении рамки или магнита вдоль плоскости рисунка стрелка гальванометра не отклоняется. Если же рамку поворачивать вокруг оси 00′ (рис. 5б), то в ней возникает индукционный ток.

На основании описанных опытов можно сделать следующий вывод: индукционный ток (и э. д. с. индукции) в замкнутом контуре появляется только в том случае, когда изменяется магнитный поток, который проводит через площадь, охваченную контуром.
С помощью этого явления может получится эл. ток практически любой мощности, а это позволяет широко использовать эл. энергию в промышленности. Получается она в основном с помощью индукционных генераторов, принцип работы которых основан на явлении эл-магнитной индукции. Поэтому Фарадей по праву считается одним из основателей электротехники.

Рассмотрим подробнее явление электромагнитной индукции.

Пусть в однородном магнитном поле с индукцией В находится прямолинейный металлический проводник длиной L.
Приведем этот проводник в движение со скоростью так, что бы угол между векторами В и составлял 90 градусов, то вместе с проводником будут направленно двигаться и его собственные электроны, так как их движение происходит в магнитном поле, то на них должна действовать сила Лоренца.
С помощью правила левой руки можно установить, что свободные электроны будут смещаться к концу А. И тогда между А и В возникает напряжение U , которое создаст в нем эл. силу Fэл., которая уравновесит Fл. Fэл.= Fл., в этом случае смещение электронов прекратится.
Fэл.= Е . q = U/L . q, а Fл.= В . . q . sinU/L . q = В . . q . sinU = В . . L . sin, но напряжение на полюсах при разомкнутой цепи = Е.
Еинд.= В . . L . sin

Рис. 6

А если проводник включить в цепь, то в ней возникает индукционный ток.

Направление индукционного тока, возникающего в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле, определяется по правилу правой руки (рис. 7): если правую руку расположить вдоль проводника так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике.

Рис. 7

VI. Закон Ленца.

Учитель. В катушке, замкнутой на гальванометр, при перемещении магнита, возникает индукционный ток. Как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки? (А переломов не бойтесь!) Давайте определим это!
Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Связь между направлением индукционного тока в контуре и индуцирующим магнитным полем была установлена Ленцем.
Пусть имеется катушка, вокруг катушки существует изменяющееся магнитное поле и оно пронизывает витки другой катушки. А при всяком изменении магнитного поля, пронизывающего контур замкнутого проводника, в нем наводится индукционный ток. А как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки?
Обратимся к опыту. Почему кольцо отталкивается от магнита? А с прорезью нет? (U – тока нет.)

Значит в кольце возник ток (инд.), магнитное поле. И можно определить поле. Поменяем полюса магнита. И видим: что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита. Ленцу удалось обобщить эту закономерность: эту связь называют законом Ленца.

Определение: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует причине его вызывающей.

Eщё раз повторим правило Ленца.

Вернемся к опыту. Стрелка гальванометра отклоняется тем дальше, чем быстрее вдвигается в соленоид магнит или катушка с током.

Э.д.с. индукции, возникающая в какой-либо цепи, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается ( – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот.
Исходя из формулы:

1Bб = 1В 1с

VII. Закрепление материала.

Просмотр видеофильма «Электромагнитная индукция». Решение задач.

VIII. Задание на дом.

§ 23(2-6). № 18.10, № 18.12, № 14. Повторить «Эл.ток в газах»

IX. Итог урока.

Учитель. Спасибо вам за урок!.

Приложение 1.

Физический диктант

1. Напишите формулы для расчетов:

а) силы Лоренца;
б) магнитной проницаемости среды;
в) модуля вектора магнитной индукции;
г) магнитного потока;
д) силы Ампера;

2. Дополните следующие определения:

а) сила Лоренца – это …
б) сила Ампера – это …
в) температура Кюри – это …
г) магнитная проницаемость среды характеризует …

3. Какая физическая величина измеряется в теслах? Чему равна 1Тл?

4. Какими способами можно получить магнитное поле?

5. Какие величины характеризуют это поле?

6. Какую физическую величину измеряют в веберах? Чему равен 1Вб?

7. Дополните предложения:

а) У диамагнетиков они обладают свойством …
б) У ферромагнетиков их отличительные свойства …
в) У парамагнетиков для них характерно …
г) Сила Ампера применяется …
д) Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы состоят из ……………..,  действуют они так:
е) Сила Лоренца используется …

Приложение 2.

КРОССВОРД “ДОГАДАЙТЕСЬ”

По вертикали в выделенных клетках: катушка проводов с железным сердечником внутри. В каждую клетку включая нумерованную напишите по букве так чтобы по горизонтали получить слова:

1. Ученый, впервые обнаруживший взаимодействие электрического тока и магнитные стрелки.
2. Место магнита, где наблюдаются наиболее сильные магнитные действия.
3. Устройство, работающее на слабых токах, при помощи которого можно управлять электрической цепью с сильными токами.
4. Изобретатель первого в мире телеграфного аппарата, печатающего буквы.
5 и 6. Приборы, совместное пользование которыми позволяет передавать звук на далекие расстояния.
7. Изобретатель электромагнитного телеграфа и азбуки из точек и тире.
8. Ученый, объяснивший намагниченность молекул железа электрическим током.
9. Прибор, служащий для ориентации на местности, основной частью которого является магнитная стрелка.
10. Русский ученый, который изобрел электрический телеграф с магнитными стрелками.
11. Одна из основных частей приборов 5 и 6, названных выше.
12. Приемник тока, служащий для превращения электрической энергии в механическую.
13. Вещество, из которого делают постоянные магниты.

Приложение 3.

РЕБУС

Рис. 8

Прочитайте слова английского физика, которыми он определил поставленную перед собой задачу. Назовите ученого, год, когда эта задача была решена, и явление которое им было открыто.

КАКОЕ СЛОВО?

Отгадайте слово по буквам, каждую из которых надо определить, решив задачу

Рис. 9

1. Мысленно поставьте стрелку по направлению тока на участке проводника НМ.
2. Каков номер в алфавите второй буквы слова, покажет после включения тока северный конец магнитной стрелки.
3. Поставьте знак направления тока в кружке изображающем сечение проводника, и из двух подсчетов выберите тот, который содержит этот знак.
4. Мысленно поставьте стрелку, указывающую направление магнитных линий внутри катушки с током.
5. Нужная буква стоит у северного конца магнитной стрелки.
6. Выберите букву, которая стоит у положительного полюса источника тока.

ПРОЧТИ ФРАЗУ

Рис. 10

Электромагнитная индукция — Взаимодействия электрических и магнитных явлений

Не случайно, что первый и самый важный шаг в открытии этой новой стороны электромагнитных взаимодействий был сделан основоположником представлений об электромагнитном поле — одним из величайших ученых мира — Майклом Фарадеем. Фарадей был совершенно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Вскоре после открытия Эрстеда он записал в своем дневника (1821 г.): «Превратить магнетизм в электричество». С этих пор Фарадей, не переставая, думал над данной проблемой. Говорят, он постоянно носил в жилетном кармане магнит, который должен был напоминать ему о поставленной задаче. Через десять лет в результате упорного труда и веры в успех задача была решена. Им было сделано открытие, лежащее в основе устройства всех генераторов электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы, термо- и фотоэлементы дают ничтожную долю вырабатываемой энергии.

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Для этого достаточно положить кусок внутрь катушки. Не может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока или изменить его величину? Долгое время ничего обнаружить не удавалось.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий любопытный факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон также пытался получить электрический ток 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. Вдвинув магнит в катушку, Колладон шел в эту комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр показывает нуль. 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 мог лежать преспокойно внутри нее сотни лет, не вызывая в катушке тока.

С подобного рода случайностями сталкивался и Фарадей, потому что он неоднократно пытался получить электрический ток при помощи магнита и при помощи тока в другом проводнике, но безуспешно.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал сам Фарадей это явление (по-русски слово «индукция» означает наведение), было сделано 29 августа 1831 г. *). Вот краткое описание первого опыта: «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» (М. Фарадей, «Экспериментальные исследования по электричеству», I серия).

Итак, первоначально была открыта индукция неподвижных друг относительно друга токов. Затем, ясно понимая, что замыкание и размыкание соответствуют сближению или удалению проводников с током, Фарадей экспериментально доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг относительно друга.

Знакомый с трудами Ампера Фарадей понимал также, что ток — это магнит, а магнит в свою очередь — совокупность токов. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке в момент вдвигания (или выдвигания) магнита.

В течение одного месяца Фарадей экспериментально открыл все существенные особенности явления. «Его могучий ум обошел широкое поле и едва ли оставил для сбора последователям хотя бы крохи фактов»,— писал друг Фарадея Тиндаль. 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 этих, выглядевших внешне по-разному, опытах. В контуре возникает ток при изменении числа силовых линий магнитного поля, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром (в частности, при изменении величины магнитного поля, пронизывающего контур). И чем быстрее меняется это число, тем больше ток. Причина изменения числа силовых линий совершенно безразлична. Это может быть и изменение силы тока (а следовательно и его поля), и сближение катушек, и движение магнита.

Фарадей не только открыл явление, но и первым осуществил несовершенную пока еще модель генератора электрического тока, превращающего механическую энергию вращения в ток. Это был массивный медный диск, вращающийся между полюсами сильного магнита. Присоединив ось и край диска к гальванометру, Фарадей обнаружил отклонение стрелки. Ток был, правда, слаб, но найденный принцип позволил впоследствии построить мощные генераторы. Без них электричество и по сей день было бы мало кому доступной роскошью.

явление электромагнитной индукции(опыты Фарадея)



явление электромагнитной индукции(опыты Фарадея)

32)Явление электромагнитной индукции.

В 1831 г. Фарадей открыл, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Это явление называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток индукционным.

Рис. 105.

Величина индукционного тока не зависит от способа, которым вызывается изменение потока магнитной индукции Ф, но определяется лишь скоростью изменения Ф, т. е. значением dФ/dt. При изменении знака dФ/dt меняется также направление тока. Поясним сказанное следующим примером. На рис. 105 изображен контур 1, силу тока в котором i1 можно менять с помощью реостата. Ток i1 создает магнитное поле, пронизывающее контур 2. Если увеличивать ток i1 поток магнитной индукции Ф через контур 2 будет расти. Это приведет к появлению в контуре 2 индукционного тока i2, регистрируемого гальванометром. Уменьшение тока i1 обусловит убывание потока магнитной индукции через второй контур, что приведет к появлению в нем индукционного тока иного направления, чем в первом случае. Индукционный ток i2 можно вызвать также, приближая контур 2 к первому контуру, или удаляя второй контур от первого. В обоих случаях направления возникающего тока будут противоположными. Наконец, электромагнитную индукцию можно вызвать, не перемещая контур 2 поступательно, а поворачивая его так, чтобы менялся угол между нормалью к контуру и направлением поля.

Заполнение всего пространства, в котором поле отлично от нуля, однородным магнетиком приводит, при прочих равных условиях, к увеличению индукционного тока в μ раз. Этим подтверждается то, что индукционный ток обусловлен изменением не потока вектора Н, а потока магнитной индукции.

Ленц установил правило, с помощью которого можно найти направление индукционного тока. Правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Если, например, изменение Ф вызвано перемещением контура, то возникает индукционный ток такого направления, что сила, действующая на него во внешнем поле, противится движению контура. При приближении контура 2 к первому контуру возникает ток i2 (рис. 105), магнитный момент которого направлен против внешнего поля (угол α между векторами рm и В равен π). Следовательно, согласно формуле (48.8) на контур 2 будет действовать сила, отталкивающая его от первого контура. При удалении контура 2 от первого контура возникает ток i2″, момент которого рm совпадает по направлению с В (α = 0), так что сила, действующая на контур 2, имеет направление к первому контуру.

Пусть контур 2 неподвижен, и ток индуцируется в нем путем изменения тока i1 в первом контуре. В этом случае индуцируется ток i2 такого направления, что создаваемый им собственный магнитный поток стремится ослабить изменения внешнего потока, приведшие к появлению индукционного тока. При увеличении i1 т. е. возрастании внешнего магнитного потока, направленного вправо, возникнет ток i2”, создающий поток, направленный влево. При уменьшении i1 возникает ток I, собственный магнитный поток которого направлен так же, как и внешний поток, и, следовательно, стремится поддержать внешний поток неизменным.

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРО-МАГ. ИНДУКЦИИ. ПРАВИЛО ЛЕНЦА.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемой этим контуром возникает электрический ток, называемый индукционным потоком. Эксперементально установленно, что величина индукции тока не зависит от способов изменения магнитного потока, а определяет лишь скорость изменения. Индукционный ток в проводнике может возникнуть только под действием ЭДС. ЭДС, возникшая в проводнике при изменении магнитного потока, называется ЭДС-индукции. Согласно закону Фарадея: ε инд=k dФm/dt. Направление индукции тока определяется по правилу Ленца. При всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность натянутую на замкнутый контур, в нем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле препятствует изменению магнитного потока. С учетом правила Ленца закон Фарадея имеет вид: ε инд = — dФm/dt; Поскольку для замкнутого контура dФm=dψ, то ε инд = — dψ/dt


Фарадей и электромагнитная теория света

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 — 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, его вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он отвечал за введение концепции поля в физике. 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 обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризованный свет — явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Чтобы быть точным, он обнаружил, что плоскость колебаний луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, вращалась, когда магнитное поле было приложено в направлении распространения луча. Это было одно из первых указаний на связь электромагнетизма и света. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью Мысли о вибрациях лучей , пророческую публикацию , в которой он предположил , что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

Майкл Фарадей (1791-1867) / Источники: Wikipedia

Случай Фарадея нечасто встречается в истории физики: хотя его обучение было очень простым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени связаны с экспериментальными открытиями Фарадея, чем с любыми другими учеными. Он открыл электромагнитной индукции , что привело к изобретению динамо-машины, предшественницы электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также представил такие концепции, как поле , и силовых линий, , 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, — это чтение, письмо и арифметика. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетном магазине. Его страсть к науке была пробуждена описанием электричества , которое он прочитал в копии Британской энциклопедии , которую он подписывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. 1 марта 1813 года Фарадей был нанят лаборантом Хэмфри Дэви в Королевском институте в Лондоне, членом которого он был избран в 1824 году и где он проработал до своей смерти в 1867 году 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 фуллеровским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также признан великим популяризатором науки. В 1826 году Фарадей основал в Королевском институте «Пятничные вечерние лекции», которые являются каналом связи между учеными и непрофессионалами. В следующем году он запустил Рождественские лекции для молодежи, которые ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой — представить науку широкой публике.Многие из этих лекций читал сам Фарадей. Оба они продолжаются по сей день.

Майкл Фарадей читал рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 г. / Источники: Википедия

Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 г. Он повторил эксперимент Эрстеда , поместив небольшой магнит вокруг токоведущего провода и убедившись, что сила, прилагаемая ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечной серией круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял за отправную точку работы Эрстеда и Ампера по магнитным свойствам электрических токов и в 1831 году получил электрический ток из 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 ознаменовало решающую веху 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 электрическими зарядами в состоянии покоя, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, которая соответствует наведенной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, граница которой представляет собой проволочную петлю ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, поэтому Фарадея можно без всяких сомнений назвать отцом электротехники .

Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел концепции поля и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как действия Ньютона на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его наиболее важным вкладом, и он был описан Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно предоставило электричеству, магнетизму и оптике общую основу 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, обнаруженным Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не удовлетворился простым открытием взаимосвязи 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 г. г. 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 абзаце № 7504 своего документа Dairy :

.

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, проводя их через разные тела (прозрачные в разных направлениях) и в то же время пропуская через них поляризованный луч света (…) на поляризованном луче производился эффект, и, таким образом, магнитный доказано, что сила и свет связаны друг с другом ».

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

.

«Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы».

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

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

В выступлении королевского института в пятницу вечером, проведенном в апреле 1846 года, Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . На самом деле именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту Уитстона охватил приступ страха перед сценой, и Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше времени, он заполнил оставшиеся минуты, раскрывая свои мысли о природе света . Речь Фарадея была опубликована в том же году в журнале Philosophical Magazine под заголовком Мысли о лучевых вибрациях . Фарадей даже осмелился поставить под сомнение существование светоносного эфира — научная ересь того времени — который должен был быть средой для распространения света, как так элегантно Френель описал в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть не результатом вибраций эфира, а вибрацией физических силовых линий. Фарадей попытался исключить эфир, но он сохранил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свой доклад, в котором говорится:

.

«Я думаю, что вполне вероятно, что я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже для меня мои идеи по этому поводу кажутся только тенью спекуляции ».

Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скепсисом и отвергалась всеми 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 этом Международном году света 2015 — но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, мыслям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, всегда свойственной Максвеллу, 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 сути та же, что и та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для расчета скорости распространения ».

И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также упоминает о магнитооптическом эффекте, заявляя:

«Фарадей обнаружил, что когда плоско поляризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении силовых линий магнитного поля, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации вращается».

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, и Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея по электромагнетизму в теорию, которую мы знаем сегодня.

Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих мыслях о лучевых колебаниях , , которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, наконец, были получены в лаборатории Герца в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно, что Фарадей дал Максвеллу некоторые из ключей, которые он использовал.

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

(*) Хотя это предложение 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, в основе которых лежат уже достигнутые ранее (см., Например, книгу Стивена Хокинга под названием На плечах гигантов ).

Аугусто Белендес

Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Королевского физического общества Испании

Библиография

  • А. Диас-Хеллин, Фарадей: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 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 революционизировали физику (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
  • Зайонц, Улавливая свет: переплетенная история света и разума (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1995)
  • Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Philadelphia, 2002)
  • Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (Издательство Кембриджского университета. Кембридж, 2002)

Открытие электромагнитной индукции и изобретение динамо-машины послужили причиной коронации Фарадея как отца электричества.| Ашвани Кумар

Майкл Фарадей, происходивший из очень бедной семьи, стал одним из величайших ученых в истории. Его достижение было выдающимся в то время, когда наука была прерогативой людей, рожденных в привилегированных семьях. Единица электрической емкости названа в его честь фарад с символом F.

В 1821 году, в возрасте 29 лет, он был назначен суперинтендантом Дома и лаборатории Королевского института. Он также женился на Саре Барнард. Он и его невеста жили в комнатах Королевского института большую часть следующих 46 лет: больше не на чердаках; Теперь они жили в комфортабельных апартаментах, в которых когда-то жил сам Хэмфри Дэви.

В 1824 году, в возрасте 32 лет, он был избран членом Королевского общества. Это было признанием того, что он сам стал заметным ученым.

В 1825 году в возрасте 33 лет он стал директором лаборатории Королевского института.

В 1833 году в возрасте 41 года он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Он занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 году, в возрасте 54 лет, и снова в 1858 году ему предложили пост президента Королевского общества, но он отказался.

1821: Открытие электромагнитного вращения

Это проблеск того, что в конечном итоге разовьется в электродвигатель, основанный на открытии Ганса Христиана Эрстеда о том, что провод, по которому проходит электрический ток, обладает магнитными свойствами.

В 1802 году Джон Далтон высказал свою веру в то, что все газы можно сжижать с помощью низких температур и / или высоких давлений. Фарадей представил неопровержимые доказательства веры Далтона, впервые применив давление для сжижения газообразного хлора и газообразного аммиака.

Важность открытия Фарадея заключалась в том, что он показал, что механические насосы могут преобразовывать газ при комнатной температуре в жидкость. Затем жидкость может быть испарена, охлаждая окружающую среду, и полученный газ может быть собран и снова сжат насосом в жидкость, после чего весь цикл может быть повторен. Это основа того, как работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину для производства льда на Всемирной лондонской выставке.Машина использовала аммиак в качестве охлаждающей жидкости и производила лед со скоростью 200 кг в час.

Исторически бензол является одним из важнейших веществ в химии, как в практическом смысле, т. Е. Для создания новых материалов; и в теоретическом смысле — то есть понимание химической связи. Майкл Фарадей обнаружил бензол в маслянистых остатках, оставшихся после производства газа для освещения в Лондоне.

Это было чрезвычайно важное открытие для будущего науки и технологии.Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле заставляет электричество течь в электрической цепи.

Большая часть электроэнергии в наших домах сегодня производится по этому принципу. Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. Вращение может быть произведено паром высокого давления от угольных, газовых или ядерных турбин; или гидроэлектростанциями; или, например, ветряными турбинами.

Фарадей был одним из основных участников создания новой науки электрохимии.Это наука о понимании того, что происходит на границе электрода с ионным веществом. Электрохимия — это наука, которая создала литий-ионные батареи и металлогидридные батареи, способные обеспечить питание современной мобильной техники. Законы Фарадея жизненно важны для нашего понимания электродных реакций.

Фарадей обнаружил, что когда электрический проводник становится заряженным, весь дополнительный заряд находится на внешней стороне проводника. Это означает, что наценка не появляется внутри комнаты или клетки из металла.

Это был еще один жизненно важный эксперимент в истории науки, первый, который связал электромагнетизм и свет — связь, наконец, полностью описанная уравнениями Джеймса Клерка Максвелла в 1864 году, которые установили, что свет является электромагнитной волной.

Фарадей открыл, что магнитное поле заставляет плоскость поляризации света вращаться.

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом — типом, показываемым обычными магнитами.

Лягушка слегка диамагнитна.Диамагнетизм противостоит магнитному полю — в данном случае очень сильному магнитному полю — и лягушка плавает из-за магнитного отталкивания.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм



Эксперимент Фарадея по индукции магнитного поля

Когда Майкл Фарадей сделал свое открытие электромагнитной индукции в 1831 году, он предположил, что изменяющееся магнитное поле необходимо для индукции тока в соседней цепи.Чтобы проверить свою гипотезу, он сделал катушку, обмотав бумажный цилиндр проволокой. Он подключил катушку к гальванометру, а затем перемещал магнит вперед и назад внутри цилиндра.

Щелкните и перетащите магнит назад и вперед внутри катушки.

Когда вы перемещаете магнит вперед и назад, обратите внимание, что стрелка гальванометра движется, указывая на то, что в катушке индуцируется ток. Также обратите внимание, что стрелка сразу же возвращается в ноль, когда магнит не движется.Фарадей подтвердил, что для возникновения электромагнитной индукции необходимо движущееся магнитное поле.

НАЗАД К РУКОВОДСТВАМ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНИТИЗМУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт обслуживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 31 марта 2017 г., 10:10
Счетчик доступа с 6 сентября 1999 г .: 2182615

BBC — История — Майкл Фарадей

Майкл Фарадей © Фарадей был британским химиком и физиком, внесшим значительный вклад в изучение электромагнетизма и электрохимии.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года на юге Лондона. Его семья была небогатой, и Фарадей получил только базовое формальное образование. Когда ему было 14 лет, он поступил в ученики к местному переплетчику и в течение следующих семи лет учился, читая книги по широкому кругу научных предметов. В 1812 году Фарадей посетил четыре лекции, прочитанные химиком Хэмфри Дэви в Королевском институте. Впоследствии Фарадей написал Дэви с просьбой устроиться на работу в качестве его помощника.Дэви отказал ему, но в 1813 году назначил его помощником химика в Королевском институте.

Год спустя Фарадея пригласили сопровождать Дэви и его жену в 18-месячное европейское турне, в котором они побывали во Франции, Швейцарии, Италии и Бельгии и встретились со многими влиятельными учеными. Вернувшись в 1815 году, Фарадей продолжил работать в Королевском институте, помогая Дэви и другим ученым проводить эксперименты. В 1821 году он опубликовал свою работу по электромагнитному вращению (принцип, лежащий в основе электродвигателя).В 1820-х годах, будучи занятым другими проектами, он не смог провести никаких дальнейших исследований. В 1826 году он основал Пятничные вечерние лекции Королевского института и в том же году Рождественские лекции, которые продолжаются и по сей день. Он сам прочитал много лекций, заслужив репутацию выдающегося научного лектора своего времени.

В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию, принцип, лежащий в основе электрического трансформатора и генератора. Это открытие сыграло решающую роль в превращении электричества из диковинки в новую мощную технологию.В течение оставшейся части десятилетия он работал над развитием своих идей об электричестве. Отчасти он был ответственен за создание многих знакомых слов, включая «электрод», «катод» и «ион». Научные знания Фарадея использовались для практического использования на различных официальных должностях, в том числе на постах научного советника Тринити-хауса (1836–1865) и профессора химии в Королевской военной академии в Вулидже (1830–1851).

Однако в начале 1840-х годов здоровье Фарадея начало ухудшаться, и он стал меньше заниматься исследованиями.Он умер 25 августа 1867 года в Хэмптон-Корте, где ему предоставили официальное жилье в знак признания его вклада в науку. Он дал свое имя «фараду», первоначально обозначавшему единицу электрического заряда, но позже единицу электрической емкости.

Открытие электромагнетизма — Электричество и альтернативная энергия

  • наконечников для фаз Хлодвига, используемых в современной Альберте.

    острия фазового копья Хлодвига представляют собой старейшую охотничью технологию в Альберте, да и во всей Северной Америке.Эти рифленые, зазубренные каменные наконечники прикреплялись к кости или деревянному стержню и использовались для охоты на огромную добычу, такую ​​как мамонты и мастодонты.
    Источник: Отдел управления историческими ресурсами, Археологическая служба

    .
  • Технология Atlatl (метание копья) появляется в современной Альберте.

    Атлатлы использовались ранними охотниками для увеличения скорости метательного оружия. Копья или дротики, брошенные атлатлем, могли нанести животному разрушительные раны, позволяя охотнику убить животное с безопасного расстояния.
    Источник: любезно предоставлено Head-Smashed-In Buffalo Jump

  • Технологии лука и стрел достигают современной Альберты.

    Технологии лука и стрел в Северной Америке, похоже, сначала развивались в Арктике, а затем распространились на юг по всему континенту. Лук и стрела идеально подходили для использования на широких открытых пространствах Великих равнин и получили широкое распространение по всему региону.
    Источник: любезно предоставлено Head-Smashed-In Buffalo Jump

  • «Конная революция» начинается в современной Альберте.

    Лошадей завезли в Северную Америку испанские колонисты в шестнадцатом веке. Из испанской колонии Нью-Мексико лошади распространились по Северной Америке, достигнув современной Альберты в 1730-х годах. Принятие лошади оказало значительное влияние на способы охоты / передвижения коренных народов равнин.
    Источник: Королевский музей Альберты

  • Национальный парк Скалистых гор учрежден канадским правительством.

    Одной из главных достопримечательностей нового парка были природные горячие источники.Роскошный отель Banff Springs, построенный канадской Тихоокеанской железной дорогой в 1888 году, закачивал воду из горячих источников в свои бассейны и процедурные кабинеты. Туристы стекались сюда, чтобы воспользоваться предполагаемыми лечебными свойствами воды.
    Источник: Музей Уайта в Скалистых горах Канады, v263-na-3562

    .
  • Calgary Water Power Company открывает первую гидроэлектростанцию ​​в Альберте.

    Компания принадлежала предпринимателю Питеру Принсу, который также управлял компанией Eau Claire & Bow River Lumber Company.С 1894 по 1905 год компания была основным поставщиком электроэнергии для города Калгари.
    Источник: Архивы Гленбоу, NA-4477-44

    .
  • Город Эдмонтон покупает компанию Edmonton Electric Lighting Company.

    Решение в пользу государственной собственности было принято после неоднократных перебоев в работе частного коммунального предприятия. Эдмонтон был первым крупным городским центром Канады, у которого была собственная электроэнергетическая компания.
    Источник: Архивы Гленбоу, NC-6-271

  • Образована Calgary Power Company.

    Основатель компании Макс Эйткен изначально был привлечен в регион его огромным гидроэнергетическим потенциалом. Компания превратится в крупнейшее коммунальное предприятие Канады, принадлежащее инвесторам. В 1981 году компания сменила название на TransAlta Utilities Corporation, чтобы лучше отразить ее провинциальный охват.
    Источник: Фото любезно предоставлено компанией TransAlta

    .
  • Первая гидроэлектростанция в Альберте открывается у водопада Подкова.

    Принадлежащая и управляемая Calgary Power плотина Horseshoe Falls была первым из двух подобных сооружений, построенных в системе Bow River до Первой мировой войны.Вторая гидроэлектростанция начала работу на водопаде Кананаскис в 1913 году.
    Источник: Glenbow Archives NA-3544-28

  • Начало работы Призрачной плотины гидроэлектростанции

    Это массивное сооружение было самой большой плотиной гидроэлектростанции в Альберте на момент ее строительства. Электростанция Ghost Power Plant более чем вдвое увеличила объем электроэнергии, вырабатываемой компанией Calgary Power, которая уже была основным поставщиком энергии в провинции.
    Источник: Архивы Гленбоу, NA-5663-44

    .
  • В Спрингбанке основана первая Ассоциация электрификации сельских районов (REA) в Альберте.

    В течение следующих двух десятилетий в провинции будет создано в общей сложности 416 REA. Эти организации сыграют решающую роль в распространении электроэнергии в сельских районах Альберты.
    Источник: Архивы Гленбоу, NA-4160-20

    .
  • Избиратели Альберты категорически отвергают предложение о государственной собственности на электроэнергетические предприятия.

    Провинциальные выборы 1948 года включали плебисцит по вопросу владения электроэнергетическими предприятиями в Альберте.Сельские районы в основном проголосовали за государственную собственность, в то время как городские избиратели (особенно в южной Альберте) поддержали сохранение частной собственности. В конце концов, голосование было очень близким: общественная собственность проиграла всего лишь 151 голосом.
    Источник: Изображение любезно предоставлено Peel ’Prairie Provinces, цифровой инициативой Библиотеки Университета Альберты

  • Ветряная электростанция Коули-Ридж начинает свою работу недалеко от Пинчер-Крик.

    Cowley Ridge была первой коммерческой ветряной электростанцией в Канаде.Всего в 1993-94 гг. Было установлено 52 ветряных турбины. В 2000 году проект был расширен за счет добавления пятнадцати новых (и гораздо более мощных) турбин.
    Источник: Фото любезно предоставлено компанией TransAlta

    .
  • Открытие солнечного сообщества Drake Landing около Окотокса, Альберта.

    Drake Landing — первое полностью интегрированное солнечное сообщество в Северной Америке. В этой отмеченной наградами инициативе используется технология солнечного отопления, чтобы удовлетворить большинство потребностей населения в отоплении помещений и горячей воде.
    Источник: Wikimedia Commons / CA-BY-SA-3.0

  • Город Эдмонтон объявляет о запуске проекта «Преобразование отходов в биотопливо».

    В рамках проекта по превращению отходов в биотопливо мусор будет превращаться в биотопливо путем сбора углерода из отходов. В проект входит Центр перспективных энергетических исследований, который открылся в 2012 году.
    Источник: Фото предоставлено Enerkem

  • Электромагнитная индукция — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

    Электромагнитная индукция — это когда напряжение создается путем пропускания проводника через магнитное поле.

    Рисунок 45. Магнитные полюса и индукция

    Величину напряжения можно изменять тремя факторами:

    1. Размер магнитного поля. Чем больше линий магнитного потока, тем больше линий магнитного потока необходимо для разрезания проводника. Сила потока прямо пропорциональна наведенному 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 проходит через поле, тем больше индуцируемое напряжение. Скорость прямо пропорциональна наведенному напряжению.

    Эти отношения к напряжению можно разбить по следующей формуле: e = βlv.

    Где:

    e = пиковое напряжение, индуцированное в катушке индуктивности (вольт)

    B = напряженность поля между полюсами (тесла)

    l = активная длина проводника (метры)

    v = скорость проводника через поле (м / сек)

    Вот пример.

    Проводник с активной длиной 4 метра проходит через поле 5 тесла со скоростью 15 метров в секунду. Определите пиковое напряжение, наведенное на этом проводе.

    (4 м) (5 Тл) (15 м / сек) = 300 В пиковое значение

    Это безумие! Кто это открыл?

    Открытие электромагнитной индукции приписывается Майклу Фарадею, который обнаружил, что когда он пропускает магнитное поле через проводник, течет 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

    Электромагнитная индукция | HowStuffWorks

    В магнетизме есть что-то почти волшебное. В детстве мы были очарованы способностью магнита воздействовать на такие металлы, как железо, никель и кобальт, не касаясь их. Мы узнаем о притяжении и отталкивании между магнитными полюсами и становимся свидетелями формы магнитного поля, сформированного в железных опилках, окружающих стержневой магнит.Физики говорят нам, что электромагнетизм, сила, управляющая электричеством и магнетизмом, во много раз сильнее гравитации. Подвешивание поезда на магнитной подвеске над его путями — яркий пример этой силы.

    Как следует из названия «электромагнетизм», электричество и магнетизм очень тесно связаны. Эта взаимосвязь позволяет им влиять друг на друга бесконтактно, как в примере с поездом на магнитной подвеске, или посредством электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция возникает, когда цепь с протекающим через нее переменным током генерирует ток в другой цепи, просто будучи размещенной поблизости.Переменный ток — это электричество, протекающее по линиям электропередач и домашней электропроводке, в отличие от постоянного тока, который мы получаем от батарей.

    Как одна цепь вызывает ток в другой, не касаясь ее, и какое отношение все это имеет к магнетизму? Прежде чем мы перейдем к этому, нам нужно рассмотреть несколько принципов, связывающих магнетизм и электричество:

    1. Каждый электрический ток имеет окружающее магнитное поле.
    2. Переменные токи имеют переменные магнитные поля.
    3. Колеблющиеся магнитные поля заставляют токи течь в проводниках, помещенных в них, что также известно как закон Фарадея.

    Сложение этих трех свойств вместе означает, что изменяющийся электрический ток окружен соответствующим изменяющимся магнитным полем, которое, в свою очередь, генерирует изменяющийся электрический ток в проводнике, помещенном внутри него, который имеет собственное магнитное поле… и так далее. Это электромагнитный эквивалент матрешки-матрешки. Таким образом, в случае электромагнитной индукции размещение проводника в магнитном поле, окружающем первый ток, генерирует второй ток.

    Индукция — это принцип, который делает возможными электродвигатели, генераторы и трансформаторы, а также предметы, расположенные ближе к дому, такие как перезаряжаемые электрические зубные щетки и устройства беспроводной связи. Если у вас есть рисоварка, скорее всего, вы уже готовите на индукции. Теперь давайте посмотрим, как наведенный ток используется для нагрева индукционных варочных панелей.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.